电脑支架自动装配机的设计

1 引言

随着经济的快速发展，电脑广泛应用于人们的工作生活中，为使电脑使用者维持舒适的工作姿势、提高作业效率并保持健康的工作状态，能够调整其高度和前后俯仰视角的电脑支架便应运而生[1-2]。电脑支架在得到广泛应用和发展的同时，对其生产过程中的自动化要求越来越高[3-4]。为使电脑支架具有良好的化学稳定性和较好的表面防腐蚀能力[5]，生产过程中，在对支架表面进行检验后需对支架外表面进行喷塑处理，由于支架内表面不需要喷塑处理，因此通常采用内塞、芯棒等辅助元件与支架进行装配，从而有效防止喷塑过程中粉末喷至支架内表面。目前多数生产制造企业主要通过人工对内塞、芯棒与支架进行装配，工人劳动强度大，自动化程度低，生产效率低。

为提高DYN 系列电脑支架的装配效率，结合装配工艺要求，设计了电脑支架自动装配机及其控制系统，能实现电脑支架的自动传输及装配。该装置运行可靠，已实际使用，生产效率高，满足企业自动化生产要求。

2 电脑支架装配要求

图1 电脑支架、内塞及芯棒结构形状图
Fig.1 Shape Diagram of Computer Bracket，Plug and Mandrel

图2 装配效果图
Fig.2 Assembly Effect Diagram

DYN 系列电脑支架、内塞及芯棒结构形状，如图1 所示。装配过程中，需将电脑支架的两个部分分开，分别将内塞及芯棒放置于支架内部规定位置，并合上支架，从而起到防止喷塑过程中

粉末喷至支架内表面。装配完成后的效果，如图2 所示。

3 支架装配机技术方案及气压原理

3.1 电脑支架自动装配机组成

设计的电脑支架自动装配机的结构组成，如图3 所示。其主要组成包含机箱、送料机构、输送机构及装配组件等。

图3 电脑支架自动装配机结构组成图
Fig.3 Structure Diagram of Automatic Assembly Machine for Computer Bracket

机箱主要起支撑作用；送料机构以振动盘为核心，对内塞进行筛选排列，使其以规定姿态输出；输送机构采用双列传送带将摆放有支架和芯棒的托盘输送至装配工位；装配组件主要由气缸、气爪、吸盘等组成，实现对支架、内塞及芯棒的准确装配，并将装配完成后的支架送至下一工位。

3.2 输送机构的设计

输送机构对托盘进行输送，在选择电机时，应考虑整个自动输送系统负载惯性和所需转矩与电机输出特性之间的匹配问题。因此需对输送机构运行状态进行分析，验证所选的调速电机是否满足要求，输送系统运行条件参数，如表1 所示。

表1 输送系统运行条件及参数
Tab.1 Operation Conditions and Parameters of Conveying System

输送机构的负载惯性JL：

式中：JP—滑轮的负载惯性；JM—皮带和工件的负载惯性。

其中JP 和JM 分别为：

驱动电机所需转矩T：

式中：Ta—电机加速转矩；TL—负载换算到电机轴上的转矩；Sf—安全系数。其中Ta 和TL 分别为：

式中：J0—电机转子惯性，可忽略不计；F—滑动部摩擦力，且F=FA+mg（sinα+μcosα），式中：FA—外力，α—传送带倾斜角度。有效负载转矩TM：

根据式（1）～式（5）以及输送系统运行条件参数，可计算出所需电机的容许惯性 JL=0.115×10-4kg·m2，最大转矩 T=0.032N·m。根据东方马达综合目录，选取调速电机组合产品型号为BMU320C-5，该电机额定转矩Te=0.45N·m，大于所需的必要转矩，满足使用要求。

3.3 气压系统原理

气压控制系统主要由气源、气动三联件、气缸、气爪、吸盘、电磁阀、真空发生器组件及调速阀等组成。气压系统原理，如图4所示。

图4 气压系统原理图
Fig.4 Principle Diagram of Pneumatic System

其工作原理如下：气源即压缩空气，由空气压缩机提供，压缩空气经气动三联件的净化处理后，分为4 路，一路经两位三通电磁阀进入水平三工位气缸，通过PLC 程序控制相应电磁阀的切换，实现两段行程的运动；一路通过阀板1 经两位三通电磁阀分别进入工件夹取气爪及内塞夹取气爪，通过PLC 控制相应电磁阀的切换，从而控制相应气缸及气爪的运动，保证装配动作的顺利进行；一路通过阀板2 经两位五通电磁阀分别进入提升气缸、内塞水平气缸及提升气缸，通过PLC 程序控制相应电磁阀的切换，从而控制相应气缸的伸出与缩回，实现装配动作；另一路经真空发生器组件1 和真空发生器组件2 进入芯棒吸盘及支架吸盘，通过PLC 程序控制真空发生器组件的通气与断气，实现对芯棒及支架的吸取。根据实际工作需求，各气缸、吸盘工作状态，如图5 所示。

图5 位移-步骤图
Fig.5 Displacement-Step Diagram

4 控制系统设计

控制系统以PLC 为核心，根据传感检测信号对气缸、吸盘等进行动作控制[6-8]；采用图形操作终端进行设置、调整生产参数，并对生产过程实时监测。

4.1 PLC 选型及 I/O 口分配

根据控制需要，电脑支架自动装配机控制系统所需的PLC输入点数为17，输出点数为14，其I/O 口物理地址情况分配，如表2 所示。综合考虑产品性价比等因素，选用日本三菱公司型号为FX3U-48MT/ES-A 的PLC，该型号PLC 输入输出点数均为24个点，满足使用需要。

表 2 PLC 的 I/O 口分配
Tab.2 I/O Port Allocation of PLC

4.2 传感检测模块

为保证电脑支架自动装配机能正常运行，并提高运行的稳定性、安全性。采用接近传感器、光电传感器、磁性开关等进行信号采集和反馈，从而实现较强的逻辑控制，各类传感器信息，如表3 所示。

表3 各类传感器型号及作用
Tab.3 Types and Functions of Various Sensors

4.3 PLC 程序设计

采用GX-Works2 对控制系统进行编程，该编程软件可针对不同功能要求进行模块化编程，具体以梯形图方式实现[9]。电脑支架自动装配机控制系统的PLC 的控制程序流程，如图6 所示。

图6 PLC 控制程序流程图
Fig.6 Program Flow Chart of PLC Control

4.4 图形操作终端设计

图形操作终端主要用于显示和监控设备运行状态，并实时显示生产完成进度[10]。采用GT Designer3 进行界面设计，主要包括初始界面、设备调试界面和自动运行界面。部分显示界面，如图7 所示。

4.4.1 初始界面

初始界面主要介绍设备生产及使用的相关信息，用户可选择进行设备调试或进入工作界面，如图7（a）所示。

4.4.2 设备调试界面

设备调试界面用于对各气缸、气爪进行启动、停止操作；对传感器信号检测进行手动调试。该界面由多个单元组成，按下相应单元，便可进行点动运行，如图7（b）所示。

4.4.3 自动运行界面

自动运行界面为系统操作主界面，按下启动按钮，设备自动运行。设备状态栏实时显示直振轨道是否有内塞，装配位是否有托盘，若为否，则相应文字由黑变红并闪烁，如图7（c）所示。该界面可对生产运行状况进行实时监测，并显示生产完成进度。

图7 显示界面
Fig.7 Display Interface

5 安装及调试

在完成自动装配机机械结构装配、输送机构、传感器安装以及PLC 控制线路连接后，进行了大量的系统调试。如检查各类传感器的位置是否最佳，调整好调速电机的运行速度，各气缸和吸盘的运动协调性。电脑支架自动装配机的实物图，如图8 所示。在调试过程中，发现振动送料机构易出现卡料的情况，在对振动盘振轨道及直线振动送料器轨道进行优化后，卡料现象基本不出现。

图8 电脑支架自动装配机实物图
Fig.8 Hysical Map of Automatic Assembly Machine for Computer Bracket

6 结论

（1）针对电脑支架与内塞、芯棒之间目前依靠人工装配的生产现状，根据其装配工艺要求，设计了电脑支架自动装配装置及其控制系统。采用三菱FX3U 系列PLC 为控制系统的核心，以三菱GS 系列图形操作终端作为人机交互窗口，实现对设备运行状态进行实时监测和系统调试，并实时显示生产工作进度，有效保障设备稳定运行。

（2）目前该装置已投入生产企业实际使用，装配效率达到650 个/h，相比传统的人工装配方式，生产效率提高了近23%；该装配工位原有操作工人（4～5）人，现缩减为（1～2）人，大大降低了人工成本，有效降低工人劳动强度；控制系统能实现连续无故障运行，保障了产品装配质量和设备运行效率；

（3）实际投入使用效果表明该装置运行稳定、可靠，易于工人操作，具有较强的合理有效性。在提高企业自动化成产程度的同时，节约了人力资源成本，降低工人劳动强度，为企业创造了一定的经济和社会效益，在电脑支架装配行业起到一定的参考作用。