張 楊,張海鷗,黃 漩,王桂蘭

(1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;2.華中科技大學(xué)材料成型與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

近年來(lái),我國(guó)塑料機(jī)械工業(yè)飛速發(fā)展,年增長(zhǎng)率都在30%左右,是我國(guó)機(jī)械行業(yè)中增長(zhǎng)最快的產(chǎn)業(yè)之一。目前,雖然我國(guó)生產(chǎn)的塑料加工機(jī)械基本可滿足國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)需要,但與世界先進(jìn)水平相比,我國(guó)塑料加工機(jī)械在產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、產(chǎn)品精度,特別是自動(dòng)化程度等方面還有一定的差距[1]。

某公司主要生產(chǎn)通訊與高頻高速傳輸連接器及其相關(guān)配套材料,屬于勞動(dòng)密集型企業(yè),出口低附加值的產(chǎn)品,大部分生產(chǎn)線都是手工作業(yè)。越來(lái)越高的勞動(dòng)力成本,嚴(yán)重制約了該公司的發(fā)展,迫切需要進(jìn)行注塑生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造。

基于上述背景,本研究室受該公司的委托,在國(guó)內(nèi)率先開展了耳機(jī)插頭產(chǎn)品高效注塑自動(dòng)化設(shè)備與控制系統(tǒng)的開發(fā)。先針對(duì)某一種耳機(jī)注塑產(chǎn)品開發(fā)出對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化設(shè)備,試制成功后再擴(kuò)展到其他注塑產(chǎn)品,以期提高注塑生產(chǎn)效率。在穩(wěn)定塑料產(chǎn)品質(zhì)量、降低廢品率、節(jié)約生產(chǎn)成本的同時(shí),增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 耳機(jī)插頭注塑工藝現(xiàn)狀

圖1是耳機(jī)插頭三維視圖。插頭前端材料為銅,注塑部分材料為PVC工程塑料。自動(dòng)化改造前,其注塑成形工藝流程見圖2。

圖1 耳機(jī)插頭三維視圖

圖2 改造前耳機(jī)插頭注塑工藝流程圖

改造前,主要存在以下問題:①在生產(chǎn)過(guò)程中,所有工序均為手工操作,一模兩件,生產(chǎn)效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度較大;②手工操作不可避免地產(chǎn)生誤差,使插頭的尺寸精度無(wú)法達(dá)到預(yù)定要求;③產(chǎn)品缺陷較多,特別是銅針壓花、壓線、雜物、黑底、起鼓、缺膠等現(xiàn)象較常見。因此,在自動(dòng)化改造中,需解決生產(chǎn)效率低及廢品率高等主要問題。

2 耳機(jī)插頭注塑自動(dòng)化裝置的開發(fā)

2.1 總體要求及方案

注塑自動(dòng)化裝置所要達(dá)到的主要性能指標(biāo)有:

(1)產(chǎn)品精度:要求達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

(2)成品率:要求不低于98%。

(3)生產(chǎn)效率:要求至少提高1倍,且能精確控制生產(chǎn)量。

(4)工作可靠性:要求能持續(xù)工作24 h以上。

(5)安全性:要求保障操作人員和機(jī)構(gòu)的安全,能自動(dòng)檢測(cè)并提示故障點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的大幅提高,自動(dòng)化裝置采用雙工位一模六件生產(chǎn)代替原有的單工位一模兩件生產(chǎn)。注塑機(jī)在工位1注塑時(shí),工人可在工位2完成取件和裝件的工作;當(dāng)6個(gè)插頭更換完畢時(shí),等待工位轉(zhuǎn)換,不斷循環(huán)。改造后的工藝流程見圖3。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 注塑模具的設(shè)計(jì)

圖4是模條結(jié)構(gòu)圖。它的作用是在自動(dòng)化裝置中固定6個(gè)耳機(jī)插頭,使它們?cè)诠の簧贤瓿勺⑺?并實(shí)現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換。為使耳機(jī)插頭的銅針插入模條炮筒而不脫落,在炮筒內(nèi)設(shè)計(jì)了壓緊裝置,利用銅針的斜面使其得到有效定位,并可承受一定擾動(dòng)。

由于模具要與模條相配合,因此上、下模(圖5、圖6)均應(yīng)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的配合槽與銷釘孔,同時(shí),流道采用分體式設(shè)計(jì)。為使模條離開模具時(shí)澆注系統(tǒng)凝料、自動(dòng)留在模條上,以方便工人操作,上模的主流道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成短粗型,型腔在后期用電火花加工。模具材質(zhì)為STK-11,淬火硬度為59～61 HRC。

2.2.2 模條移動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于模條移動(dòng)裝置,由于采用了兩個(gè)模條分別注塑,所以設(shè)置了兩個(gè)工位。一號(hào)模條在注塑時(shí),二號(hào)模條可進(jìn)行耳機(jī)插頭的裝入工作,這樣可優(yōu)化工序,提高生產(chǎn)效率。模條要實(shí)現(xiàn)在下模中的準(zhǔn)確定位,需要有3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),分別為左右、前后及上下。

對(duì)于執(zhí)行元件,由于工廠在注塑機(jī)周圍布置了壓縮空氣管道,而本套裝置所需的驅(qū)動(dòng)力不大,故可直接采用氣缸作為執(zhí)行元件。每個(gè)氣缸配置兩個(gè)磁性開關(guān),用于檢測(cè)氣缸的運(yùn)動(dòng)位置,方便后續(xù)電路部分的控制。為實(shí)現(xiàn)模條運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)與準(zhǔn)確定位,在每個(gè)氣缸上均安裝油壓緩沖器,并使用導(dǎo)軌滑塊,降低裝置運(yùn)行時(shí)的阻力,同時(shí)也起導(dǎo)向作用。

模條移動(dòng)機(jī)構(gòu)共有5個(gè)氣缸,用于控制兩個(gè)模條的左右、升降、前后動(dòng)作。其中,橫移缸控制兩個(gè)模條同時(shí)左右運(yùn)功,升降缸控制模條的上下運(yùn)動(dòng),進(jìn)退缸控制模條的前后運(yùn)動(dòng),這樣能使模條正確地運(yùn)動(dòng)到與模具對(duì)應(yīng)的位置。

2.2.3 耳機(jī)插頭注塑自動(dòng)化裝置整體效果

經(jīng)運(yùn)動(dòng)模擬和干涉檢測(cè)證明,耳機(jī)插頭注塑自動(dòng)化裝置的三維模型裝置運(yùn)動(dòng)正常、流暢。圖7是經(jīng)加工、組裝后的裝置實(shí)物圖。

圖7 自動(dòng)化裝置實(shí)物圖

2.3 電路及控制系統(tǒng)

電路系統(tǒng)的開發(fā)主要是針對(duì)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),在機(jī)構(gòu)工作時(shí),運(yùn)用多個(gè)雙作用氣缸,使模條和線梳按給定的路徑循環(huán)動(dòng)作。通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)要求、注塑機(jī)通信和檢測(cè)氣缸運(yùn)動(dòng)位置的研究,得出設(shè)備共需35個(gè)輸出點(diǎn)和輸入點(diǎn)?？紤]到注塑用設(shè)備的工作環(huán)境,本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心。圖8是基于單片機(jī)的硬件控制結(jié)構(gòu)圖。

圖8 基于單片機(jī)的硬件控制結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果分析

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的生產(chǎn)試運(yùn)行發(fā)現(xiàn),注塑過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。使用本套自動(dòng)化設(shè)備,將插拔模具和理線等準(zhǔn)備時(shí)間由7 s縮短到2 s,且由單工位一模兩件作業(yè)拓展到雙工位一模六件同時(shí)作業(yè),由此能在保證成品率不低于98%的條件下,顯著提高該耳機(jī)插頭注塑生產(chǎn)效率達(dá)216%,同時(shí)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。這種多功能復(fù)合模具注塑自動(dòng)化機(jī)構(gòu),不僅適用于插頭類帶線產(chǎn)品高效率、優(yōu)質(zhì)的自動(dòng)化注塑生產(chǎn),而且適用于帶剛性金屬鑲嵌件與軟質(zhì)線材的復(fù)合材料產(chǎn)品的注塑成形,具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]王田苗.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展思考[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2004(2):1-4.