微动开关自动定向排序装置

张 驰， 王亦博， 宋智翔， 刘腾达， 李 茁， 李晓利

(北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京100191)

0 引言

在当今激烈的世界性产业竞争下，由于自动化、半自动化在国民经济各行业的不断深入，生产线上的装配、检查、计数的自动化成为重要研究课题［1-2］。自动送料装置作为生产线一个不可缺少的环节，其输送流程和效率在很大程度上决定了整个自动化生产程序的优劣［3］，因此对其结构、噪音、输送精度及控制难易程度等方面提出了较高要求，特别体现在机械制造行业的自动加工及自动装配过程中［4］。工业领域的一个发展方向是产品愈来愈趋于向微小、精密方向发展，对自动送料装置也提出了更高、更新的要求。

微动开关是一种施压促动的快速转换开关，因为其开关的触点间距比较小，故名微动开关。微动开关在需频繁换接电路的设备中进行自动控制及安全保护等，广泛应用在电子设备、仪器仪表、矿山、电力系统、家用电器、电器设备，以及航天、航空、舰船、导弹、坦克等军事领域［5］。

本文依托大学生创新实验项目的实施［6-7］，设计了一种微动开关自动筛选定向排序装置及其控制方法。微动开关元件自动选料与排序器为一种在对开关安装前对原料进行筛选和排序的设备，即大量的堆积的微动开关经过排序装置后全部按一个状态和方向排序，便于后续机械手的抓取，目的是为全自动加工做好准备，提高整个流水线的生产效率。微动开关元件的自动选料与排序器自动定向排序装置由PLC控制，分为工作区和控制区两部分，中间通过厂房局域网相连。通过对振动频率和振幅，沟槽深度和角度等的设计，多种手段并用达到对零件原料筛选和排序的目的。

1 微动开关自动筛选定向排序装置设计要求

本文研究的微动开关如图1所示，大小为10 mm×6 mm×3 mm。该种微动开关体积小、质量轻，其结构特点是两侧带有倒钩的支脚，并向外形成一定的角度，安装是将2个支脚分别安装到电路板上的孔中，依靠支脚上的倒钩和其向外的角度固定在电路板上。

图1 微动开关元件的结构示意图

零件定向排序是指料斗中对任意放置的零件以正确的方法和姿态进入组装位置，使散乱的工件实现定向排列［3，8-9］。常用的方法有斜面剔除法、缺口剔除法、挡板剔除法和拱桥剔除法等。

微动开关自动筛选定向排序装置目的是将大量的堆积的微动开关经过排序装置后全部按一个状态和方向排序(分为“纵向、平式和左式”或“纵向、平式和右式”两种，可任选其一。见图2)，便于后续机械手的抓取。基于微动开关的复杂的空间几何形状，给振动筛选增加了难度，所以需要采用挡板、槽口、豁口、斜坡等装置综合利用设计来完成进行定向。不完全定向的微动开关剔除传送回分料器，而完全定向后的微动开关经过直线送料器输送进入装配工位。

图2 微动开关排序示意图

2 微动开关自动筛选排序装置设计

2．1 设计原理

本装置是基于PLC的步进振动选料系统开发的。振动选料器是通过电磁振动等进行物料选择的一种高效的供料装置，同其他供料装置相比其结构简单，能量消耗小，工作平稳可靠，通用性好，具有优良的整列特性，在整列过程中可以利用挡板、缺口或偏重等方法对工件进行定向整理、分离筛选后供料［1，10］。

2．2 结构设计

通过对若干种排序机构的对比实验，研制出一种微动开关自动筛选定向排序机构，如图3所示，包括分料器、排序器、底座和振动控制部件。底座采用整体底座，设有减震装置、传动装置和支撑机构，分料器、排序器分别顺序固定在底座的支撑机构上，减震装置为底座进行减震。传动装置分别将从立式排除装置的出口1和支腿排除装置的出口2排除的零件重新输送回分料器，并将排序后的微动开关从最终零件出口输送到机械手抓取部位。其中排序器滑道平面与水平面的夹角为θ;零件出口1下排序器所在平面向单侧倾斜一定角度α，且倾斜方向与支腿排除装置的出口2方向一致。

图3 微动开关自动筛选排序装置部分示意图

为了解决加料过多造成堆积堵塞和微动开关互相缠绕的问题，将分料器设计为上、下两层结构，上层用于接收微动开关，连接在支撑机构上，开有至少一个零件分离孔，零件分离孔的大小允许单个或2或3个简单堆积的微动开关通过，微动开关通过零件分离孔后，落到下层。下层一端连接排序器，底部连接振动部件，振动部件产生振动，将微动开关分散，分散后的微动开关顺序进入排序器。

排序器包括滑道、纵向排列装置、立式排除装置、支腿排除装置和输出装置。滑道为光滑表面，纵向排列装置、立式排除装置、支腿排除装置分别依次按顺序安装在滑道上。

纵向排列装置为一个梯形槽，分料器输送的微动开关进入纵向排列装置的入口，通过滑道，输出至纵向排列装置的出口，通过入口与出口的大小，将微动开关可能存在的横向传输形式变为纵向传输形式。

纵向传输的微动开关继续通过滑道输出至立式排除装置(图4(a))。立式排除装置为一长方形槽，入口处扣有形状为三角形的上盖，立式排除装置槽的一侧设有出口，立式排除装置槽宽与纵向排列装置出口槽宽大小相同，立式排除装置将“立式输出”的微动开关元件从出口删除，只保留“平式输出”的微动开关元件，同时保持纵向的有序状态，被删除的微动开关元件从出口通过传送装置送回到分料器的上层重新筛选。

图4 排序器结构示意图

立式排除装置保留的微动开关继续通过滑道传输至支腿排除装置(图4(b))。支腿排除装置入口的槽宽和槽高与立式排除装置出口大小相同，直接衔接，支腿排除装置槽的一侧设有开口钩形结构，支腿排除装置槽的另一侧设有出口;支腿排除装置将支脚位于面向开口钩形结构一侧的微动开关去掉，即去掉微动开关元件的支腿在左侧或右侧的零件，同时保持纵向和平式的有序状态，去掉的零件从支腿排除装置的出口处送回分料器的上层重新筛选。保留的微动开关通过滑道输出至输出装置。

通过输出装置的微动开关按照固定的排序输出至步进电机控制的传送带上，传送带上有与微动开关尺寸相符合的小室，当零件落入一个正在处于待命状态的小室后，触发光电传感器使步进电机移动到机械手抓取部位，由机械手抓取安装在电动开关上。

2．3 相关尺寸确定

排序滑道倾斜角度的大小决定了从出料口落下的微动开关能否沿排序器顺利地按纵向平式排列，并沿滑道顺利进入立式排除装置［11］。从理论上对排序器滑道上的微动开关进行受力分析，见图5。

设微动开关与滑道接触面的摩擦系数为f，滑道与水平面的夹角为θ，微动开关在匀速下滑时其力平衡关系为［12］

可得:

式中:G表示微动开关的质量;Ff表示接触面的摩擦阻力;N为接触面的法向支撑力。从式(2)可得出排序滑道与水平面夹角θ的大小只与接触面的摩擦系数f有关，但考虑到微动开关排序时有平式和立式两种可能，所以应取θ≥arctan f，为使零件滑下速度加快可以适当加大θ值。

图5 排序器滑道与θ和α关系示意图

微动开关通过滑道进入支腿排序装置后，滑道在保持θ不变条件下，向零件出口2的方向有一个微小的倾斜角度α，目的是使没有被钩住的微动开关受到偏重力作用，从出口2排除(见图5)。其力平衡关系与上述方程类似。倾斜角度α的计算过程见θ计算过程。同时，因为α为侧向倾斜角度值用以排除无用姿态零件，并且装置有震动机构为零件提供前进动力，所以 α=arctan f或 α=arctan f+2°。

关于支腿排除装置的倾斜方向，一种情况是，排序器的底座是向左侧倾斜的，此时，支腿排除装置的开口钩形结构在右侧，因此会保留“右”式零件，去除“左”式排列的零件;另一种情况是排序器的底座向右侧倾斜，支腿排除装置的开口钩形结构在左侧，因此将保留“左”式排列的零件，去除“右”式排列的零件。

纵向排列装置的梯形槽的横截面是等腰梯形，根据零件大小和试验结果，入口宽度限定为10～15 mm，出口宽度限定为6～8 mm，梯形槽出口的宽度与后续滑道的宽度相等，且比微动开关的宽度大1～2 mm，使微动开关只能按纵向沿滑道落下。为了排除立式的零件和支腿反向的零件，根据零件的大小和试验结果，三角形上盖到槽底内侧高度限定为4～5 mm，开口钩形结构距离槽底1～2．5 mm，距固定侧距离为2～4 mm。

2．4 PLC控制系统

微动开关自动筛选排序装置的控制系统采用PLC控制器(见图6)。PLC工作可靠性高，抗干扰能力强，使用、维护方便，使它在目前的流水线自动分选系统中得到了广泛应用［2，13-14］。

图6 控制系统的组成

2．5 仿真及设计效果检验

为了验证此装置的设计效果，以各关键结构尺寸为准，制作样机，底座采用塑料模具拼接而成。偏心电机提供振动。利用样机进行排序效果检验，其排序效果符合预定的设计，且行驶平稳。自动定向排序策略的选择和装置参数的优化［15-16］还有待于进一步研究。

3 结语

本装置的主要优点有:设计原理简单，设备造价低，有利于工业化应用;扩展性好，与其他生产步骤具有兼容性，易于后续机械手的抓取与安装;单人即可操作，节约了人力，提高了生产效率;占地面积小，适用于拥挤的生产场所，有利于在已有的环境下的改装;可同时配置多条流水线。利用本装置可以减少工作时间，提高生产效率。

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