李雙， 李鐘慎

(華僑大學 機電及自動化學院， 福建 廈門 361021)

全自動簧片鉚接生產(chǎn)線的設計

李雙， 李鐘慎

(華僑大學 機電及自動化學院， 福建 廈門 361021)

分析簧片鉚接生產(chǎn)的工藝流程，結合簧片鉚接的特點及技術要求，給出簧片自動鉚接生產(chǎn)線總體設計和關鍵機構的設計方案.采用三菱公司可編程控制器(PLC)設計生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)鉚接生產(chǎn)線自動化.實際生產(chǎn)結果表明：該自動化生產(chǎn)線結構合理，可以滿足簧片自動鉚接生產(chǎn)自動化需求，其效率是純手工鉚接的4倍，能降低生產(chǎn)成本、提高成品的合格率. 關鍵詞： 簧片鉚接； 自動化生產(chǎn)線； 機構設計； 可編程控制器

繼電器被廣泛應用于開關、汽車、儀表等設備中，是一種重要的電子元器件，而簧片鉚接是繼電器簧片生產(chǎn)線中一道重要的生產(chǎn)工序.鉚接過程中出現(xiàn)的各種鉚接缺陷，都會在一定程度上影響繼電器的導電性能.因此，簧片繼電器的鉚接質量很大程度上影響下一道工序中裝配的成品的質量[1].目前，我國的簧片鉚接生產(chǎn)仍采用人工或者半自動化生產(chǎn)方式，效率低、成本高、質量不穩(wěn)定、勞動強度大.隨著計算機技術的發(fā)展，自動化已經(jīng)廣泛地運用在各個行業(yè).王松松[2]研究自動裝配技術在防偽瓶蓋生產(chǎn)中的應用.王吉岱等[3]研究了掛式除濕包裝生產(chǎn)線全自動化的實現(xiàn).李偉光等[4]研究不銹鋼廚具符合壓力焊自動化生產(chǎn)線的研制.本文對簧片手工鉚接生產(chǎn)工藝進行分析，設計一條滿足技術要求的簧片鉚接自動化生產(chǎn)線，并對生產(chǎn)線的關鍵機構進行設計.

1 鉚接生產(chǎn)線的總體設計

目前，繼電器簧片鉚接的生產(chǎn)由手工作業(yè)或者半自動化方式完成.人工生產(chǎn)工序如下：工人用鑷子分別從左、右手邊夾取一個待加工件，放置在鉚臺上，用眼睛判斷兩個工件是否對齊后，由腳配合，踩一下完成一個鉚接動作，然后取出成品，完成一個鉚接作業(yè).由于完成簧片、銜鐵、觸點的鉚接結構不同，因此，完成產(chǎn)品的鉚接至少需要4次上料、兩個鉚臺、兩次鉚接才能完成工序.不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的人工鉚接的生產(chǎn)工藝中存在生產(chǎn)效率低、工作勞動強度大、產(chǎn)品質量不穩(wěn)定、生產(chǎn)成本高等問題，手工鉚接的繼電器簧片已不能滿足開關繼電器自動裝配過程中對零部件產(chǎn)量、質量的需求.

圖1 簧片鉚接生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of reed riveting

全自動簧片鉚接生產(chǎn)線的工藝流程,如圖1所示.考慮到生產(chǎn)工序的連續(xù)性及待加工工件的形狀大小，簧片鉚接自動化生產(chǎn)線的簧片上料機構、一次定位機構、一次鉚接機構、二次定位機構、二次鉚接機構、下料機構在主線上，觸點上料機構和銜鐵上料機構在一側，撥叉機構在另一側.整條生產(chǎn)線分為簧片上料工位(即Ⅰ號工位)、觸點上料工位(即Ⅱ號工位)、銜鐵上料工位(即Ⅲ號工位)、鉚接工位(即Ⅳ號工位)、撥叉工位(即Ⅴ號工位)、成品下料工位(即Ⅵ號工位)6個工位.簧片自動鉚接的生產(chǎn)線三維圖和俯視圖[5]，如圖2，3所示.圖2中：21為簧片定位機構；22為一次鉚接座；23為半成品定位機構；24為二次鉚接座.圖3中：31為簧片上料機構；32為觸點上料機構；33為鉚接機構;34為銜鐵上料機構；35為下料軌道；36為撥叉機構.

圖2 生產(chǎn)線三維圖 圖3 生產(chǎn)線俯視圖Fig.2 Three-dimensional drawing of production line Fig.3 Overhead view of production line

在鉚接過程中，由于待加工工件具有輕薄、小巧難抓取以及布局緊湊、加工工序易相互干擾等特點，這就對機構的設計以及控制系統(tǒng)提出了更高的要求.

簧片上料機構.該工位分為簧片的上料、傳送、分離.由于簧片是一種自身質量比較輕、接觸面不密封的薄壁件，所以簧片上料機構除了具有包括料斗組件和送料組件在內(nèi)的上料機構外，還包括切料組件和拉料組件的簧片分離機構.4個光線感應裝置分布在相應的位置，檢測工件的到位情況.

觸點上料機構.該工位主要完成觸點的上料工作.觸點振動盤調節(jié)板調節(jié)觸點振動盤的高低，使得觸點振動盤與觸點送料槽在一個平面上，通過觸點振動盤和觸點送料直振器與觸點相互間的擠壓，前端觸點被送料至推料軌道處，觸點推料氣缸帶動推料塊，將觸點推送至一次鉚壓基座處.

銜鐵上料機構.該機構與觸點的上料機構原理相似.銜鐵振動盤調節(jié)板調節(jié)銜鐵振動盤的高低，使得銜鐵振動盤與銜鐵送料槽在一個平面上，通過銜鐵振動盤和銜鐵送料直振器與銜鐵相互間的擠壓，前端銜鐵被送料至推料軌道處，銜鐵推料氣缸帶動推料塊，將銜鐵推送至二次鉚壓基座處.

鉚接機構.該機構主要包括一、二次鉚接機構.當鉚接結構中的傳感裝置檢測到兩處鉚接機構處都有工件到達后，鉚接氣缸氣動工作，通過連接橫桿帶動鉚接固定座上下移動，使鉚接頭完成鉚接工作.

撥叉機構.該裝置主要包括送料裝置、驅動裝置、撥叉裝置.完成簧片從分離到定位、從定位到與觸點完成一次鉚接、鉚接完的半成品送至二次定位、二次定位到與銜鐵第二次鉚接、成品下料5個工序.

下料機構.下料機構包括下料機械手和下料軌道.該工位將完成鉚接的、輸送到此工位的成品由下料機械手夾持取出，完成成品的下料工作，從而完成一個工作循環(huán).

簧片、銜鐵、觸點的上料和輸送均由振動盤和振動送料器完成，即驅動是由電動機完成；而工件的分離、撥叉和鉚接由電磁閥控制氣動執(zhí)行元件完成[6-7].因此，簧片自動鉚接生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)主要由氣動控制和電動控制兩部分組成.

圖4 簧片上料機構Fig.4 Feeding mechanism for reed

2 簧片鉚接生產(chǎn)線關鍵機構的設計

2.1 簧片上料機構的設計

簧片鉚接自動化生產(chǎn)線中的簧片上料機構主要由機架、料斗組件、切料組件和拉料組件構成.其中，機架相應位置分布有4處光纖感應裝置；料斗組件主要包括振動盤、調節(jié)板、直線送料器；切料組件主要包括切料支架、分離塊；拉料組件主要包括滑臺缸、氣動手指缸、氣動手指.簧片上料機構，如圖4所示[8].圖4中:11為振動盤；12為牙條；22為直振調節(jié)板；23為直線振動送料器；24為送料槽；33為上下氣缸；34為擋料塊；35為切料塊；42為手指氣缸座；43為手指氣缸；44為氣動手指下夾爪；45為氣動手指上夾爪；46為滑臺缸；47為滑臺缸座；51為第1光纖感應裝置；52為第2光纖感應裝置；53為第3光纖感應裝置；54為第4光纖感應裝置；61為料斗調節(jié)板；62為切料支架；63為拉料支架；64為直振固定板.

通過簧片振動盤和直線送料器的振動，工件被均勻地輸送至送料槽前端，在送料槽的前端和后端分別設有第1,2光纖傳感裝置，兩個光纖傳感裝置分別與簧片振動盤和簧片直線振動送料器相連接.當兩處光纖傳感裝置中分別檢測到工件時，證明送料槽上的工件足夠多，簧片振動盤暫時停止工作，避免送料槽上的工件過多造成堵塞；當兩處光纖處均沒有檢測到工件時，證明送料槽上的工件過少，需加速振動盤和送料器工作；當?shù)?光纖處檢測到工件，而第2光纖處沒有檢測到工件時，說明工件在送料槽上的運行很慢，需加速送料器工作.

當?shù)?光纖感應裝置檢測到工件時，上下氣缸通過浮動接頭，帶動由切料快和擋料塊組成的分離部分向上運行至指定位置，使得工件前端伸出送料槽，工件通過擋料塊定位部分切割脫離.滑臺缸運動，帶動手指氣缸座運動到指定位置，即帶動手指氣缸到指定位置，手指氣缸控制氣動手指運動.當?shù)?光纖感應裝置檢測到氣動手指到位時，氣動手指夾取簧片至下一道工序.整個過程中，光纖感應裝置與機構相連接，保證工件均勻整齊輸送，很好實現(xiàn)簧片自動檢測、自動上料，為簧片的定位、鉚接等工序提供很好的保障.

圖5 撥叉機構Fig.5 Shifting fork mechanism

2.2 撥叉機構設計

簧片鉚接自動化生產(chǎn)線的撥叉機構主要包括送料裝置、驅動裝置、撥叉裝置，如圖5所示[9].送料裝置包括橫向載重板、滑軌裝置、底板；驅動裝置包括橫向氣缸和縱向氣缸；撥叉裝置包括手指氣缸、氣動手指.

圖5中:51為氣動手指；52為手指氣缸；53為橫向載重板；54為底板；55為支撐架；56為縱向氣缸；57為浮動接頭；58為橫向氣缸座；59為橫向氣缸.橫向氣缸和縱向氣缸分別固定在橫向氣缸座和縱向氣缸座上，為撥叉機構的上下左右移動提供動力，橫向氣缸座設置在橫向載重板的側面，縱向氣缸座設置在底板的底面.為了實現(xiàn)整個機構完整銜接，橫向氣缸座與橫向載重板側面連接處設置有魚眼接頭，縱向氣缸座與底板底面連接處設置有浮動接頭，橫向氣缸座與魚眼接頭之間設置有連接螺桿.撥叉裝置設置有氣動手指，氣動手指包括左右對稱設置的傳送右夾爪和傳送左夾爪，以及固定傳送右夾爪和傳送左夾爪的氣爪固定板.

驅動裝置帶動送料裝置中的橫向載重板左、右、上、下移動，從而實現(xiàn)撥叉裝置夾持著工件的左、右、上、下移動，同步完成5個送料撥叉動作，使工件完成在相應位置的工序.該裝置在完成簧片鉚接的同時，也避免了操作步驟之間產(chǎn)生的影響，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率.

3 控制系統(tǒng)的設計

3.1 硬件設計

圖6 控制系統(tǒng)硬件設計圖Fig.6 Hardware design of control system

簧片自動鉚接生產(chǎn)線采用PLC可編程控制器作為主控單元，生產(chǎn)過程的設定、調整、顯示、記錄、檢測均可在顯示屏上進行監(jiān)控和操作.生產(chǎn)線中的光纖傳感器或氣缸磁環(huán)采集到信號之后，將信號傳送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接受信號經(jīng)過分析判斷后，將運動指令發(fā)送至運動執(zhí)行機構.通過對簧片鉚接自動化生產(chǎn)線中控制系統(tǒng)的分析，設計一套由PLC和觸摸屏組成的控制方案[10-11].控制系統(tǒng)的硬件結構，如圖6所示.其中：PLC選用三菱公司型號為FX2N-64MT的產(chǎn)品；觸摸屏選用WeinView公司型號為MT-506M的產(chǎn)品.

3.2 軟件設計

GX-Developer軟件是三菱系列PLC的編程軟件，具有項目管理、程序輸入、編譯鏈接、模擬仿真及程序調試功能[12].簧片鉚接自動化生產(chǎn)線根據(jù)生產(chǎn)線所要完成的動作功能，涉及生產(chǎn)線控制程序的流程，如圖7 所示.系統(tǒng)開機后先進行初始化運行，當檢測到所有的機構都位于初始狀態(tài)后，運行生產(chǎn)模塊.當檢測到零件上料完畢后，進行一次定位和二次定位，定位結束后，進行一次鉚接和二次鉚接.鉚接作業(yè)完成，撥叉機構復位，完成一次工序.

圖7 控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flow chart of control system

4 樣機制造與應用

部分零件和樣機機構實物，如圖8所示.

(a) 銜鐵上料部分 (b) 簧片上料分離部分

(c) 撥叉機構部分 (d) 簧片定位部分圖8 部分機構實物圖Fig.8 Physical figures of partial mechanism

樣機設計主要是依照環(huán)保、高效和可靠的理念[13-14]，為了減輕整條生產(chǎn)線的質量，減少生產(chǎn)成本，生產(chǎn)線的機架及部分非關鍵機構材料使用鋁合金.全自動簧片鉚接生產(chǎn)線經(jīng)過多次改進和調試后，已經(jīng)將樣機放在企業(yè)車間試行，單件產(chǎn)品鉚接平均用時3 s，與車間工人手工裝配相比，效率高于純手工鉚接的4倍，生產(chǎn)效率大大提高，生產(chǎn)成本大幅降低，企業(yè)認可度很高.

5 結束語

分析簧片鉚接自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝設計，合理地設計生產(chǎn)線的各個機構，提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質量，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)讓生產(chǎn)過程變得可視化，易于控制.樣機的調配與試驗表明：該生產(chǎn)線可實現(xiàn)自動上料、自動檢測、自動鉚接、自動下料的目的，其效率是純手工鉚接的4倍，克服了人工鉚接生產(chǎn)工藝中生產(chǎn)效率低、工作勞動強度大、產(chǎn)品質量不穩(wěn)定、生產(chǎn)成本高等問題.此生產(chǎn)線制造方便，部分機構稍作改造，也可以用于相似產(chǎn)品的鉚接，具有廣闊的應用前景.

[1] 王輝煌,謝又炎.觸點自動鉚接工藝及多工位級進模設計[J].模具工業(yè),2004(5):8-11.

[2] 王松松.防偽瓶蓋的自動裝配系統(tǒng)的研發(fā)[D].濟南：山東大學,2012：9-16.

[3] 王吉岱,王彬,辛飛飛,等.全自動掛式除濕包裝生產(chǎn)線設計[J].現(xiàn)代制造工程,2015(5):110-114.

[4] 李偉光,蒙啟泳,練小華.基于PLC的不銹鋼復合壓力焊自動化生產(chǎn)線設計[J].制造業(yè)自動化,2012,34(12):97-100.

[5] 李鐘慎,李雙.一種開關繼電器簧片的自動鉚接機： 中國，ZL201620025954.2[P].2016-8-17.

[6] 李紹炎.一種新型氣動壓力機構設計[J].機械設計與研究,2009,25(2):70-72.

[7] 楊孟濤,金紅偉,王曉梅,等.殼體類零件氣動鉚壓裝配機床設計開發(fā)[J].制造技術與機床,2012(8):116-119.

[8] 李鐘慎,李雙,歐陽鵬.一種自動鉚接機的簧片上料機構： 中國，ZL201520984434.X[P].2016-06-08.

[9] 李雙,李鐘慎,歐陽鵬.一種簧片自動鉚接機的送料撥叉裝置: 中國，ZL201520891192.X[P].2016-06-08.

[10] 周麗芳,羅志勇,羅萍,等.三菱系列PLC快速入門與實踐[M].北京:人民郵電出版社,2010：45-122.

[11] 倪會娟,羅繼亮.采用普通Petri網(wǎng)的自動化立體倉庫系統(tǒng)的PLC程序設計[J].華僑大學學報(自然科學版),2014,35(2):146-150.

[12] 秦常貴.GX Developer在學習PLC技術中的應用[J].智能計算機與應用, 2011(2):7-9.

[13] 丁黎光,李伯勝,丁偉.包裝生產(chǎn)線機械設備的自動化[J].包裝工程,2001(4):33-36.

[14] 方寧.自動化生產(chǎn)線安裝與調試[J].電子技術與軟件工程,2013(15):55-77.

(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 崔長彩)

Design of Automatic Production Line for Reed Riveting

LI Shuang, LI Zhongshen

(College of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The reed riveting is analyzed combined with the characteristics and technical requirements of the production process. A general scheme of the reed riveting production line is given and key components of the production line is designed. Then, the production line control system is designed using a Mitsubishi programmable logic controller (PLC) to realize the automation production of the reed riveting. A case study of real production line shows that the structure of the automation production line is reasonable. The production line can meet the needs of the reed riveting production automation, reduce the production costs, improve the rate of qualified products, and will have wide application prospects. Keywords： reed riveting; automatic production line; mechanism design； programmable logic controller

10.11830/ISSN.1000-5013.201702004

2016-11-06

李鐘慎(1971-)，男，教授，博士，主要從事控制理論與控制工程的研究.E-mail:lzscyw@hqu.edu.cn.

福建省自然科學基金計劃資助項目(2013J05077)； 福建省廈門市集美區(qū)科技計劃項目(20137C01)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(JB-ZR1107)

TH 122

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1000-5013(2017)02-0153-05