覃勝林 岳高 陳勇林 覃文輝 馬秸耘

收稿日期：2023-06-02

基金項目：廣西大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（S202210595108）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.037

摘? 要：智能手環(huán)的市場需求量持續(xù)增大，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜精細(xì)，傳統(tǒng)人工裝配生產(chǎn)效率低下且易因疲勞導(dǎo)致裝配精度較差等質(zhì)量問題。對此，提出一款基于PLC集成的智能手環(huán)充電觸點銅柱全自動安裝設(shè)備。設(shè)備采用可編程控制器PLC作為核心控制器，通過光電傳感器和磁性開關(guān)采集機(jī)械裝置工作狀態(tài)信息并進(jìn)行實時反饋與控制，實現(xiàn)智能手環(huán)充電觸點銅柱全自動安裝，推動智能手環(huán)產(chǎn)能、裝配質(zhì)量與優(yōu)品率協(xié)同提升。

關(guān)鍵詞：充電觸點銅柱；自動化安裝；PLC控制；機(jī)械設(shè)計制造

中圖分類號：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）04-0180-05

Design of an Intelligent Bracelet Fully Automatic Charging Contact Copper Pillar Assembly Machine Based on PLC

QIN Shenglin， YUE Gao， CHEN Yonglin， QIN Wenhui， MA Jieyun

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin? 541004， China）

Abstract： The market demand for smart bracelets continues to increase， but due to their complex and fine structure， traditional manual assembly production efficiency is low， and fatigue can easily lead to poor assembly accuracy and other quality problems. A fully automatic installation device for the charging contact copper pillar of an intelligent bracelet based on PLC integration is proposed. The equipment adopts a programmable logic controller （PLC） as the core controller， which collects the working status information of the mechanical device through photoelectric sensors and magnetic switches， and provides real-time feedback and control. It realizes the fully automatic installation of the charging contact copper pillar of the smart bracelet， promoting the synergistic improvement of intelligent bracelet production capacity， assembly quality， and excellent product rate.

Keywords： charging contact copper pillar; automated installation; PLC control; mechanical design and manufacturing

0? 引? 言

智能手環(huán)是一種智能穿戴式設(shè)備，除能通過記錄日常鍛煉、睡眠等實時數(shù)據(jù)來指導(dǎo)用戶健康生活外，未來隨著移動通信、圖像技術(shù)與人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，還有望成為工作輔助設(shè)備并運(yùn)用于日常工作以及通信和醫(yī)療等行業(yè)中，其市場需求量巨大[1]。觸點充電式手環(huán)使用壽命持久且充電效率高，而高質(zhì)量高精度的充電觸點銅柱安裝是其生產(chǎn)過程的重要一環(huán)，傳統(tǒng)手工安裝質(zhì)量不穩(wěn)定且工作效率低，無法滿足規(guī)?；哔|(zhì)量生產(chǎn)需求[2]。自動化生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定且工作效率高，適合充電手環(huán)的大批量生產(chǎn)，但目前研制的充電觸點銅柱裝配機(jī)器體型較大且自身成本較高，有待進(jìn)一步優(yōu)化。針對上述情況，本文基于PLC邏輯控制器開展小體積、高精度與低成本全自動手環(huán)充電觸點銅柱裝配機(jī)設(shè)計與優(yōu)化，實現(xiàn)銅柱的全自動化控制與安裝功能控制，以滿足智能手環(huán)優(yōu)質(zhì)與高效的自動化生產(chǎn)需求。

1? 設(shè)計思路與總體結(jié)構(gòu)

綜合現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備與充電觸點銅柱安裝方法，本文設(shè)計出一種基于PLC控制的智能手環(huán)充電觸點銅柱自動裝配系統(tǒng)。其中，PLC控制器整合光電傳感器和磁性開關(guān)的狀態(tài)信息，執(zhí)行相應(yīng)的程序指令來控制驅(qū)動伺服電機(jī)模組和控制外部繼電器通斷，間接控制機(jī)械裝置中的各式氣缸，實現(xiàn)系統(tǒng)的供料、吸取、裝配和下料等功能，實現(xiàn)連續(xù)自動裝配手環(huán)充電觸點銅柱，其具體工作流程如圖1所示。

按照上述思路，本文設(shè)計的裝配系統(tǒng)主要由銅柱儲料及供料裝置、直線伺服電機(jī)模組、手環(huán)殼調(diào)整及固定裝置、銅柱吸取及安裝裝置、手環(huán)殼吸取裝置、手環(huán)殼上料和下料導(dǎo)軌六部分組成，如圖2所示，各部分功能如下：

1）銅柱儲料及供料裝置：儲存充電銅柱并為設(shè)備提供原料，供吸盤重復(fù)吸取進(jìn)行安裝。

2）直線伺服電機(jī)模組：作為橋梁，利用伺服電機(jī)攜帶部分直線氣缸和吸盤在不同裝置間進(jìn)行移動。

3）手環(huán)殼調(diào)整及固定裝置：包括旋轉(zhuǎn)氣缸和雙軸直線氣缸，進(jìn)行手環(huán)殼方向的調(diào)整和安裝前的固定操作。

4）銅柱吸取及安裝裝置：對銅柱進(jìn)行吸取及安裝，將其安裝于直線伺服電機(jī)模組。

5）手環(huán)殼吸取裝置：對手環(huán)殼進(jìn)行吸取與轉(zhuǎn)移，將其安裝于直線伺服電機(jī)模組。

6）手環(huán)殼上料和下料導(dǎo)軌：引導(dǎo)手環(huán)殼進(jìn)料和出料。

（a）裝配機(jī)整體機(jī)構(gòu)圖

（b）銅柱裝配區(qū)域局部放大圖

圖2? 裝配機(jī)整體機(jī)構(gòu)圖與銅柱裝配區(qū)域局部放大圖

2? 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

自動化控制是該智能手環(huán)自動裝配系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，本文主要采用可編程邏輯控制器PLC來實現(xiàn)銅柱的全自動化控制與安裝。PLC控制器是一種專門為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字運(yùn)算操作與電子控制系統(tǒng)，有望直接應(yīng)用到現(xiàn)有的智能手環(huán)生產(chǎn)流程與控制中[3，4]。設(shè)計采用DELTD DVP40ES00T2型PLC控制器，同時采用ISPsoft軟件進(jìn)行編程。針對裝配機(jī)和PLC工作特點，將總體程序分為多個程序單元，并使用梯形圖和SFC圖完成程序單元及總程序的編寫，外部的光電傳感器及磁性開關(guān)負(fù)責(zé)提供程序單元運(yùn)行時所需的部分條件及轉(zhuǎn)移條件，順序控制機(jī)器完成整個裝配過程實現(xiàn)自動裝配功能[5]。PLC編程方便簡潔，可高效完成充電觸點銅柱的裝配，具有高可靠性、良好的兼容性和靈活性等優(yōu)點[6]。

3? 控制軟件設(shè)計

程序設(shè)計整體基于ISPsoft軟件中的順序功能流程圖完成編寫。程序整體分為多個功能模塊順序執(zhí)行完成全自動裝配功能，程序主要功能模塊包括手環(huán)殼方向判斷功能模塊、伺服脈沖輸出功能模塊、充電銅柱吸取功能模塊及銅柱安裝功能模塊。

3.1? 手環(huán)殼方向判斷功能模塊

此功能模塊主要作用為判斷處于上料導(dǎo)軌末端的手環(huán)殼的方向，是基于進(jìn)入導(dǎo)軌末端的激光對射傳感器的信號X0變化進(jìn)行手環(huán)殼方向判斷。手環(huán)殼處于進(jìn)入導(dǎo)軌末端等待固定安裝時，若手環(huán)殼方向為正，激光對射傳感器的激光通過未安裝充電銅柱的孔，未檢測到遮擋物，傳感器信號輸出低電平，程序判斷為方向正，轉(zhuǎn)移條件M13輸出，進(jìn)入程序分支1；若手環(huán)殼方向為反，則會檢測到遮擋物，傳感器信號輸出高電平，程序判斷為方向反，轉(zhuǎn)移條件M14輸出，進(jìn)入程序分支2。程序分支1、2區(qū)別在于是否對手環(huán)殼方向進(jìn)行調(diào)整。功能模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3? 手環(huán)殼方向判斷功能模塊

3.2? 伺服脈沖輸出功能模塊

此功能模塊的作用主要是輸出脈沖給伺服電機(jī)驅(qū)動器，控制伺服電機(jī)。進(jìn)入該功能模塊，達(dá)成初始條件后，通過脈沖輸出指令DPLSY和Y0輸出端口輸出，脈沖同時通過輸出端口Y1的輸出信號確定運(yùn)動方向，使直線運(yùn)動模組按既定方向運(yùn)行。脈沖輸出完成后，輔助繼電器M1029接通。基于銅柱吸取位置的霍頓開關(guān)的信號輸出X11判斷是否到達(dá)既定位置。若沒有到達(dá)既定位置，則會通過分支程序重新返回該程序功能模塊輸出脈沖；反之進(jìn)入下一程序功能模塊。圖4所示為完成手環(huán)殼固定操作后的第一次輸出脈沖功能模塊。

3.3? 充電銅柱吸取功能模塊

如圖5所示，充電銅柱吸取功能模塊的作用主要是對充電銅柱進(jìn)行吸取，一個完整功能流程需要進(jìn)行兩次充電銅柱的吸取。直線運(yùn)動模組到達(dá)銅柱吸取位置（左側(cè)位），直線氣缸攜帶小吸盤向下運(yùn)動，緊壓充電銅柱。延時T9結(jié)束后，進(jìn)行吸取銅柱。功能基于輸出端口信號，接通或斷開外部繼電器，控制氣缸。其中，延時T9、T10是為保持設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，給予氣缸運(yùn)行完成所需的必要時間，可根據(jù)實際情況修改。

圖5? 充電銅柱吸取功能模塊

3.4? 充電銅柱安裝功能模塊

如圖6所示，充電銅柱安裝功能模塊的作用主要是對充電銅柱進(jìn)行裝配，一個完整功能流程需要進(jìn)行兩次充電銅柱的安裝。直線運(yùn)動模組攜帶充電銅柱到達(dá)安裝位置右側(cè)位（第二次安裝，到達(dá)右側(cè)位后先進(jìn)行位置的精確微調(diào)），由兩個直線氣缸攜帶被吸附的充電銅柱壓入既定孔，完成后恢復(fù)初始狀態(tài)并進(jìn)入下一步。其中，延時T11、T12是為保持設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，給予氣缸運(yùn)行完成所需的必要時間，可根據(jù)實際情況修改。

圖6? 充電銅柱第一次安裝功能模塊

4? 氣動控制系統(tǒng)

4.1? 氣缸裝置

氣缸主要利用氣體膨脹做功，氣動機(jī)構(gòu)與工作部件可因超載而停止不動，無過載的危險，因而具有反應(yīng)迅速、耗能低與安全性高的特點[7]，是該設(shè)計中的主要動力器件。相較于目前的前端手環(huán)殼調(diào)整方式，本設(shè)計增加了旋轉(zhuǎn)氣缸和雙軸氣缸作為核心裝置分別來調(diào)整手環(huán)殼方向以及固定手環(huán)殼，其連接順序與裝配結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7? 旋轉(zhuǎn)氣缸和雙軸氣缸

旋轉(zhuǎn)氣缸和雙軸氣缸的作用及工作過程分別介紹如下。

4.1.1? HRQ2旋轉(zhuǎn)氣缸

其上方安裝有載物臺，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時，手環(huán)殼進(jìn)入導(dǎo)軌的末端，經(jīng)激光對射傳感器檢測并確定其方向，若方向為正（激光無遮擋），手環(huán)殼進(jìn)入載物臺立即由雙軸氣缸進(jìn)行固定；若方向為反（激光有遮擋），則會先利用旋轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)行方向調(diào)整然后再由雙軸氣缸固定。使用旋轉(zhuǎn)氣缸可有效簡化結(jié)構(gòu)并提高自動化，樣機(jī)測試結(jié)果顯示方向檢測正確率達(dá)到96%以上。

4.1.2? TN10X20S雙軸氣缸

手環(huán)殼經(jīng)旋轉(zhuǎn)氣缸調(diào)整方向完畢且經(jīng)漫反射激光傳感器確認(rèn)到位后，雙軸氣缸將執(zhí)行直線運(yùn)動并用緩沖橡膠墊壓緊手環(huán)殼并固定。雙軸氣缸能有效固定手環(huán)殼，提高銅柱安裝時的穩(wěn)定性以及產(chǎn)品質(zhì)量，降低次品率。

4.2? 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置，具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)與噪聲較小等優(yōu)點，可以克服步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時的低頻振動[8]。在本設(shè)計中，銅柱和手環(huán)殼的吸取主要依靠吸盤來完成，伺服電機(jī)的穩(wěn)定性可以保障在較低氣壓下吸盤能夠快速可靠的吸取殼體或銅柱完成轉(zhuǎn)移動作，所用伺服電機(jī)型號為ECMA-C20401GS[9]。在雙軸氣缸完成手環(huán)殼固定后，PLC控制器向伺服電機(jī)驅(qū)動器輸出脈沖，通過控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)移吸取銅柱以及吸取手環(huán)殼的吸盤，完成銅柱安裝及裝配完成后手環(huán)殼的轉(zhuǎn)移。在可靠轉(zhuǎn)移條件下，銅柱轉(zhuǎn)移效率可以達(dá)到50個/每分鐘。伺服電機(jī)可在保證設(shè)備安全性提高的同時大幅度提高其裝配穩(wěn)定性及裝配效率。

4.3? 傳感檢測模塊

本設(shè)計采用大量的傳感器來實時監(jiān)測物料位置信息和設(shè)備工作狀態(tài)信息，為PLC控制器提供信息支持并實現(xiàn)其有效邏輯控制[10]，從而提高設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性與可靠性。各類傳感器信息如表1所示。

表1? 傳感器信息表

傳感器名稱 作用

磁性開關(guān) 信號轉(zhuǎn)化，完成對氣缸工作狀態(tài)的采集

激光對射傳感器 檢測孔的位置，確定是否需要調(diào)整方向

限位開關(guān) 直線運(yùn)動模組位置信息采集

漫反射傳感器 檢查殼體位置，確保到位

5? 測試分析

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和電路設(shè)計方案得出樣機(jī)。經(jīng)樣機(jī)測試分析得出部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中，樣機(jī)占地面積僅為0.5平方米，整體裝配完成平均速率達(dá)到32個/每分鐘，部分情況如表2所示。

表2? 樣機(jī)測試情況

測試項 數(shù)值/個 樣本數(shù)/個 成功率/ %

方向檢測準(zhǔn)確度 48 50 96

充電觸點銅柱吸取成功率 50 50 100

充電觸點銅柱裝配成功率 48 50 96

整體裝配完成成功率 46 50 92

6? 結(jié)? 論

本文基于PLC控制設(shè)計了一款小體積、低成本的全自動手環(huán)充電觸點銅柱裝配機(jī)。該設(shè)備以氣缸和伺服電機(jī)作為主要動力器件，通過各式傳感器保障程序運(yùn)行邏輯和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)手環(huán)充電觸點銅柱全自動裝配的功能。樣機(jī)測試結(jié)果顯示裝配速率可以達(dá)到32個/每分鐘，裝配效率提高20%，具有產(chǎn)品質(zhì)量高、裝配效率高與安全性高等優(yōu)點。該裝配機(jī)基于PLC控制，與現(xiàn)有主流設(shè)備相比，該設(shè)計占地面積僅為0.5平方米，減少了占地面積，可接入智能化的工廠制造系統(tǒng)并采用并聯(lián)式生產(chǎn)線提高產(chǎn)能，有望替代現(xiàn)有裝配設(shè)備，具有較高的應(yīng)用價值。

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作者簡介：覃勝林（2001—），男，漢族，廣西梧州人，本科在讀，研究方向：專業(yè)電子封裝技術(shù)；通訊作者：岳高（1987—），男，漢族，四川綿陽人，講師，工學(xué)博士，研究方向：電子束表面處理、金屬高溫腐蝕防護(hù)與自動化設(shè)計。