□ 周 晶 □ 李俊陶 □ 葉兆杰 □ 鄧楊逍

東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院 廣東東莞 523808

1 開發(fā)背景

微電子用玻璃面板加工過程中,需要將來料的大板玻璃切割成小板,然后再人工運送到玻璃貼標機上進行貼標加工。這種操作方式工作效率不高,并且轉(zhuǎn)運過程中由于長時間連續(xù)操作,容易失誤，造成人員受傷。通過改造設(shè)備，利用可編程序控制器控制電磁閥的通閉來控制氣動元件的運動,通過傳感器的感應(yīng)來實現(xiàn)氣動元件上下運動，由氣動夾頭控制物料的抓取與放置,進而可以實現(xiàn)物料的加工和搬運。張允良等[1]設(shè)計了帶平轉(zhuǎn)功能的發(fā)動機缸體抓取機械手,對發(fā)動機缸體毛坯結(jié)構(gòu)特點、輸送運動狀態(tài)等進行了較深入的分析。李小賓等[2]將改造后的內(nèi)圓切片機并聯(lián)為機組，配合自行設(shè)計的上下料機械手系統(tǒng)進行全自動生產(chǎn)，形成全新的生產(chǎn)模式。朱華炳等[3]設(shè)計了機械手與拋光設(shè)備控制系統(tǒng)，兩者之間通過現(xiàn)場總線形式實現(xiàn)信息交換和連鎖對接[3]。

筆者開發(fā)了玻璃貼標機上下料機械手，實現(xiàn)物料的運送加工。利用氣動部件運轉(zhuǎn)物料，由真空機搬運物料，通過可編程序控制器實現(xiàn)對各種輸入信號的分析、處理,做出一定的邏輯判斷后,對各個輸出元件,如傳感器、電機驅(qū)動器、指示燈等下達執(zhí)行命令,完成自動運料、加工及搬運等一整套全自動作業(yè)流程[4-6]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

玻璃貼標機上下料機械手通過按鈕、光電傳感器將信號傳給可編程序控制器，控制電磁閥、電機,同時由電磁閥控制氣缸、真空發(fā)生器運轉(zhuǎn),達到整體自動化運行的目的。玻璃貼標機共分為三個單元：上料單元、加工單元、下料單元,各個單元的執(zhí)行機構(gòu)以氣動執(zhí)行機構(gòu)為主,加工單元為電動執(zhí)行機構(gòu)[7]。上下料機械手在這三個單元中起傳輸物料的作用。

上下料機械手的基本功能如下:上料單元按需將待貼標的工件放在物料臺上,由氣缸自動推送到物料臺并夾緊；傳感器感應(yīng)到物料后,加工單元開始貼標；通過真空發(fā)生器與回轉(zhuǎn)氣缸的配合,將工件旋轉(zhuǎn)90°搬運至下料單元。

玻璃貼標機上下料機械手結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過玻璃貼標機上下料機械手,實現(xiàn)對待加工玻璃進行加工、搬運等全自動工作流程,通過架構(gòu)優(yōu)化,

▲圖1 玻璃貼標機上下料機械手結(jié)構(gòu)

▲圖2 玻璃貼標機上下料機械手氣動回路

減輕重力,提高產(chǎn)品性能。上下料機械手的三個單元安裝在底板上,位置合理。控制生產(chǎn)過程的可編程序控制器等安裝在電氣控制柜內(nèi),機械裝置和電氣裝置安裝在設(shè)備臺上，便于各個機械及氣動部件的拆卸與安裝、控制線路的布線、氣動電磁閥及氣管的安裝。上料單元和下料單元采用最為靈活的拆裝式模塊結(jié)構(gòu),最大限度滿足綜合性設(shè)計的要求[8]。

上下料機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計目標為能在一個穩(wěn)定牢固的支架中保證各氣動元件工作的穩(wěn)定性,具有足夠的運動空間,實現(xiàn)夾取與放置物品的功能。筆者選用4080與3030型材作為底盤支架,用連接件進行固定。確定好布局圖后，將各氣動元件及其它零件裝配好,最后再根據(jù)實際運行情況調(diào)整部分機構(gòu)的裝配。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中用到的材料包括四根4080型材、六根3030型材、六塊鋁合金加工物料、若干螺栓、一條自動軸承鋼精致滑軌、一塊軸用固定塊等。

3 氣動回路設(shè)計

玻璃貼標機上下料機械手的氣動回路如圖2 所示。玻璃面板由上下料機械手送料至玻璃貼標機,由氣缸推送到貼標位置。當(dāng)?shù)竭_指定位置時，觸發(fā)相應(yīng)傳感器。傳感器發(fā)出反饋信號或者指令至主控制器,主控制器發(fā)出輸出信號至電磁閥,用于控制氣動回路工作。上下料機械手末端采用真空吸盤抓取玻璃面板。貼上標簽之后,由上下料機械手運送至后續(xù)加工位置。根據(jù)標簽對玻璃面板傳送路徑進行合理規(guī)劃并編碼。加工完成后進行質(zhì)量檢測,不合格的玻璃面板進入后續(xù)工位進行加工處理,合格的玻璃面板傳送至指定位置[9]。

整個氣動回路的動力來源于空氣壓縮機。氣體經(jīng)過氣動三聯(lián)件進行過濾處理,除去水、灰塵、油漬。然后通過調(diào)節(jié)連接在翻轉(zhuǎn)氣缸、升降氣缸上的調(diào)壓閥,使進口壓力滿足氣缸伸縮工作要求。三位五通換向電磁閥1、2、4、5控制氣缸的伸縮,當(dāng)處于中位時,氣缸處于靜止狀態(tài)。另外,當(dāng)真空吸盤接觸到合格玻璃時,真空發(fā)生器可以將空氣壓縮機提供的正氣壓轉(zhuǎn)換為所需要的負壓力值,然后通過主控制器控制兩位兩通換向電磁閥6換向,最終將合格的玻璃面板碼放在碼垛上,達到分揀的目的[10]。

氣缸是氣動回路中的重要執(zhí)行元件,筆者采用直線運動型氣缸。根據(jù)工件的尺寸和質(zhì)量,采用SMC系列CDJ2KB16X75-B型氣缸,缸徑為16 mm,最大行程為75 mm,工作壓力為0.04～0.98 MPa。

上下料機械手所選用的空氣壓縮機型號為OUTSTANG 750W-30L,氣動回路中過濾減壓閥型號為 AFC2000,三位五通直流24 V電磁換向閥型號為亞德客4V110-06,兩位兩通電磁換向閥型號為德力西4V210-08?？諝膺^濾器、減壓閥、三位五通電磁閥、兩位兩通電磁閥都安裝在電氣柜后部,方便氣動回路的連接。

吸盤臂上安裝兩個吸盤,吸盤直徑R滿足:

(1)

式中:G為玻璃重力,N;t為安全因數(shù),當(dāng)玻璃水平吸附時,t≥4,當(dāng)玻璃豎直吸附時,t≥8;n為吸盤數(shù)量;p為吸盤真空度,MPa。

對式(1)變形，可得吸盤真空度p滿足：

(2)

在滿足式(2)的前提下，吸盤臂上的兩個吸盤真空度應(yīng)該取最大真空度的40%～60%,這樣保證既能夠使吸盤吸附,又可以隨時控制吸盤松開。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

選用三菱PLCFx3N-48MR型可編程序控制器,具有24點輸入、24點輸出,并可擴展到128點。這一可編程序控制器自帶兩路輸入電位器，具有8 000步存儲容量,可以連接多種擴展模塊。這一可編程序控制器屬于晶體管輸出型可編程序控制器，能同時輸出兩點100 kHz脈沖。配備有七條特殊定位指令,包括零返回、絕對或相對地址表達、特殊脈沖輸出等。可編程序控制器可安裝FX1N-5DM顯示模塊,能監(jiān)控和編輯定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器，并且支持RS232、RS485、RS422網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信功能。可編程序控制器的接線如圖3所示,設(shè)備輸入、輸出分配分別見表1、表2。

玻璃貼標機上下料機械手可編程序控制器程序流程如圖4所示。

▲圖3 可編程序控制器接線圖

表1 設(shè)備輸入分配

表2 設(shè)備輸出分配

▲圖4 可編程序控制器程序流程

部分可編程序控制器程序如圖5所示。

▲圖5 可編程序控制器程序

5 結(jié)束語

筆者開發(fā)了玻璃貼標機上下料機械手，通過可編程序控制器控制電磁閥通斷及傳感器感應(yīng),實現(xiàn)氣動執(zhí)行元件運動,使氣動真空吸盤對物料進行抓取與放置,進而達到加工和搬運物料的目的。目前，玻璃貼標機已投入生產(chǎn),運行穩(wěn)定,貼標精度高于0.05 mm,良品率在99.62% 以上。