陳艷芳

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000）

基于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的三腳插頭與金屬嵌件自動(dòng)裝配設(shè)備的研制

陳艷芳

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000）

針對(duì)某公司生產(chǎn)三腳插頭采用"上料-金屬嵌件裝配-檢測(cè)-熱熔-取件"五個(gè)工序的"直線式"手工裝配線在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品合格率低、人工成本高等問(wèn)題，研制出采用回轉(zhuǎn)平臺(tái)，集合五個(gè)工序于一體機(jī)的自動(dòng)裝配設(shè)備，通過(guò)振動(dòng)盤(pán)送料機(jī)構(gòu)，PLC控制系統(tǒng)和氣動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)工序間的自動(dòng)化，同時(shí)通過(guò)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，確保產(chǎn)品的合格率。設(shè)備投入生產(chǎn)后，性能穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率高，人工從原來(lái)5人降至1人，生產(chǎn)效率明顯得以提高。

三腳插頭；回轉(zhuǎn)平臺(tái)；金屬嵌件；振動(dòng)盤(pán)；自動(dòng)裝配

0 引言

三腳插頭作為工業(yè)和日常生活電器最常用的插接件，市場(chǎng)需求量大。目前我國(guó)在該行業(yè)的裝配技術(shù)還相對(duì)落后，主要還是依靠人工裝配。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國(guó)該行業(yè)的裝配工作量，占整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造工作量的30%～50%，裝配費(fèi)用約占總成本的30%～60%。某公司生產(chǎn)三腳插頭時(shí)采用人工裝配插頭的金屬嵌件、熱熔和檢測(cè)，隨著人力成本的上升及技術(shù)工人的缺乏，公司急需改變這種傳統(tǒng)的生產(chǎn)流水線，受該公司的委托研制出一臺(tái)利用回轉(zhuǎn)平臺(tái)集合5個(gè)工序于一體的能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配的設(shè)備。

1 產(chǎn)品及傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝分析

某公司生產(chǎn)的三腳插頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，該插頭是英規(guī)標(biāo)準(zhǔn)插頭，屬于標(biāo)準(zhǔn)件，裝配時(shí)把金屬嵌件插入插頭殼體，并通過(guò)熱熔方式固定在一起。

該公司原有的是“直線式”手工裝配的生產(chǎn)流水線，按照“上料→金屬嵌件裝配→檢測(cè)→熱熔→取件”5個(gè)工序的先后安排生產(chǎn)，每個(gè)工序安排1個(gè)技術(shù)工人，成“直線式排開(kāi)”，這種傳統(tǒng)人工生產(chǎn)流水線存在以下問(wèn)題：某一工序出現(xiàn)停頓，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，效率低;勞動(dòng)人力成本高;產(chǎn)品合格率偏低;作業(yè)空間大。

2 三腳插頭自動(dòng)裝配設(shè)備的總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)備的生產(chǎn)任務(wù)是替代人工生產(chǎn)，將圖1所示的三腳插頭標(biāo)準(zhǔn)件——插頭殼體與金屬嵌件進(jìn)行上料、裝配、檢測(cè)、熱熔、取件5個(gè)工序，利用分割器的回轉(zhuǎn)平臺(tái)，集五位于一體工作原理，按照8個(gè)分裝位自動(dòng)裝配，自動(dòng)裝配設(shè)備示意簡(jiǎn)圖如圖2所示。本設(shè)備的結(jié)構(gòu)部分主要由導(dǎo)向料槽、氣動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、金屬嵌件送料機(jī)構(gòu)、裝配機(jī)構(gòu)、檢測(cè)和熱熔機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、取件料機(jī)構(gòu)、專(zhuān)用工裝夾具等組成。

該設(shè)備的具體工作流程設(shè)計(jì)方案：

1）將插頭殼體放置導(dǎo)料槽1內(nèi)，利用該機(jī)構(gòu)的傾斜角度和插頭殼體自重原理，插頭殼體自行下落至上料機(jī)構(gòu)2的位置。

2）上料機(jī)構(gòu)2通過(guò)光電檢測(cè)開(kāi)光檢測(cè)到插頭殼體時(shí)，氣缸將機(jī)械手推出，機(jī)械手將插頭殼體夾住，送至回轉(zhuǎn)平臺(tái)8上的工裝夾具內(nèi)，氣缸回退，插頭殼體上料過(guò)程完成。

3）通過(guò)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的分割器，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)2個(gè)360°/8=45°，到達(dá)金屬嵌件上料機(jī)構(gòu)3，金屬嵌件上料機(jī)構(gòu)3的料倉(cāng)為振動(dòng)盤(pán)4。當(dāng)上料機(jī)構(gòu)3通過(guò)光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到金屬嵌件時(shí)，氣缸推出，機(jī)械手下行將金屬嵌件插入插頭殼體，金屬嵌件與插頭殼體自動(dòng)裝配工序完成。

4）當(dāng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)8逆時(shí)針轉(zhuǎn)至檢測(cè)和熱熔機(jī)構(gòu)5，利用光電檢測(cè)儀檢測(cè)到合格的裝配件，熱熔裝置5才開(kāi)始熱熔，反之，返回到上一步工序。

5）當(dāng)熱熔工序完成后，回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)至取件機(jī)構(gòu)7，取件機(jī)構(gòu)7中的機(jī)械手將回轉(zhuǎn)平臺(tái)上工裝夾具中的插頭取出，放置包裝盒里，此時(shí)5個(gè)工序依次完成，插頭殼體與金屬嵌件的自動(dòng)裝配完成。

3 三腳插頭自動(dòng)裝配設(shè)備的主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上述的總體設(shè)計(jì)方案可知，設(shè)備的回轉(zhuǎn)平臺(tái)隨著分割器按設(shè)定的參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使工件在回轉(zhuǎn)1周之內(nèi)依次完成上料、裝配、檢測(cè)、熱熔和取件等主要5個(gè)工序，此設(shè)備將5個(gè)工序集于一體，關(guān)鍵在于回轉(zhuǎn)平臺(tái)以及氣缸的精確定位。分裝所用的回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，回轉(zhuǎn)平臺(tái)上定位元件采用8個(gè)專(zhuān)用工裝夾具，工裝夾具根據(jù)六點(diǎn)定位原理，夾具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與插頭殼體正面一致，便于三腳插頭殼體的放置和精確定位?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)在圓周方向分度定位，選用精度高、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好、傳遞扭矩大、定位時(shí)能自鎖的凸輪分割器，放棄傳統(tǒng)的槽輪機(jī)構(gòu)、棘輪結(jié)構(gòu)和不完全齒輪機(jī)構(gòu)。凸輪分割器具有壽命長(zhǎng)、噪聲小、高速性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點(diǎn)，符合此設(shè)備設(shè)計(jì)理念。

根據(jù)回轉(zhuǎn)平臺(tái)承受的載荷和力矩，通過(guò)計(jì)算選用凸輪分割器的參數(shù)：分割器軸間距為110 mm，輸出軸中空直徑為φ40，適配電機(jī)功率為0.37/0.75 kW，分割數(shù)采用8個(gè)，搖擺角度為45°，減速比為4，入力軸轉(zhuǎn)速440 r/min，任意面安裝。此回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)符合三角插頭自動(dòng)裝配要求。

3.2 插頭殼體上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

插頭殼體的上料機(jī)構(gòu)如圖4所示。該機(jī)構(gòu)由帶邊的導(dǎo)料槽、縱向氣缸1、縱向位移滾珠絲桿副、橫向氣缸2、橫向位移滾珠絲杠副、機(jī)械手、限位開(kāi)關(guān)等構(gòu)件組成。其工作原理是：操作者將插頭殼體里面朝上有序排列在導(dǎo)料槽內(nèi)，導(dǎo)料槽與平臺(tái)設(shè)置成45°傾斜角，利用插頭自身重力和機(jī)構(gòu)的斜角，插頭殼體自行下滑到機(jī)械手下方由限位塊定位，此時(shí)磁性傳感器檢測(cè)到插頭殼體到位后，發(fā)出指令信號(hào)，縱向氣缸1帶動(dòng)機(jī)械手下移夾住插頭殼體后上移，橫向氣缸2向右移動(dòng)將插頭殼體移至專(zhuān)用工裝夾具的正上方，縱向氣缸1下移并松開(kāi)機(jī)械手使插頭殼體精確落入專(zhuān)用工裝夾具上進(jìn)行定位，然后縱向氣缸1和橫向氣缸2反方向復(fù)位，插頭殼體上料工序順利完成。

3.3 金屬嵌件上料和裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬嵌件的上料機(jī)構(gòu)如圖5所示。因插頭的金屬嵌件尺寸小，直徑為φ1 mm，長(zhǎng)度為18 mm，重量輕，因此自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)采用振動(dòng)盤(pán)上料結(jié)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由振動(dòng)盤(pán)、專(zhuān)用導(dǎo)管、支架等構(gòu)件組成。其工作原理是：振動(dòng)盤(pán)振動(dòng)將金屬嵌件按有序的方向自動(dòng)排列好，通過(guò)振動(dòng)輸送到專(zhuān)用導(dǎo)管內(nèi)，以待上料。

金屬嵌件的裝配機(jī)構(gòu)如圖6所示。該機(jī)構(gòu)由橫向氣缸3、縱向氣缸4、縱向氣缸5、支架、滾珠絲桿副、光電感應(yīng)器、滑塊、滑槽板等構(gòu)件組成。其工作原理是：金屬嵌件經(jīng)振動(dòng)盤(pán)自動(dòng)排列好由專(zhuān)用導(dǎo)管滑到滑塊內(nèi)孔中，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)到該工位時(shí)，縱向氣缸4帶動(dòng)滑槽板上所有金屬嵌件下移到滑塊槽板底孔與插頭底面接近時(shí)，光電感應(yīng)器檢測(cè)到有金屬嵌件時(shí)，發(fā)出信號(hào)，氣缸3推動(dòng)滑塊從而帶著滑塊中的金屬嵌件前進(jìn)，當(dāng)滑塊的孔與滑槽板的底孔對(duì)齊時(shí)，縱向氣缸5下移把滑塊中的金屬嵌件推入插頭孔中實(shí)現(xiàn)裝配，然后反方向復(fù)位，金屬嵌件的上料與自動(dòng)裝配工序完成。

3.4 金屬嵌件與插頭殼體檢測(cè)與熱熔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測(cè)機(jī)構(gòu)如圖7所示，該機(jī)構(gòu)由光電檢測(cè)儀、縱向氣缸6等構(gòu)件組成。當(dāng)插頭殼體與金屬嵌件裝配完成后，通過(guò)回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到達(dá)檢測(cè)工位，縱向氣缸6帶動(dòng)光電檢測(cè)頭下移，光電檢測(cè)儀開(kāi)始工作，當(dāng)檢測(cè)到插頭未裝配嵌件，自動(dòng)反饋回控制系統(tǒng)，系統(tǒng)識(shí)別后，熱熔工序?qū)⒉粓?zhí)行，插頭再次返回上步裝配工位完成裝配，檢測(cè)到金屬嵌件后測(cè)頭復(fù)位，通過(guò)此檢測(cè)工序，解決了漏裝金屬嵌件的問(wèn)題，保證產(chǎn)品合格率。

熱熔機(jī)構(gòu)如圖8所示，該機(jī)構(gòu)由縱向氣缸7、熱熔棒、支架等構(gòu)件組成。其工作原理是：當(dāng)完成檢測(cè)后，確認(rèn)有金屬嵌件，縱向氣缸7推動(dòng)熱熔棒下移，通過(guò)熱熔棒的溫度傳導(dǎo)到金屬嵌件，使其升溫從而將嵌件周邊的塑件熔化，實(shí)現(xiàn)插頭殼體與金屬嵌件粘合，完成熱熔工序，然后縱向氣缸7帶動(dòng)熱熔棒上移復(fù)位，等待下一次熱熔，檢測(cè)與熱熔兩道工序完成。

最后一道工序——取件，取件工序的執(zhí)行動(dòng)作與插頭殼體上料工序的動(dòng)作一致，因此取件機(jī)構(gòu)采用與插頭殼體上料機(jī)構(gòu)相同機(jī)構(gòu)

通過(guò)上述各工序機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，基于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的三角插頭與金屬嵌件自動(dòng)裝配設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該設(shè)備采用回轉(zhuǎn)平臺(tái)將五位于一體的設(shè)計(jì)思路，5個(gè)工序的精確定位直接影響到設(shè)備的自動(dòng)化程度和產(chǎn)品的合格率，因此采用可編程控制器作為中央核心控制器，采用25個(gè)輸入信號(hào)，12個(gè)輸出信號(hào)，控制電磁換向閥、氣缸、光電檢測(cè)頭、電動(dòng)機(jī)、按鈕、指示燈，完成“插頭殼體上料→金屬嵌件上料與裝配→檢測(cè)→熱熔→取件”5個(gè)工序的工作控制要求。

為了后續(xù)的設(shè)備升級(jí)和改造，選用三菱FX3U64MT型號(hào)的PLC，其控制電路原理圖如圖10所示。

5 效率及合格率測(cè)試結(jié)果分析

5.1 產(chǎn)品合格率測(cè)試

在改造后的三角插頭與金屬嵌件自動(dòng)裝配設(shè)備上進(jìn)行自動(dòng)裝配，在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行樣件測(cè)試。表1為測(cè)試結(jié)果。

試產(chǎn)階段進(jìn)行了抽樣調(diào)查，我們采用等距抽樣法，抽取了300件產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)顯示有3件產(chǎn)品沒(méi)有達(dá)到要求，其余的都為合格品，合格率為99%；然而流水線生產(chǎn)的產(chǎn)品我們也用了同樣的抽樣調(diào)查，抽取了300件產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中有15件為不合格，合格率為95%。由此可得出，使用該設(shè)備后產(chǎn)品合格率得以提高。

5.2 產(chǎn)品生產(chǎn)周期測(cè)試

設(shè)備研究成功后，通過(guò)試產(chǎn)，對(duì)比原有手工裝配生產(chǎn)流水線，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

從試產(chǎn)對(duì)比結(jié)果可知，自動(dòng)化生產(chǎn)比手工裝配流水線生產(chǎn)時(shí)間上平均節(jié)約了2～3 s，生產(chǎn)效率大大改觀，從經(jīng)濟(jì)角度計(jì)算，假如產(chǎn)量為20萬(wàn)件時(shí)，節(jié)省大約5 d的生產(chǎn)周期，采用該設(shè)備生產(chǎn)周期大大縮短。

從人力資源成本計(jì)算，由原來(lái)的5人減到現(xiàn)在的1人，按普通一線技術(shù)工人的月收入3000元/月來(lái)計(jì)算，勞動(dòng)力成本節(jié)省了3000×4=12000元，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率的提高，以及人力資源成本的下降。

6 結(jié)論

本設(shè)備采用裝有分配器的回轉(zhuǎn)平臺(tái)，加以氣動(dòng)技術(shù)、機(jī)械常用機(jī)構(gòu)，以三菱PLC為中央控制器，進(jìn)行了“上料-裝配-檢驗(yàn)-熱熔-取件”五位于一體的三腳插頭與金屬嵌件的自動(dòng)裝配。經(jīng)投產(chǎn)試用，設(shè)備運(yùn)行性能穩(wěn)定，與原有手工裝配生產(chǎn)流水線對(duì)比，在產(chǎn)品的合格率上達(dá)到99%，每件產(chǎn)品的裝配時(shí)間提高2～3 s，生產(chǎn)效率提高，操作工人由原有5人降至1人，人力成本降為原有的1/5，可見(jiàn)改設(shè)備實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)也為其它相似手工裝配生產(chǎn)流水線企業(yè)提供參考。

表1 三角插頭與金屬嵌件自動(dòng)裝配設(shè)備產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)表

［1］張濤川.基于氣動(dòng)和PLC控制技術(shù)的模具標(biāo)準(zhǔn)件分裝機(jī)械手自動(dòng)線研發(fā)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013，8（7）：76-79.

［2］呂仲文.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005.

［3］尹志強(qiáng).機(jī)電一體化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

（編輯 昊 天）

TP278

A

1002-2333（2015）07-0063-04

陳艷芳（1981—），女，講師，碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

2015-06-02