曾祥丹

摘 要：擬開發(fā)一款用于液晶面板生產(chǎn)車間的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品噴碼、校驗(yàn)碼、產(chǎn)品按等級分揀的自動化裝置。由于自動噴碼分揀機(jī)的研制屬于非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)計，無類似設(shè)計和經(jīng)驗(yàn)可以參考，難免引起一些無法預(yù)知的問題，而利用SolidWorks軟件構(gòu)建三維模型，并且完成該裝置的虛擬樣機(jī)設(shè)計，可以為后續(xù)物理樣機(jī)的制作提供理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：自動噴碼；物料分揀；虛擬樣機(jī)；SolidWorks

1 引言

隨著液晶面板在電視、手機(jī)、筆記本電腦、顯示器以及手持終端設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，近年來發(fā)展迅猛，已受到人們的廣泛關(guān)注。目前在液晶面板生產(chǎn)過程中，物料分揀工序還是人工操作，因該工序的工作需要大量的人力和時間，從而導(dǎo)致生產(chǎn)周期長、人力和生產(chǎn)成本高等問題。為了進(jìn)一步提升企業(yè)的智能制造水平，本文采用SolidWorks軟件設(shè)計了一款專門用于液晶面板生產(chǎn)車間的，能夠?qū)崿F(xiàn)液晶面板的自動噴碼和分揀的新型裝置。

在該裝置的研制過程中，利用SolidWorks軟件構(gòu)建零件的三維模型，并組裝成虛擬樣機(jī)，可以清晰地表達(dá)零部件的裝配關(guān)系，給人以直觀的認(rèn)識，為后續(xù)物理樣機(jī)的制作提供理論依據(jù)。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)液晶面板的生產(chǎn)工藝要求，經(jīng)過多次的理論分析、方案論證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確立自動噴碼分揀機(jī)的總體設(shè)計方案，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該裝置主要由機(jī)架、產(chǎn)品傳輸與分揀系統(tǒng)、托盤循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。整體結(jié)構(gòu)采用對稱式布置，兩組托盤的進(jìn)料口和成品出料口分別布置在兩側(cè)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品按A級和B級出貨，避免不同等級的產(chǎn)品混淆，節(jié)省空間和制造成本，便于人員操作、維護(hù)和維修。

1-機(jī)架；2-產(chǎn)品傳輸與分揀系統(tǒng)；3-托盤循環(huán)系統(tǒng)；4-托盤進(jìn)料口；5-成品出料口；6-不合格品取料口

2.1.1 產(chǎn)品傳輸與分揀系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由上料機(jī)器人、多組高精度工業(yè)相機(jī)、上料皮帶線、來料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品噴碼皮帶線、讀碼器、噴碼器、下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、下料機(jī)器人、下料皮帶線和不合格品皮帶線等組件構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檢測、搬運(yùn)、物料號碼識別、產(chǎn)品正反面切換、噴碼、噴碼校驗(yàn)、噴碼品相檢驗(yàn)和按等級分揀等功能，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求為3.5s，產(chǎn)品的來料始終是反面朝上，但是位置不固定，而且產(chǎn)品外框與托盤型腔外框的間隙僅為±0.3mm，本文設(shè)計采用四軸機(jī)器人和工業(yè)相機(jī)搭建一套物料搬運(yùn)系統(tǒng)，工業(yè)相機(jī)用于拍攝來料產(chǎn)品的圖像，控制系統(tǒng)對圖像的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，轉(zhuǎn)換成為運(yùn)動控制系統(tǒng)的坐標(biāo)信息，再將這些坐標(biāo)信息傳輸?shù)綑C(jī)器人的控制器中，控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動抓取、搬運(yùn)和分揀裝盤，使該裝置具有更高的生產(chǎn)柔性。

1-1#工業(yè)相機(jī)；2-上料皮帶線；3-上料機(jī)器人；4-來料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；5-產(chǎn)品噴碼皮帶線；6-讀碼器；7-3#工業(yè)相機(jī)；8-下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；9-下料皮帶線；10-不合格品皮帶線；11-產(chǎn)品下料位置；12-下料機(jī)器人；13-噴碼器；14-2#工業(yè)相機(jī)

2.1.2 托盤循環(huán)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由空托盤進(jìn)料機(jī)構(gòu)、托盤阻擋機(jī)構(gòu)、空托盤進(jìn)料皮帶線、托盤歸正機(jī)構(gòu)、托盤升降機(jī)構(gòu)、單托盤移載機(jī)構(gòu)、單托盤運(yùn)輸皮帶線、單托盤歸正機(jī)構(gòu)、滿托盤退料皮帶線和滿托盤退料機(jī)構(gòu)等組成，用于實(shí)現(xiàn)空托盤上料、升降、單托盤分離、單托盤運(yùn)輸定位、滿托盤疊放、滿托盤下料的循環(huán)周轉(zhuǎn)功能，為下料機(jī)器人擺放產(chǎn)品供給空托盤，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-空托盤進(jìn)料機(jī)構(gòu)；2-托盤阻擋機(jī)構(gòu)；3-空托盤進(jìn)料皮帶線；4-托盤歸正機(jī)構(gòu)；5-托盤升降機(jī)構(gòu)；6-單托盤移載機(jī)構(gòu)；7-單托盤運(yùn)輸皮帶線；8-單托盤歸正機(jī)構(gòu)；9-滿托盤退料皮帶線；10-滿托盤退料機(jī)構(gòu)；11-托盤等待裝盤位置；12-空托盤等待上料位置；13-滿托盤等待下料位置

2.2 工作原理

本文設(shè)計的自動噴碼分揀機(jī)的工作原理為：作業(yè)員確定當(dāng)日生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格后，在操作界面內(nèi)錄入產(chǎn)品信息，并將整摞的空托盤置于進(jìn)料口，托盤將自動進(jìn)入裝置內(nèi)，托盤循環(huán)系統(tǒng)將自動完成托盤的整摞運(yùn)輸、定位、提升、分單盤、單盤定位、單盤運(yùn)輸、產(chǎn)品擺盤和滿盤碼放等工作。

該裝置的產(chǎn)品抓取、搬運(yùn)和分揀的運(yùn)行模式分為如下兩種情況：

第一種情況：來料產(chǎn)品的物料號碼朝上，當(dāng)來料傳感器檢測到上游設(shè)備傳輸來的產(chǎn)品時，1#工業(yè)相機(jī)啟動拍攝產(chǎn)品的位置，并識別產(chǎn)品的物料號碼上傳到控制系統(tǒng)，下載條碼信息給噴碼機(jī)，同時由上料機(jī)器人抓取產(chǎn)品放在上料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)、噴碼、讀碼校驗(yàn)、噴碼品相校驗(yàn)等工序后，將產(chǎn)品傳輸至下料機(jī)器人下方的產(chǎn)品下料位置。此時，如果產(chǎn)品是反面朝上出貨，下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動從下料皮帶線上抓取產(chǎn)品，完成翻轉(zhuǎn)動作后，下料機(jī)器人從下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上抓取產(chǎn)品，然后按A級和B級分別擺放至兩側(cè)下料托盤；如果產(chǎn)品是正面朝上出貨，下料機(jī)器人直接從下料皮帶線上抓取產(chǎn)品，按A級和B級分別擺放至兩側(cè)下料托盤，最后將滿托盤碼放完成后出貨；不合格品由下料機(jī)器人直接抓取到不合格品皮帶線上。

第二種情況：來料產(chǎn)品的物料號碼朝下，當(dāng)來料傳感器檢測到上游設(shè)備傳輸來的產(chǎn)品時， 1#工業(yè)相機(jī)啟動拍攝產(chǎn)品的位置，再由上料機(jī)器人抓取產(chǎn)品放在上料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，完成翻轉(zhuǎn)動作后將產(chǎn)品放在噴碼皮帶線上，然后2#工業(yè)相機(jī)啟動拍攝并識別產(chǎn)品的物料號碼上傳到控制系統(tǒng)，下載條碼信息給噴碼機(jī)，產(chǎn)品經(jīng)過噴碼、讀碼校驗(yàn)、噴碼品相校驗(yàn)等工序后，將產(chǎn)品傳輸至下料機(jī)器人下方的產(chǎn)品下料位置。后續(xù)下料機(jī)器人抓取產(chǎn)品的運(yùn)行模式與第一種情況相同，此處不再贅述。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

本文設(shè)計的全自動噴碼分揀機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3 虛擬樣機(jī)的設(shè)計過程

3.1 設(shè)計方法

SolidWorks軟件的參數(shù)化設(shè)計是以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動為特征，允許設(shè)計者先進(jìn)行二維草圖設(shè)計，勾畫出零件的特征輪廓，然后輸入約束和尺寸數(shù)值來完成最終的設(shè)計，并能夠方便、快捷地創(chuàng)建幾乎任何復(fù)雜形狀的實(shí)體模型，可以滿足絕大部分的工程設(shè)計的需要；SolidWorks有統(tǒng)一的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)都相互關(guān)聯(lián)，任何一個功能模塊中對零件的修改都會自動反映到其他模塊中。

SolidWorks軟件的裝配體設(shè)計包括自底向上設(shè)計和自頂向下設(shè)計兩種方法，如果是首先設(shè)計完成所有零件模型，然后將零件作為部件添加到裝配體中，稱之為自底向上設(shè)計；如果是首先設(shè)計好裝配體模型，然后在裝配體中組建模型，最后生成零件模型，則稱之為自頂向下設(shè)計。一般在實(shí)際設(shè)計過程中，并不是只采用一種設(shè)計方法，往往是兩種方法結(jié)合使用。

3.2 建模過程

基于SolidWorks軟件的零件建模，實(shí)際上是創(chuàng)建零件的實(shí)體特征和一些用戶定義的特征。其中有些特征通過添加材料的方式創(chuàng)建，而有些特征則是通過去除材料的方式創(chuàng)建。

首先要從整體上分析自動噴碼分揀機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，明確不同特征之間的關(guān)系，然后確定各個特征的創(chuàng)建順序， 在此基礎(chǔ)上利用SolidWorks軟件進(jìn)行建模和添加工程特征，通過二維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、切除、掃描和混合等工具來構(gòu)建三維實(shí)體模型。

3.3 三維虛擬裝配

虛擬裝配是產(chǎn)品設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，也是檢驗(yàn)產(chǎn)品的理論設(shè)計是否合理的重要方法。

本文采用自底向上的設(shè)計方法完成自動噴碼分揀機(jī)虛擬樣機(jī)的設(shè)計，首先在SolidWorks軟件內(nèi)建立所有零件的三維模型，由于在組建裝配體時SolidWorks軟件會自動將第一個調(diào)入的零件默認(rèn)為固定不動，所以本文在進(jìn)行虛擬裝配時第一個調(diào)入機(jī)架，并以機(jī)架為裝配基準(zhǔn)，然后在此基礎(chǔ)上插入其他零部件。

SolidWorks軟件系統(tǒng)提供了同軸、平行、垂直、 重合、距離等十多種標(biāo)準(zhǔn)配合方式，是保證零件之間進(jìn)行準(zhǔn)確裝配的基本命令，由于本文設(shè)計的自動噴碼分揀機(jī)的零件數(shù)量比較多，所以在裝配前對該裝置各級部件的層次關(guān)系、約束關(guān)系以及相對運(yùn)動關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，高效順利地完成了總裝配體。

3.4 干涉檢查

基于SolidWorks軟件的裝配體的靜態(tài)干涉檢查是指在特定的裝配結(jié)構(gòu)形式下，檢查裝配體的各個零部件之間的相對位置關(guān)系是否存在干涉；而動態(tài)干涉檢查是指檢查裝配體之間或者零部件之間在運(yùn)動過程中是否存在干涉，確保各個零件在空間上不出現(xiàn)重疊。在裝配體模式下，選擇干涉檢查，系統(tǒng)會生成干涉分析結(jié)果，然后依據(jù)該結(jié)果，對相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.5 工程圖設(shè)計

SolidWorks軟件的所有二維工程圖都可以從三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換出來，轉(zhuǎn)換后的圖形非常準(zhǔn)確，設(shè)計人員可以根據(jù)需要完成零件視圖、尺寸標(biāo)注、形位公差標(biāo)注、表面粗糙度標(biāo)注等，并且二維工程圖會自動鏈接到三維實(shí)體模型，如果修改了三維實(shí)體模型的某些特征或者尺寸，二維工程圖會自動更新，便于三維實(shí)體模型和二維工程圖紙的修改和管理。

4 結(jié)論

本文基于SolidWorks軟件完成了自動噴碼分揀機(jī)虛擬樣機(jī)的設(shè)計，該三維虛擬樣機(jī)可充分表達(dá)設(shè)計意圖，為此類裝置的設(shè)計提出了一種新的思路。采用SolidWorks軟件的參數(shù)化設(shè)計方法，可以快速地完成整體結(jié)構(gòu)、干涉檢查、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及工程圖設(shè)計，極大地提高了機(jī)械設(shè)計人員的工作效率，節(jié)約制造物理試驗(yàn)樣機(jī)的成本，縮短新機(jī)型的研發(fā)周期。

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