摘要：基于电动牙刷导光片嵌件在注塑过程中存在工作效率低、安全隐患等问题，提出了采用振动盘理料，伺服模组配合真空吸盘组取料、送料的方式，设计了一台自动上料机器，介绍了设备动作原理和流程，剖析了设备元器件选型计算，设计了电气控制系统。该研究提高了生产效率和设备的安全性能，为注塑生产自动化改造及注塑自动化上料提供参考作用。
关键词：自动化；振动盘；模组选型；电气控制
随着注塑行业的发展，人们对于塑料制品的需求量越来越大，对于塑件的工艺和强度也提出了新要求。为了提高塑件的局部强度，嵌件在塑件加工中被广泛使用[1]。嵌件因外形小、质量轻、形状不规则，人工取产品并摆放嵌件，工人劳动强度大，工作效率低，还隐藏着安全隐患等诸多问题[2]。自动上料具有安全性、准确性、持续性、高精度等特点，在注塑行业使用越来越广泛。以往，电动牙刷外壳的导光片嵌件通过人工手动摆放在预制托盘内，再由机械手放置在注塑模具内。为此，通过增加自动上料机构，减少人员操作，降低人员劳动强度，提高工作效率。
1 总体方案设计
电动牙刷外壳的导光片嵌件形状不规则，体积小，质量轻。为此，根据使用要求设计一台采用振动盘出料、伺服驱动模组送料的自动上料机器。具体动作流程如图1所示。
图1 导光片上料机动作流程图
导光片嵌件由人工放置在设备外部的导料槽内，导料槽设置为斜坡形式，角度设置为60°，依靠导光片嵌件自身重力及放料时的推力，通过导料槽流入振动盘内，振动盘是一种效率高的零件自动供料设备[3]。振动盘主要由料斗、底盘、控制器及直线送料器等配置组合形成，其主要为工业自动化设备不可或缺的辅佐设备[4]。经过振动盘理料机按照设定的出料方向有序地输出至直线送料上，等待进入粗定位中转工位上，输送采用光电传感器[5]反馈式可控调节，根据实际所需产能进行导光片嵌件输出。
粗定位中转工位检测到有料时，由X轴线性模组带动Z轴线性模组移动到粗定位上，Z轴线性模组下降，当波浪形吸盘接触到导光片时，两位两通电磁阀打开，气源作用于真空发生器，提供真空，吸盘组取料，利用真空负压来“吸附”工件以达到夹持工件的目的[6]。粗定位采用仿形结构，底部根据工件的形状制成弧形，与振动盘直线振动导轨平缓过渡。
图2 导光片上料机外观结构图
取完导光片后，X、Z线性模组将导光片移栽至精定位上，电磁阀断开，真空失效，导光片嵌件落入精定位进行定位，精定位根据工件上的两个定位孔设置定位销，定位完成后由XZ线性模组及吸盘组上的伺服电机将工件有序的放置在定位板上。
导光片送料机构主要由一组Y轴线性模组与四工位定位板组成。当定位板上的工件放满后，Y轴线性模组将工位上的导光片送入注塑机，等待注塑机械手取料，取料完成反馈信号后Y轴线性模组返回原点。如图2所示。
2 设备关键工位设计
2.1 X轴伺服模组选型
如图3所示，X轴搭载Z轴模组及Z轴模组上的旋转伺服、真空吸盘组等组件，X轴运送总质量约为8 kg，X轴模组采用侧装的方式固定，Z轴伸出X轴模组安装侧面65 mm，Z轴偏离X轴模组安装上下重心20 mm，X轴行程为215 mm。嵌件上料环境较为洁净，嵌件定位精度较高，故采半封闭滚珠丝杠结构，滚珠丝杆精度很高，与伺服电机搭配，可使加工精度达到0.01 mm。滚珠丝杆摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长[7]，经过选型计算[8]后，X轴选用导程10 mm，行程为250 mm，载荷10 kg，伺服电机采用200 W。
图3 模组结构图
2.2 振动盘轨道设计
导光片嵌件模型为不规则的弧形结构，前后大小不一致，嵌件中间偏薄，容易折弯，前端正面有两个凸台。根据嵌件的结构，第一步筛选嵌件，采用吹气的方式将嵌件叠料、重料分拣出去，保证嵌件单件来料；第二步在导轨上设置凸台悬挂轨道，分辨嵌件的正反面方向；第三步在轨道上增加挡片，把悬挂起来的嵌件在通过挡片时变成统一的出料状态；第四步将嵌件排列在直线振动器导轨上，直线振动器轨道底部采用仿形设置为弧形，上方增加两侧挡翼板，避免挤压叠料，嵌件按照单排列方式，存储5个嵌件，以便及时补充粗定位上的空位。直线振动器轨道采用双光电传感器反馈控制方式，当直线振动器轨道检测到满料时，圆形振动盘停止送料，当粗定位检测有料时，直线振动器停止送料。如图4所示。
图4 振动盘轨道图
3 控制系统设计
电气控制系统由西门子S7-300主控，整体采用PROFIBUS-DP总线控制、通信的方式，优点在于可以减少大量的接线，减少故障率[9]。圆形振动盘及直线振动器采用振动盘控制器控制相应的电压、频率，模组采用伺服控制器。
3.1 电气操作面板
电气操作面板如图5所示。
图5 电气操作面板
3.2 按钮定义
（1）控制开按钮：按下按钮，气路总阀、安全继电器接通。
（2）控制关按钮：按下按钮，气路总阀、伺服使能及安全继电器断开，控制电源及照明等电源依然接通。
（3）回原点按钮：控制开接通，所有故障清除后，需执行回原点操作才允许进行其它操作（伺服寻参及气缸复位），回原过程中按钮灯常，回原完成按钮灯熄灭。
（4）启动按钮：在钥匙开关打到自动模式下，按钮下启动按钮，设备连续自动运行。此时启动按钮指示灯常亮。
（5）停止按钮：在自动运行过程中或在手动出料状态下，按钮下停止按钮，程序执行完当前步后停止，机器暂停，停止指示灯常亮。
（6）错误确认：自动流程中，设备发生故障后，例如伺服故障，排除后按错误确认，再按启动。程序继续自动运行。
（7）调试模式开∕关：打到调试模式开，则设备在打开安全门的情况下，设备不会停机。调试模式关，打开安全门设备会暂停运行，三色灯亮黄灯，关上安全门，按下故障确认按钮，再按启动按钮，设备继续自动运行。
（8）手动∕自动：打到手动，则伺服、气缸通过触摸屏或按钮来操作。打到自动，启动和单步按钮有效。在已回原的情况下，按下启动按钮，则设备自动运行。
（9）急停：优先等级最高，拍下急停，气路总阀、伺服使能及安全继电器断开，程序复位。松开急停后，必须先切回手动，执行回原点后才能再次运行自动。
（10）手动出料按钮：当自动上料机出现故障无法开机时，可手动放好料后，按这个按钮把料送到机械手对接位置。
3.3 设备开机操作流程
（1）机器上电，在电柜门上把电源转换开关打到ON位；
（2）按控制开按钮；
（3）按错误确认按钮；
（4）手动\自动钥匙开关打到手动，按回原点按钮，机器开始回原点，等回原点指示灯灭后，回原点完成；
（5）手动\自动钥匙开关打到自动，按启动按钮，机器开始自动工作；
（6）当震动盘出现故障时，自动送料机不能自动送料时，把手动\自动按钮打到手动，并且调试按钮打到开的状态，手动放料好以后，用手动送料按钮送料。
4 结束语
本文通过详细剖析设备原理，分析设备动作流程，根据动作流程设计了电气控制系统，最终生产出一台自动上料机。实际生产中具有生产稳定性、环境安全性，提升了注塑生产过程的自动化水平，为今后涉及注塑行业的自动化提供了改造、设计方向和依据。
