段海峰，廖志青

（廣州城市理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣州 510800）

隨著中國汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，應(yīng)用于汽車電動座椅、雨刮、自動收縮后視鏡、天窗等部件的微型電機(jī)需求量也越來越大，其外殼的需求量也相應(yīng)的快速增長。 目前，對于該類外殼的生產(chǎn)，大部分企業(yè)仍然采用人工作業(yè)的方式進(jìn)行，加工效率低，產(chǎn)量主要通過增加工人的勞動強(qiáng)度以及延長工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)， 這有可能導(dǎo)致工人疲勞而發(fā)生安全事故；也有少部分企業(yè)會采用機(jī)器人搬運(yùn)的方法，但其成本較高，調(diào)試?yán)щy。

微型機(jī)殼小且復(fù)雜，其從一個(gè)沖壓工序到另一個(gè)沖壓工序的過程，往往既要求空間的位移，也要求放置的方式不同，如圖1 所示，沖壓工序模具A中電機(jī)機(jī)殼需要豎向放置， 搬運(yùn)到?jīng)_壓工序模具B處電機(jī)機(jī)殼需要橫向放置，即電機(jī)機(jī)殼取件與搬運(yùn)時(shí)需要對電機(jī)機(jī)殼進(jìn)行轉(zhuǎn)向， 由于機(jī)殼小不好定位，如何實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的搬運(yùn)以及如何實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)過程中的換向便成了整套微型電機(jī)外殼自動化沖壓生產(chǎn)線的難點(diǎn)[1-2]。

圖1 微型電機(jī)機(jī)殼沖壓搬運(yùn)要求Fig.1 Stamping and handling requirements for micro motor casing

1 電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)

汽車微型電機(jī)外殼沖壓件工序多、抓取作業(yè)步驟多，搬運(yùn)困難，手工作業(yè)安全性、準(zhǔn)確性差，在此以圖1 中微型電機(jī)機(jī)殼從模具A 搬運(yùn)到模具B 過程為例，其為該機(jī)殼沖壓工序中的第4 個(gè)工序到第5 個(gè)工序的搬運(yùn)， 這里擬設(shè)計(jì)一套電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)系統(tǒng)，方便實(shí)現(xiàn)微型電機(jī)殼沖壓件從一個(gè)沖壓模具到另一個(gè)沖壓模具的取件、搬運(yùn)和換向安裝工作，沖壓過程中需將其安裝于兩臺沖床中間[3]，具體如圖2 所示。

圖2 電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置應(yīng)用布局Fig.2 Application layout of automatic pick-up and handling device for stamping parts of motor housing

微型電機(jī)殼取件與搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)如圖3 所示，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)支架上旋轉(zhuǎn)連桿會繞著連桿旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動， 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)搬運(yùn)手爪位置的互換，即實(shí)現(xiàn)機(jī)殼位置的互換搬運(yùn)。

圖3 電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置Fig.3 Automatic picking and handling device for stamping parts of motor shell

旋轉(zhuǎn)支架安裝在固定底座上，在長桿氣缸推動下，旋轉(zhuǎn)支架可以沿著滑動光桿滑動，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)搬運(yùn)手爪自由出入沖壓模具模腔，也方便旋轉(zhuǎn)支架整體脫離沖床位置， 進(jìn)行兩個(gè)搬運(yùn)手爪的位置旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)殼位置的互換。

搬運(yùn)手爪為電機(jī)機(jī)殼的夾取裝置，其中連桿驅(qū)動氣缸安裝在旋轉(zhuǎn)連桿的兩端，氣缸活塞桿的動作可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)手爪的上下短距離移動，一方面方便微型電機(jī)殼脫離模具A 內(nèi)的模座，另一方面可以調(diào)節(jié)微型電機(jī)殼在模具B 內(nèi)的安裝高度[4-5]。

手爪連桿為整個(gè)搬運(yùn)手爪的支架，磁性夾具為搬運(yùn)手爪的手指，其通過磁性開關(guān)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制磁性夾具的旋轉(zhuǎn)開關(guān)，進(jìn)而控制磁性夾具的磁性，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)殼（電機(jī)機(jī)殼材料為鍍鋅合金鋼板，可被磁性吸?。┑奈『退砷_。

磁性夾具旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞著磁性夾具旋轉(zhuǎn)軸向上旋轉(zhuǎn)時(shí)， 可以將電機(jī)機(jī)殼由縱向放置改為橫向放置，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)殼在模具B 上的轉(zhuǎn)向安裝。 需要強(qiáng)調(diào)的是，旋轉(zhuǎn)連桿每旋轉(zhuǎn)一次，即代表搬運(yùn)一次，整個(gè)搬運(yùn)過程可以連續(xù)進(jìn)行[6]。

2 電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置控制動作和搬運(yùn)手爪動作分析

整套取件與搬運(yùn)裝置安裝于兩個(gè)沖床中間，根據(jù)整條沖壓生產(chǎn)線的節(jié)奏工作，一次沖壓動作完成后，該裝置開始工作，旋轉(zhuǎn)支架在氣缸驅(qū)動下沿著滑動光桿滑動，到?jīng)_壓模具模腔位置由限位開關(guān)限位， 實(shí)現(xiàn)將兩個(gè)搬運(yùn)手爪送入沖壓模具模腔的目的。 左邊搬運(yùn)手爪取件，右邊搬運(yùn)手爪同時(shí)安裝，兩個(gè)搬運(yùn)手爪工作都完成后， 旋轉(zhuǎn)支架再次滑動，滑出沖床位置后，旋轉(zhuǎn)換位，再次滑入沖床位置，兩個(gè)搬運(yùn)手爪再次取件和安裝。

為了保證微型電機(jī)殼取件和搬運(yùn)的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)一個(gè)手爪取件時(shí)，另一個(gè)手爪安裝的目的，兩個(gè)手爪的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和動作設(shè)計(jì)都是一樣的，這里以單爪的具體動作細(xì)節(jié)為例，如圖4 所示，整個(gè)搬運(yùn)單爪的動作設(shè)計(jì)共有5 對， 由5 個(gè)驅(qū)動元件完成，分別以1 至5 號數(shù)字標(biāo)識，當(dāng)?shù)? 個(gè)沖壓工序完成后，整個(gè)裝置開始工作，首先1 號驅(qū)動元件氣缸驅(qū)動整套裝置整體向前移到可以碰到微型機(jī)殼的位置，然后4 號驅(qū)動元件電機(jī)旋轉(zhuǎn)開啟磁性夾具磁性，吸附機(jī)殼，完成手爪對機(jī)殼的吸附功能，再由手爪氣缸（2 號）驅(qū)動手爪上移，帶動機(jī)殼脫離模具A底座位置，接著整套裝置（1 號）整體后移，回到初始位置；等設(shè)備穩(wěn)定后，左邊手爪（2 號）下移到初始位置后，兩個(gè)手爪完成旋轉(zhuǎn)換位（3 號），左邊手爪便將機(jī)殼搬運(yùn)到右邊模具B 位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)殼的搬運(yùn)，接著在右邊完成旋轉(zhuǎn)機(jī)殼（5 號）和調(diào)整高度（2 號），然后整個(gè)裝置（1 號）前移到安裝位置，手爪松開機(jī)殼（4 號），機(jī)殼便留在了沖壓模具上，準(zhǔn)備開始沖壓第5 個(gè)工序；與此同時(shí)，整套裝置回到初始位，整個(gè)手爪復(fù)位到初始位置，等待下一次工作[7-9]。

圖4 搬運(yùn)手爪單爪動作細(xì)節(jié)圖Fig.4 Carrying hand claws single claw action detail

2.2 電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制元件安裝好后需要開發(fā)特定的控制系統(tǒng)，這里選用觸摸屏控制，根據(jù)電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置工作原理，設(shè)計(jì)觸摸屏面板，如圖5所示。

圖5 自動取件與搬運(yùn)裝置觸摸屏系統(tǒng)Fig.5 Touch screen system for automatic pickup and handling device

整套觸摸屏系統(tǒng)中， 左邊3 個(gè)為系統(tǒng)啟動、急停和復(fù)位按鈕，負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的開始工作，停止工作和回原點(diǎn)工作。 第二列為自動和手動模式切換按鈕。 第三列下面3 個(gè)按鈕可以控制整套裝置的前移、后移和兩個(gè)搬運(yùn)手爪的旋轉(zhuǎn)換位工作，上面旋鈕為搬運(yùn)手爪1 和搬運(yùn)手爪2 的選擇旋鈕。 右面6個(gè)按鈕為搬運(yùn)手爪取件和搬運(yùn)電機(jī)殼沖壓件的動作按鈕[10]。

2.3 電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置控制元件明細(xì)及作用

整套電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置中，中控器（PLC）為整套系統(tǒng)的控制核心，通過接線端子和各個(gè)柜內(nèi)電氣元件、觸摸屏連接端口以及控制元件相連接，完成整個(gè)系統(tǒng)的自動控制建設(shè)，根據(jù)設(shè)計(jì)，控制元件明細(xì)及作用如表1 所示。

表1 系統(tǒng)控制元件及作用Tab.1 System control components and functions

2.4 電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電柜設(shè)計(jì)，裝置工作原理以及電控元件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)PLC I/O 端口分配表如表2 所示，共有輸入端口20 個(gè)，輸出端口16 個(gè)。

表2 PLC I/O 端口分配表Tab.2 PLC I/O port allocation table

根據(jù)自動化取件及搬運(yùn)裝置的工作原理，電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，觸摸屏控制系統(tǒng)和電控元件設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的PLC 控制程序，這里設(shè)置整套裝置在限位和氣缸控制下，前后移的單程時(shí)間為2 s，搬運(yùn)手爪在小氣缸控制下上移和下移的單程時(shí)間為2 s，手爪吸附機(jī)殼、松開機(jī)殼、旋轉(zhuǎn)機(jī)殼、調(diào)整高度的時(shí)間為2 s。 篇幅原因，這里只展示了電機(jī)殼沖壓件自動取件與搬運(yùn)裝置搬運(yùn)手爪1 的自動化取件及搬運(yùn)過程的PLC 程序（梯形圖），如圖6 所示。

圖6 自動取件與搬運(yùn)裝置PLC 控制程序Fig.6 PLC control program of automatic pick-up and handling device

3 應(yīng)用成本及效率分析

目前，該設(shè)備正處于試制階段，整套設(shè)備成本不超過1 萬元， 而一套同樣作用的機(jī)械手最少10萬元。 根據(jù)該設(shè)備的應(yīng)用范圍，一套設(shè)備可以替換一個(gè)沖壓工位，從成本上講，該設(shè)備可以24 h 不間斷工作，既一套設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)工人3 班倒不停地工作，假如1 位工人每月工資5000 元，其每套設(shè)備每月可以節(jié)省人工成本5000×3=15000 元， 若微型電機(jī)殼沖壓線需要7 套類似設(shè)備，其1年就可以節(jié)省人力成本15000×7×12=1260000 元， 故該設(shè)備可以節(jié)省大量人力成本，有著較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

本文根據(jù)微型電機(jī)殼沖壓過程中電機(jī)殼的取件和搬運(yùn)要求設(shè)計(jì)了一種自動取件與搬運(yùn)裝置，并根據(jù)取件和搬運(yùn)要求設(shè)計(jì)了配套的電柜、控制元件和觸摸屏控制系統(tǒng)，編寫了該套裝置自動工作時(shí)搬運(yùn)手爪動作的PLC 程序。 該裝置安裝于兩臺沖床之間，可以完成將微型電機(jī)殼從沖壓工序5 到?jīng)_壓工序6 取件、搬運(yùn)和換向安裝的工藝要求，且其對其他工序的取件和搬運(yùn)也能起到相當(dāng)?shù)慕梃b作用， 相較于手工搬運(yùn)，該自動取件與搬運(yùn)裝置可以提高微型電機(jī)殼沖壓過程的沖壓效率和自動化水平。