一種電能表銘牌自動(dòng)上料機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

祝正兵，朱呈霞，王扣成

（常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟215500）

0 引 言

目前對(duì)電能表銘牌進(jìn)行激光打碼時(shí)，主要是依靠工人手動(dòng)將條帶電子元件推送到激光打標(biāo)機(jī)中進(jìn)行打標(biāo)，打完后再取下。每臺(tái)機(jī)器都需要一名工人從事上下料工作，增加了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，工人每天重復(fù)單調(diào)的機(jī)械動(dòng)作，效率不高，工作疲勞之后存在放卡不準(zhǔn)確，導(dǎo)致打碼歪斜、產(chǎn)生次品問(wèn)題。由于銘牌尺寸較小，傳統(tǒng)手動(dòng)方式上料過(guò)程中，激光打碼時(shí)需要工人用手壓住銘牌，手距離激光工作區(qū)域很近，皮膚有被激光灼傷的危險(xiǎn)。工人需要長(zhǎng)時(shí)間直視激光工作區(qū)域，雖然激光不是直射眼睛，并且有護(hù)目鏡，但長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下會(huì)導(dǎo)致眼睛的疲勞，易對(duì)操作者造成傷害。目前，該行業(yè)生產(chǎn)的上料方式主要為手動(dòng)上料，也存在一部分自動(dòng)上料的方式，但現(xiàn)有的自動(dòng)上料方式存在一定的局限性。因此，亟待開(kāi)發(fā)一種新型上料機(jī)替代人工上料，實(shí)現(xiàn)銘牌打碼上下料生產(chǎn)自動(dòng)化，并且可以適應(yīng)多種不同規(guī)格銘牌的工況，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”的目的，可以節(jié)約大量的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。

1 總體方案設(shè)計(jì)

在推送銘牌一類的薄片工件時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤推或推空的現(xiàn)象。由于一般銘牌基本都是薄片形式，為了避免一次推兩張料，推桿需要更薄，而且要緊貼底面。但這樣推桿容易插入銘牌間的空隙，導(dǎo)致上料不成功。設(shè)計(jì)主要解決的技術(shù)問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)電能表不同規(guī)格銘牌激光打碼的自動(dòng)上下料，使操作者只需要將空白銘牌放入料斗中，待接料斗收滿成品后將成品收集即可。擬實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料的電能表銘牌規(guī)格如圖1所示。

圖1 3種典型銘牌

1.1 電能表銘牌自動(dòng)上料機(jī)技術(shù)要求

1）設(shè)置進(jìn)料倉(cāng)，并判斷有無(wú)銘牌[1]。自動(dòng)送銘牌到激光打標(biāo)機(jī)工作區(qū)域，并自動(dòng)判斷銘牌有無(wú)送到位。當(dāng)沒(méi)有推到銘牌或送不到位時(shí)，不發(fā)出打標(biāo)信號(hào)給打標(biāo)機(jī)，并聲光報(bào)警[2]。

2）判斷打出的條碼是否正常，如條碼無(wú)法讀取或順序不對(duì)，需要自動(dòng)將銘牌暫停在條碼掃描槍下，并以聲光報(bào)警提示直到人工復(fù)位（紅燈）。

3）自動(dòng)打標(biāo)，自動(dòng)將計(jì)完數(shù)的銘牌送到收料倉(cāng)。打完標(biāo)自動(dòng)計(jì)數(shù)，打標(biāo)不正常的銘牌不計(jì)數(shù)。

4）收料倉(cāng)收料達(dá)到設(shè)定數(shù)量后自動(dòng)換倉(cāng)并聲光報(bào)警，聲音報(bào)警10 s后停，黃色警示燈長(zhǎng)亮直到人工復(fù)位。

1.2 電能表銘牌自動(dòng)上料機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整機(jī)主要由儲(chǔ)料部件、工作部件、接料部件組成[3]。儲(chǔ)料部件與工作部件固定在鋁制底板上，底板固定在支架上的手搖式螺旋升降機(jī)上；接料部件固定在支架上的氣動(dòng)分度盤上。支架由4040鋁型材經(jīng)鋁角碼固定而成。放料部件與工作部件所有組件都是安裝在底板上，底板由一整塊厚度為8 mm的鋁板加工而成。電能表銘牌自動(dòng)上料機(jī)總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 電能表銘牌自動(dòng)上料機(jī)總體設(shè)計(jì)方案圖

1.3 電能表銘牌自動(dòng)上料機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）長(zhǎng)桿氣缸向下運(yùn)動(dòng)，接觸到最上面的銘牌處感應(yīng)到磁環(huán)，PLC接收到信號(hào)，控制三位五通閥驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)桿氣缸停止[4]。

2）PLC控制兩位三通閥工作，連接的真空發(fā)生器工作，驅(qū)動(dòng)真空吸盤吸起最上面的銘牌。

3）長(zhǎng)桿氣缸帶著真空吸盤向上運(yùn)動(dòng)感應(yīng)到磁環(huán)處，PLC控制三位五通閥驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)桿氣缸停止。

4）PLC控制三位五通閥驅(qū)動(dòng)無(wú)桿氣缸帶著長(zhǎng)桿氣缸、真空吸盤及其上的銘牌向左運(yùn)動(dòng)到感應(yīng)磁環(huán)處停止。

5）PLC控制三位五通閥驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)桿氣缸帶著真空吸盤及其上的銘牌向下運(yùn)動(dòng)感應(yīng)磁環(huán)處停止。

6）銘牌落下的下方安裝的光電傳感器感應(yīng)到有料，發(fā)出信號(hào)給PLC，PLC控制兩位三通閥使真空發(fā)生器停止工作，真空吸盤因負(fù)壓消失而松開(kāi)銘牌，銘牌落到輸送帶上。

7）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸送帶，將銘牌帶到激光打碼處。為準(zhǔn)確定位，在銘牌接近激光打碼區(qū)時(shí)安裝的光電傳感器感應(yīng)到信號(hào)后傳輸給PLC，PLC控制兩位三通閥驅(qū)動(dòng)阻擋氣缸彈起，將銘牌準(zhǔn)確定位，同時(shí)電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，長(zhǎng)桿氣缸回到頂部，無(wú)桿氣缸回到右端，為下一次循環(huán)準(zhǔn)備。

8）打碼結(jié)束后激光發(fā)生器發(fā)出一個(gè)打碼結(jié)束的信號(hào)給PLC，PLC發(fā)出命令給兩位三通閥，控制阻擋氣缸回縮，電動(dòng)機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，將銘牌傳輸?shù)捷斔蛶稀?/p>

9）輸送帶帶動(dòng)銘牌運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)掃碼處的光電傳感器處時(shí)，發(fā)出信號(hào)給PLC，控制掃描槍開(kāi)啟。由掃描槍掃描，將掃描出的條形碼傳輸給PLC，由PLC判斷所打的條形碼是否正確，正確則無(wú)動(dòng)作，錯(cuò)誤則電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并報(bào)警，由工人檢查。

10）掃碼后，銘牌經(jīng)過(guò)滑道滑到接料斗中。

11）光電傳感器兼有計(jì)數(shù)器的功能，每計(jì)數(shù)100后，PLC控制兩位三通閥控制氣動(dòng)分度盤啟動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)90°后靠氣動(dòng)分度盤內(nèi)部機(jī)構(gòu)停止，將空接料斗自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)輸送道。

2 電能表銘牌主要部件設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)放式料斗與料斗滑塊固定塊

根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)能通用的寬度分別為95 mm、54 mm和36 mm。這就要求料斗的寬度可調(diào)，并且能按要求固定住，防止因?yàn)闄C(jī)器振動(dòng)導(dǎo)致活動(dòng)端與銘牌的距離過(guò)大、銘牌放置地凌亂，真空吸盤在吸料時(shí)發(fā)生誤差，導(dǎo)致真空吸盤無(wú)法準(zhǔn)確地放料到輸送帶上。一次裝料的數(shù)量一定，隨著取料、放料的動(dòng)作，料斗里的銘牌越來(lái)越少，需要吸盤在取料的時(shí)候越來(lái)越往下運(yùn)動(dòng)。氣缸動(dòng)作固定，料斗底板做成活動(dòng)式，固定在螺旋升降機(jī)上，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)上升，在真空吸盤吸料的位置安裝針孔式傳感器，傳感器感應(yīng)不到料時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作，螺旋升降機(jī)上升，傳感器感應(yīng)到料時(shí)停止，保證長(zhǎng)桿氣缸的固定動(dòng)作下能取到銘牌。在料斗底板上安裝傳感器，在底板上無(wú)料時(shí)，電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，料斗快速下降，直至觸碰到下極限位置的行程限位開(kāi)關(guān)后停止，由工人重新裝料。開(kāi)放式料斗設(shè)置2個(gè)面為基準(zhǔn)面，固定不動(dòng)，第3個(gè)面為活動(dòng)面，固定在滑塊上，滑塊安裝在滑軌上，可以沿前后方向自由移動(dòng)，方便3種不同寬度的銘牌使用。為加工方便、節(jié)約成本，開(kāi)放式料斗的幾個(gè)面都是由不同規(guī)格的角鋁加工而成[5]，既方便加工，又能保證垂直度與平行度。

開(kāi)放式料斗結(jié)構(gòu)如圖3所示，料斗滑塊固定板是一個(gè)類似于L形的角鋁，形狀如圖4所示。因?yàn)榧庸げ环奖?，且不易保證精度，現(xiàn)拆分為兩個(gè)部分，由螺釘聯(lián)接，如圖5所示。

2.2 吸盤安裝板

吸盤通過(guò)吸盤安裝板（如圖6）固定在長(zhǎng)桿氣缸的活塞桿上?；钊麠U易受連接吸盤與真空發(fā)生器的氣管的干擾而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成真空吸盤放料不準(zhǔn)確而導(dǎo)致機(jī)器停止運(yùn)行?，F(xiàn)采用在吸盤安裝板上固定兩根細(xì)長(zhǎng)桿，穿過(guò)固定在長(zhǎng)桿氣缸固定座上的直線軸承，與活塞桿呈三角形分布，可以有效防止活塞桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

2.3 輸送道

本機(jī)器要輸送不同寬度的銘牌，以其中一條輸送帶固定板的內(nèi)側(cè)面作為基準(zhǔn)邊，與料斗的基準(zhǔn)邊對(duì)齊[6]，保證銘牌在運(yùn)輸過(guò)程中有可以參考的基準(zhǔn)邊；另一條輸送帶固定在活動(dòng)板上，跟隨活動(dòng)板活動(dòng)。活動(dòng)板通過(guò)直線軸承固定在兩塊固定板上的兩根導(dǎo)向桿上，可以始終保證與固定板相平行，給銘牌提供一個(gè)平直的輸送道，防止因?yàn)槟程幘嚯x過(guò)小而卡住。導(dǎo)向桿通過(guò)兩端的螺紋孔分別與兩塊固定板上的沉頭孔配合并用螺釘緊固，方便且可靠。輸送帶固定板與導(dǎo)向桿如圖7所示。

圖3 開(kāi)放式料斗

圖4 L形角鋁模型圖

圖5 滑塊固定塊模型圖

圖6 吸盤安裝板

圖7 輸送帶固定板與導(dǎo)向桿

2.4 傳動(dòng)軸與主動(dòng)滾輪

齒輪電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)同步帶輪傳遞給傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸帶動(dòng)固定在傳動(dòng)軸上的主動(dòng)滾輪來(lái)驅(qū)使輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檩斔蛶П蛔龀煞蛛x式，一半被固定在活動(dòng)板上，這部分的主動(dòng)滾輪需要既能被傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，又能跟隨活動(dòng)板調(diào)節(jié)寬度，且能可靠地工作。傳動(dòng)軸由六角棒做成，主動(dòng)滾輪為與之配合使用，用線切割出六角通孔。將主動(dòng)滾輪的一段固定在軸承中，再將軸承固定在活動(dòng)板上，主動(dòng)滾輪就能隨活動(dòng)板自由調(diào)節(jié)輸送道的寬度，主動(dòng)滾輪與六角棒制成的傳動(dòng)軸可以很好地傳遞動(dòng)力。傳動(dòng)軸與主動(dòng)滾輪如圖8所示。

圖8 傳動(dòng)軸與主動(dòng)滾輪

2.5 從動(dòng)滾輪與張緊輪

輸送帶要能正常工作，還需要有從動(dòng)輪與張緊輪。如圖9所示，從動(dòng)輪與主動(dòng)輪一樣，同樣做成分離式的，分別固定在輸送道兩側(cè)的固定板與活動(dòng)板上。為了安裝方便與運(yùn)行可靠，每個(gè)從動(dòng)輪兩端分別固定一個(gè)凸緣外圈深溝球軸承。因?yàn)樵谳斔偷乐羞€要安裝3個(gè)光電感應(yīng)器，空間所限，輸送道最窄的寬度為36 mm，所以不能使用普通的內(nèi)六角螺釘，采用平基內(nèi)六角螺釘固定從動(dòng)滾輪。

輸送帶是定制的PU輸送帶，可能在確定長(zhǎng)度時(shí)有誤差，可能加工安裝孔時(shí)有偏差，工作時(shí)間久了以后輸送帶變松等原因，需要在輸送帶上加上張緊裝置，現(xiàn)用3對(duì)凸緣外圈深溝球軸承相對(duì)固定，作為張緊輪使用。中間的張緊輪固定在輸送道兩邊固定板上的腰孔中，便于調(diào)節(jié)輸送帶張緊程度，如圖10所示。

圖9 從動(dòng)滾輪

圖10 張緊輪與輸送帶

2.6 底板

本機(jī)器大部分的零件，如開(kāi)放式料斗、齒輪電動(dòng)機(jī)、螺旋升降機(jī)、手搖式蝸輪蝸桿升降機(jī)、氣缸組合、輸送道，以及3個(gè)傳感器與3個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)都是安裝在底板上的，且空間有限，整體布局就顯得尤為重要。底板結(jié)構(gòu)如圖11所示。

2.7 滑道與滑道固定塊

滑道是用來(lái)將輸送帶上檢測(cè)正常的料送至接料斗的裝置，因?yàn)檩斔蛶鄬?duì)于接料斗位置比較高，所以只靠重力就可以讓銘牌經(jīng)滑道自由地落入接料斗。設(shè)計(jì)中將兩片滑道利用滑道固定塊分別固定在氣動(dòng)分度盤的支架上，如圖12所示，每次換寬度不同的銘牌時(shí)，需要人工手動(dòng)調(diào)節(jié)其中一側(cè)滑道以適應(yīng)不同寬度的銘牌。

因?yàn)榛拦潭▔K的奇異形狀，如果做成一個(gè)零件的話，會(huì)比較復(fù)雜，不便于加工且成本較高，現(xiàn)將其拆分為兩個(gè)零件，如圖13所示。這樣，既方便加工，也方便安裝。

2.8 接料斗與分料隔板

作為本機(jī)器的最后一個(gè)部分，接料斗的工作好壞情況將影響到實(shí)際生產(chǎn)中的效率。接料斗是放置在固定于氣動(dòng)分度盤的電木板上。以最寬的銘牌為準(zhǔn)做出的接料斗固定在電木板上?，F(xiàn)用202不銹鋼做成隔板，將一塊大小適中的不銹鋼板折成90°，焊接在一塊比接料斗底板略小的不銹鋼板上，做成倒置的T形板（如圖14）放置在料斗中，左右剩下的空間足夠分別放置中等寬度與窄的銘牌。

圖11 底板

圖12 滑道與滑道安裝塊

圖13 滑道安裝塊的分解

圖14 倒T形隔板

當(dāng)工作對(duì)象是窄型的銘牌時(shí)，將倒T形不銹鋼板的窄的一側(cè)對(duì)準(zhǔn)輸送道；同理，當(dāng)工作對(duì)象是中等寬度的銘牌時(shí)，將倒T形不銹鋼板的寬的一側(cè)對(duì)準(zhǔn)輸送道；當(dāng)工作對(duì)象是寬型的銘牌時(shí)，將倒T形不銹鋼板拿掉。后側(cè)板與底板都折出一定傾角，使接到的銘牌不易甩出。接料斗底部開(kāi)個(gè)缺口，方便將接好的銘牌取出。接料斗結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示。

圖15 接料斗結(jié)構(gòu)示意圖

2.9 機(jī)械系統(tǒng)模型圖與現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)

同步帶、傳動(dòng)軸和輸送帶配合使用，輸送銘牌的輸送道寬度可調(diào)，適合多種不同的銘牌。儲(chǔ)料部分與輸料部分做成分離式，各自調(diào)節(jié)、互不干擾，接料斗與隔板的配合使用，可以方便收取寬度不同的銘牌。三維模型如圖16所示，實(shí)物照片如圖17所示。

圖16 三維模型圖

3 結(jié) 語(yǔ)

圖17 實(shí)物照片

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的電能表銘牌自動(dòng)上料機(jī)，實(shí)現(xiàn)了銘牌打碼上下料生產(chǎn)的自動(dòng)化。完成了升降機(jī)、氣缸、真空吸盤和輸送帶等機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)物樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明電能表銘牌自動(dòng)上料機(jī)能準(zhǔn)確方便地上下料，工作效率高，并且可以適應(yīng)多種不同規(guī)格的銘牌的工況，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”的目的。設(shè)計(jì)中需要用到同步帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲桿傳動(dòng)和氣動(dòng)等多種傳動(dòng)方式，在設(shè)計(jì)時(shí)需要從理論上確定需要何種傳動(dòng)方式，再結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行整合修改，使之達(dá)到使用要求。設(shè)計(jì)中機(jī)器主體結(jié)構(gòu)由4040鋁型材及其配件搭建而成。市面上有大量的該型鋁材及其配件銷售，成本低、組裝方便、可靠性高且容易調(diào)整。按照本設(shè)計(jì)所提出的方法與解決思路，生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)器經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，可以達(dá)到預(yù)期的要求，能有效地節(jié)約人力成本。