喇叭鼓膜冲压自动线的设计

周名侦 曾东武 杨小萍 李大伟

关键词：喇叭鼓膜;冲压自动线;机械手

0引言

喇叭鼓膜的生产要经过上料、工位转移、下料、放料等工序。冲压机采用气压驱动，通过控制气路系统中的气阀实现冲压模具的上升和下降，从而完成冲压操作。冲压机的上下料操作目前是由人工完成，而工人在操作过程中，对工件的移动位置、工作位置的掌握全凭个人经验，往往容易导致工件位置移动偏差、加工质量出现瑕疵的情况。因此，用机械代替手工操作、实现喇叭鼓膜工件的全自动加工、降低人工参与率和人力成本、减少误操作、减少操作人员劳动强度、提高加工效率和质量是喇叭鼓膜生产领域亟待解决的技术问题。

本文采用Solidworks三维设计软件，结合企业生产喇叭鼓膜的工序、尺寸、材料、形状等情况，首先对喇叭鼓膜自动上下料装置进行了零部件和整机虚拟设计，并在仿真的基础上，对设计进行了相关的修正，使装置的性能更加良好。然后制作了实物，并完成相应的PLC控制。整套装置已在企业实际生产中试运行，并进行了相关技术指标测试。结果表明，喇叭鼓膜冲压机配置本自动上下料装置后，冲压产品合格率大于99%，设备综合效率大于90%，功耗小于0.2kW。这些主要技术指标均在企业要求的范围内，满足了企业的要求。

1自动上下料装置设计方案

自动上下料装置整体设计方案如图1所示，该装置包含机械结构和电气控制系统两部分。机械结构由上下料执行机构、驱动机构、物料升降机构组成。上下料执行机构在驱动机构和控制系统的协调作用下，完成喇叭鼓膜工件的取料、上料、工位转移、下料和放料操作。驱动机构X、Y、Z轴由伺服电机与传动机构等组成;物料升降机构由2个步进电机与升降机构组成;电气控制系统由PLC、触摸屏、传感器、步进驱动器等主要电气元器件形成自动化集成。

本设计方案做了如下方面的考虑。

（1）冲压机采用闭环控制，X、Y、Z轴能准确联动，重复定位精准度高。

（2）物流系统采用双臂联动设计，一只机械臂在抓取物料、上料的同时，另一只机械臂在下料、放料，有效提高机器人的工作效率。

（3）末端抓取采用多个缓冲吸盘和一个定位吸盘组成，能对不同弧面形状的鼓膜进行精准吸附。

（4）物料升降机构采用步进电机驱动，在放满物料的情况下，取料架能自动上升物料，放料筒部分能检测到当前物料的数量以及作出物料满载提示和报警。

（5）加工过程采用PLC控制，光电位置检测，实时监控工作状态并对突发故障能应急处理。触摸屏上能实时监控装置的运行状态与生产状况，并能修改加工速度、冲压时问等参数。

（6）采用柔性化设计，能适用于多种类型的喇叭鼓膜生产，对于不同的喇叭鼓膜冲压机床，只要配置本自动上下料装置，并稍微修改控制程序，便能完成自动加工，不需改动冲压机床。因此，具有低成本、效率高和操作方便等优势。

本设计考虑到各部件的特征、参数和几何约束关系，上下料机构外形总体尺寸设计为2000mmx1000mmx1200mm，X轴、Y轴、Z轴可移动距离分别为1800mm、500mm、500mm，如图2所示。

2上下料机械手结构设计

上下料机械手能在控制系统、驱动系统、传动系统的协调工作下，实现自动化的工件取料、上料、工位转移、下料、放料等操作。上下料机械手由安装板6、上料臂和下料臂组成，如图2-3所示。为了高效地满足上下料的操作要求，本文的机械手设计为直角坐标三自由度机械手。

上料臂和下料臂均由延伸杆7和夹具5组成。气吸夹具5由吸盘安装板10、吸盘11等组成，如图3所示。由于喇叭鼓膜尺寸小、且为非金属，所以本设计采用气吸夹具。

设计中，X轴导轨为最低层，直接设置在床身表面上;Y轴导轨为中层，设置在X轴滑轨上;Z轴导轨为顶层，设置在Y轴导轨上。Z轴导轨上方安装上下料机械手，通过设定X、Y、Z轴的运动轨迹来带动机械手产生空间位移，从而实现取料、上料、下料、放料和工件在加工过程中的工位转移。

如图2所示，安装板6垂直安装在Z轴导轨4的表面上，并且与Z轴导轨4滑动连接;延伸杆7垂直连接在安装板6的表面上，并且朝着预设方向延伸一定距离;吸盘安装板10可水平贴附在延伸杆7的末端底面上，而吸盘11可立设在吸盘安装板10上，并且吸盘11一般垂直朝下，可通过气体负压原理吸取依次放好的喇叭鼓膜工件。若生产中，需要更换加工若干种不同类型、尺寸或规格的喇叭鼓膜工件，为确保机械手能够适应不同工件的取放料，在吸盘安装板10上沿其周向方向开设了若干个备用安装槽12。各个备用安装槽12主要用于安装吸盘11，以在工件的尺寸较大时，可以通过呈圆周向分布的多个吸盘11同时吸附工件的边缘位置（工件一般呈回转形），从而将其稳定地吸取。比如，可在吸盘安装板10上沿周向方向开设3-6个备用安装槽12，当工件的尺寸较大时，可以去除中问的吸盘11，同时在各个备用安装槽12内安装吸盘11，如此即可通过各个吸盘11同时吸附工件的边缘位置，将工件吸取出来。当然，若工件的尺寸较小时，只需使用吸盘安装板10中心位置的单一吸盘11即可。

为了提高吸盘11的吸取能力，夹具机械手5在取料过程中，可在Z轴导轨4上进行垂向位移调整，从而增加吸取时的下压力。由于夹具5就设置在延伸杆7的末端位置，通过延伸杆7的适当延伸距离，可使得机械手夹具5的初始位置位于取料工位（或下料工位）。

3自动上下料装置控制系统设计

3.1电气控制系统组成与硬件选用

本装置采用三菱PLC为控制中心，通过触摸屏（或按钮）操作、传感器的位置检测、步进电机和伺服电机的精准定位以及电磁阀组的吸放，达到协调控制之目的。控制系统组成如图4所示，主要包括PLC控制器1台、触摸屏1台、步进驱动器2套（取料架和放料筒的升降）、伺服电机驱动器3套（X、Y、Z轴移动）、传感器13个、电磁阀组2个、开关电源等元器件。

元器件选择时重点考虑的参数包括功率、电压、精准度、稳定性、工作环境、工作温度、价格等因素。具体选择的结果是：FX3U-4 8MT PLC，汤姆斯57-3.6N·m伺服电机、汤姆斯57驱动器、雷赛42-0.9N·m步进电机、雷赛42驱动器、20mm霍尔传感器、SMC-24 V电磁阀等。

3.2电气控制系统软件设计

本装置的电气控制系统功能是：（1）可以实行手动、自动、急停，回原点控制;（2）除了用按钮操作外，也可以在触摸屏界面上操作;（3）触摸屏界面中可实时显示设备运行状态和生产相关的重要数据;（4）控制参数可依据实际加工需要进行调整改变。

依据以上要求，软件设计包含两方面，分别为PLC控制程序与触摸屏控制程序。PLC控制程序根據I/O分配以及本装置工艺流程控制要求（图5）采用SFC方式编写。如果需要多台PLC联合控制，则需要增加RS485通讯模块，并在程序中相应地增加N：N网络设置。触摸屏界面显示依据操作要求、设备参数、显示状态等进行设定。设定时要特别注意数据与PLC程序的对应连接。

4喇叭鼓膜自动冲压线测试

4.1主要技术指标及计算方法

（1）设备综合效率

机械停机、装料速度和废品率造成的损失是影响设备综合效率的主要原因。因此，设备综合效率由时间开动率、性能开动率以及合格品率体现，其计算公式为：

现装置中的耗能设备主要有：伺服电机，每台伺服电机及其驱动器90w，90wx3=270w;步进电机，每台步进电机及其驱动器30w，30wx2=60w;开关电源30w;PLC、触摸屏、电磁阀、传感器、指示灯等共约为50w，总功率P约为410w。

4.2试验结果

经过企业的生产现场实测，各项主要指标测试结果如表1～2所示。

5结束语

从测试数据可见，本文基于solidworks设计的喇叭鼓膜冲压自动上下料装置，性能达到了企业实际生产需求。该系统已在生产实际现场进行了试运行，重点验证了装置的功能、性能、安全性、连续运行可靠性、电源适应性。该生产线的应用，极大地减少了人工成本，产品质量显著提高。