一种用于保险丝冲孔的自动化装置及冲孔方法

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一种用于保险丝冲孔的自动化装置及冲孔方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种保险丝冲孔装置，尤其是一种用于保险丝冲孔的自动化装置及冲孔方法。\n背景技术\n[0002] 随着我国新劳动法的实施，工人们的安全生产及人身安全的自我保护意识在不断增强；就我国目前工业生产中，会遇到许多需要复杂工序来完成的小零件，而这些零件的加工往往需要大量的一线操作工；这就产生了两个比较突出的问题：企业需要支付的工资总量增加，增加了生产成本，加重了企业负担；由于工业机器的高速、强力等特性，复杂工序造成的繁重生产任务使得工人在疲劳状态下生产的安全系数直线下降，就冲孔这项加工而言，不知多少工人将手指留在了冲床上；因此，企业在保证生产效率和成本的条件下尽量减少一线工人数量的需求，使得自动化生产装置的研发与生产有着广阔的市场前景。\n[0003] 本发明提出了一种用于保险丝冲孔的自动化装置；本发明所涉及的保险丝为扁平盒型，两端为金属连接片，需要在金属片上冲出直径为3mm和8mm的用于连接的微小连接孔；若用普通的冲床来完成冲孔工序，这不仅难以操作以保证精度，还由于冲床的冲裁力远大于需求而浪费功率、提高成本；因此，研发一套用于保险丝冲孔的自动化装置是必要的。\n[0004] 本发明所提出的用于保险丝冲孔的自动化装置，能够同时保证冲孔精度的前提下一次完成6个保险丝的冲孔，且通过自动化控制装置实现保险丝的自动送料、定位、合模、冲孔、出料的操作，提高了生产效率，降低了生产成本。\n发明内容\n[0005] 本发明提出了一种用于保险丝冲孔的自动化装置，目的在于解决用常规机床加工小型保险丝零件上微型孔的操作不便、效率低下、精度难以保证等问题；该装置的主要结构包括：保险丝载具、伺服送料装置、定位夹紧装置、冲孔装置、卸料装置、PLC控制系统；其中保险丝载具用于保险丝的定位和初步夹紧、伺服送料装置用于将保险丝载具送入加工位、定位夹紧装置用于加工位处保险丝载具的定位与夹紧、冲孔装置用于在加工位处完成冲孔加工、卸料装置用于冲孔结束后保险丝载具的顶起、PLC控制系统用于控制伺服送料装置、定位夹紧装置、冲孔装置和卸料装置的运动；在人工将保险丝装夹在保险丝载具上后，启动PLC控制系统，由各个装置驱动进行自动送料、定位、夹紧、冲孔、卸料，高效、精确地完成6个保险丝的冲孔操作。\n[0006] 保险丝载具：包括基座、定位销、导向槽和磁铁，“L”型压板；其中定位销排列固定在基座表面上对应保险丝的定位孔，导向槽固定在基座上表面两端，“L”型压板卡在导向槽内，磁铁固定在基座一侧侧面用于吸附固定“L”型压板卡实现初步夹紧的功能；在将载具放入伺服送料装置前，需要先将6个保险丝装夹在载具上，由于保险丝上有2个定位孔，通过载具上的定位销对保险丝进行定位，保证了保险丝与载具的相对位置；此外，保险丝载具端部装有磁铁，穿过导向槽的“L”型薄钢板在压住排列好的保险丝后受磁铁吸引，保证移动载具时“L”型薄钢板不会滑落，从而形成对保险丝的初步夹紧；“L”型薄钢板和基座上还有用于后续竖直方向定位保险丝载具的定位孔。\n[0007] 伺服送料装置：主要结构包括伺服电机、减速器、由和传送带组成的传动装置、用于装载保险丝载具的拨料爪和用于保险丝载具导向的导轨；其中伺服电机与减速器驱动与其相连的皮带轮，皮带轮带动传送带和其上固定的拨料爪，沿其下的导轨运动；拨料爪由“L”型固定板和弹性挡爪组成，“L”型固定板通过螺栓固定在传送带上，弹性挡爪固定在“L”型固定板下端，用于承载和带动保险丝载具运动；采用拨料爪是为了精确定位保险丝载具的位置，伺服电机运动由PLC控制系统控制，进而控制保险丝载具的位置，若将保险丝载具直接置于传送带上，则可能因为滑动等原因而无法准确定位保险丝载具的位置，而采用拨料爪机构可以避免上述情况，拨料爪的弹性挡爪使得载具的取放比较便捷，通过弹性挡爪提供的压力进行固定，无需如螺栓的固定装置。\n[0008] 定位夹紧装置：包括竖直方向定位装置和水平方向定位装置；其中竖直方向定位装置包括机架、气缸、传动机构和定位销，机架包括支撑板A、支撑杆、支撑板B、导柱、导套、弹簧和底板，传动机构包括“T”型连接杆、连接板、连接杆A、滑动板、连接杆B和压板；气缸固定在机架的支撑板A上通过“T”型连接杆与下方的连接板连接、连接板通过穿过支撑板B的连接杆A与下方的滑动板相连、滑动板四角固定着导套可沿导柱上下移动，滑动板通过连接杆B与下方的压板相连，定位销固定在压板下表面；其中水平方向定位装置包括气缸、“T”型连接杆、移动块、挡块B和”T”型定位板、导向块和挡块A；气缸与移动块通过“T”型连接杆相连用于驱动移动块运动，挡块B固定在移动块上表面，导向块与移动块相邻，”T”型定位板穿过导向块，顶端卡在移动块内并受挡块B驱动，挡块A与导向块位于伺服送料装置的导轨两侧并相互对应将保险丝载具夹在中间。\n[0009] 在保险丝载具被送到加工位后，需要先对载具进行定位和夹紧，由于先前已经完成保险丝于载具上的定位，故在完成载具定位后能间接完成保险丝相对冲孔机构的定位，以保证冲孔的精度；定位装置对于载具的定位分为水平方向的定位和竖直方向的定位：\n（1）竖直方向的定位是通过合模时模具上的定位销与保险丝载具上的定位孔导正来实现的，但由于为了便于锥形定位销在下行时进入保险丝载具上的定位孔，定位孔的直径要比定位销最大直径达到3~5mm，这就使得竖直方向的定位只能大致保证保险丝载具的位置，却不能实现精确定位，因此，要辅以水平方向的定位；（2）水平方向的定位是通过将保险丝载具夹在中间的挡块A、挡块B和”T”型定位板实现的，通过气缸提供的挤压力保证了保险丝与挡块间的垂直度且限制了保险丝水平方向的运动，进而实现了精确的定位；综合竖直和水平方向的定位实现了保险丝，或者说保险丝载具的精确定位，之后模具闭合，压板在气缸的驱动下将保险丝载具和其上的保险丝夹紧在加工位上，为后续冲孔操作作准备。\n[0010] 冲孔装置：包括电机、传动装置和凸轮冲子机构，传动装置包括联轴器和同步传送带，凸轮冲子机构包括凸轮轴、凸轮、凸轮滚子、连接杆和冲头组；电机与传动装置相连来驱动与同步传送带相连的凸轮轴，凸轮轴带动固定在其上的凸轮转动，凸轮正下方与凸轮滚子接触，凸轮滚子下方与连接杆以及冲头组相连；每个保险丝上要冲1个大孔和2个小孔，冲孔所需的力由电机和传动装置提供；为了减小冲裁力对电机的负担，故采用以下措施来减小电机所要提供的最大冲裁力：（1）将6个保险丝分为3组，每组2个，将3组保险丝分配给3组凸轮冲子机构；每当伺服电机中心轴转过120°，1组凸轮冲子机构受力完成冲孔，如此伺服电机在运转过程中每时每刻都只需提供一组2个保险丝冲孔所需的力；（2）用于冲裁同一个保险丝上的3个孔的冲头固定在同一块固定块上，但由于长度不同，故在下行过程中3个冲头与保险丝接触的时间不同，所以对于一个保险丝来说，动力机构在施加力的阶段只要提供冲裁一个孔的力，减小了负担；（3）对于一组两个保险丝的6个孔来说，用于冲裁孔的6个冲头固定在同一个固定块上，受一组凸轮冲子机构驱动；6根冲头中，用于冲裁大孔的两根冲头长度不一，且均长于冲裁小孔的4根冲头；用于冲裁小孔的4根冲头中外侧两根长度相等，内侧两根长度也相等，且内侧的两根冲头的长度略短于外侧两根；按照上述的措施，每个凸轮冲子机构在提供力的过程中，先依次提供冲裁一个大孔所需力，在依次提供冲裁两个小孔的力，且后者所需的力与前者相差不多，如此使得电机在运行中需要提供的扭力较小且稳定，大大提高了其运行寿命；除此之外，上述冲头的排列方式还保证了冲裁过程中凸轮冲子机构的受力稳定性，所受的弯矩较小，保证了精度不受影响。\n[0011] 卸料装置：包括气缸、连接气缸和导轨的连接机构、用于顶料的顶杆和顶板，连接机构包括连接杆和连接板；气缸位于最下端固定在连接板上，连接板通过连接杆在上方与伺服送料装置的导轨相连，气缸与其上方的顶板相连，顶杆固定在顶板上用于顶起保险丝载具；当冲孔加工完成后，冲孔时所形成的毛刺可能会使保险丝卡在凹模上，导致载具无法在伺服送料装置的拨料爪的带动下前行，因此需要用卸料装置在冲孔加工完成后，将载具向上顶；通过气缸推动顶板带动顶杆向上运动，从而将载具向上顶出，便于后续载具移出加工位。\n[0012] PLC控制装置：所有装置的驱动采用电器装置，如电机、气缸等，故能够通过控制对这些电器装置输入的电信号来控制器运动；通过将加工工艺转化为输入电信号后，便可通过PLC控制系统控制各电器装置的运动，从而实现自动送料、定位、夹紧、冲孔、卸料等工序。\n[0013] 各部分的装配关系为：保险丝载具固定在伺服送料装置的拨料爪上位于伺服送料装置的导轨中，伺服送料装置中的导轨穿过整个机构，其中冲孔装置和竖直方向定位装置处于导轨正上方且冲孔装置位于竖直方向定位装置内部，水平方向定位装置分布在导轨两侧且位于竖直方向定位装置正下方，卸料装置位于导轨正下方且与冲孔装置以及定位夹紧装置对应；PLC控制系统与伺服送料装置中的伺服电机、定位夹紧装置中的气缸、冲孔装置中的电机、卸料装置中的气缸相连，用于控制它们的运动。\n[0014] 通过合理的机械结构配合电气化控制，可以实现保险丝上微型孔冲裁的自动化加工，在保证精度的前提下，实现了高效率、低能耗的现代化加工要求，对比于传统加工方式，该自动化冲孔装置也实现了劳动力需求小、加工安全系数高等人性化要求，这对于探索未来工业生产模式的演化来说是一次很好的实践性尝试。\n附图说明\n[0015] 图1是保险丝结构示意图；\n[0016] 图2是保险丝载具结构示意图；\n[0017] 图3是伺服送料装置结构示意图；\n[0018] 图4是拨料爪结构示意图；\n[0019] 图5是竖直方向定位装置结构示意图；\n[0020] 图6是水平方向定位装置结构示意图；\n[0021] 图7是冲孔装置结构示意图；\n[0022] 图8是冲头结构示意图；\n[0023] 图9是卸料装置示意图；\n[0024] 图10为装置整体装配示意图；\n[0025] 图11为控制系统示意图；\n[0026] 附图中：\n[0027] Ⅰ-保险丝载具，Ⅱ-凸轮冲子机构，Ⅲ-冲头组，Ⅳ-伺服送料装置，Ⅴ-定位夹紧装置，Ⅴ-A-竖直方向定位装置，Ⅴ-B-水平方向定位装置，Ⅵ-冲孔装置，Ⅶ-卸料装置，Ⅷ- PLC控制系统；1-上定位孔，2-连接孔，3-保险丝，4-定位孔，5-导向槽，6-磁铁，7-基座，8-定位销，9-“L”型压板，10-伺服电机，11-减速器，12-皮带轮，13-拨料爪，14-传送带，15-导轨，16-“L”型固定板，17-弹性挡爪，18-气缸，19-支撑板A，20-支撑杆，21-支撑板B，22-导柱，23-导套，24-弹簧，25-底板，26-“T”形连接杆，27-连接板，28-连接杆A，29-滑动板，30-连接杆B，31-压板，32-定位销，33-挡块A，34-导向块，35-“T”型定位板，36-挡块B，37-移动块，38-“T”形连接杆，39气缸，40-电机，41-联轴器，42-同步传送带，43-凸轮，44-凸轮轴，45-支撑块，46-凸轮滚子，47-连接杆，48-固定块，49-小冲孔头，\n50-大冲孔头，51-顶杆，52-顶板，53-连接杆，54-连接板，55-气缸。\n具体实施方式\n[0028] 下面结合附图对本发明所述的一种用于保险丝冲孔的自动化装置作进一步说明。\n[0029] 本发明所述的一种用于保险丝冲孔的自动化装置，其主要结构包括：保险丝载具Ⅰ、伺服送料装置Ⅳ、定位夹紧装置Ⅴ、冲孔装置Ⅵ、卸料装置Ⅶ以及PLC控制系统Ⅷ；其中保险丝载具Ⅰ用于保险丝3的装夹、伺服送料装置Ⅳ用于将保险丝3送入加工位、定位夹紧装置Ⅴ用于加工位处保险丝3的定位与夹紧以保证冲孔精度、冲孔装置Ⅵ用于在加工位处完成冲孔工序、卸料装置Ⅶ用于冲孔工序后载具的顶出、PLC控制系统Ⅷ用于设定和控制其他装置的运动；在人工用保险丝载具Ⅰ装夹好保险丝3后，通过启动PLC控制系统Ⅷ，由各个装置驱动进行自动送料、定位、夹紧、冲孔、卸料，高效、精确地完成6个保险丝的冲孔操作。\n[0030] 如图1所示为本发明所涉及的保险丝产品，保险丝3为块状且两端为相同厚度的金属薄板，其上已经预留有两个定位孔1，还需要在金属薄片上冲裁一大（直径8mm）两小（直径3mm）三个连接孔2。\n[0031] 如图2所示为所述的保险丝载具Ⅰ，其主要包括用于承载保险丝的基座7、用于定位保险丝的定位销8、用于施加压力固定保险丝的“L”型压板9、用于压板导向的导向槽5、用于吸引“L”型压板的磁铁6；其中定位销8排列固定在基座7上表面两侧通过定位孔1定位保险丝3，导向槽5固定在基座上表面两端，“L”型压板9卡在导向槽5内，且“L”型压板\n9的一端受固定在基座7一侧侧面的磁铁6吸引，从而实现初步夹紧保险丝3的功能。此外，基座7和“L”型压板上9还留有用于后续竖直方向定位载具的定位孔4。\n[0032] 如图3所示为所述的伺服送料装置Ⅳ，其主要结构包括：括伺服电机10、减速器\n11、由皮带轮12和传送带14组成的传动装置、用于移动保险丝载具的拨料爪13和用于保险丝载具导向的导轨15；伺服电机10的输出轴与减速器11相连，皮带轮12的中心轴也与减速器11相连，传送带14与皮带轮12通过张力紧贴，拨料爪13通过螺栓固定在传送带14上且位于导轨15正上方，传送带14与导轨15平行，故在伺服电机驱动10下，传送带14带动拨料爪13夹持保险丝载具Ⅰ沿导轨15运动。\n[0033] 如图4所示为所述的拨料爪13，其由“L”型固定板16和弹性挡爪17组成，“L”型固定板16通过螺栓固定在传送带14上，弹性挡爪17固定在“L”型固定板16下端；弹性挡爪17通过弹性压力夹持保险丝载具Ⅰ。\n[0034] 所述的定位夹紧装置Ⅴ包括竖直方向定位装置Ⅴ-A和水平方向定位装置Ⅴ-B。\n[0035] 如图5所示为定位装置Ⅴ中的竖直方向定位装置Ⅴ-A，其主要包括包括机架、气缸18、传动机构和定位销32，机架包括支撑板A19、支撑杆20、支撑板B21、导柱22、导套23、弹簧24和底板25，传动机构包括“T”型连接杆26、连接板27、连接杆A28、滑动板29、连接杆B30和压板31；机架的装配为：支撑板A19通过支撑杆20与下方的支撑板B21相连，支撑板B21受导柱22支撑固定在底板25上，导套23套在导柱22上与其下同样套在导柱22上的弹簧24相接处；竖直方向定位装置Ⅴ-A的装配为：气缸18固定在机架的支撑板A19上通过“T”型连接杆26与下方的连接板27连接、连接板27通过穿过支撑板B21的连接杆A28与下方的滑动板29相连、滑动板29四角固定着导套23可沿导柱22上下移动并受弹簧24阻挡，滑动板29通过连接杆B30与下方的压板31相连，定位销32固定在压板31下表面；在气缸18推动下，传动机构下移，首先借助定位销32限定保险丝载具Ⅰ在水平方向的偏移，为后续水平方向的定位作准备；在后续完全定位保险丝载具Ⅰ后，压板31继续下移来压紧保险丝载具Ⅰ，为后续冲孔加工作准备。\n[0036] 如图6所示为定位装置Ⅴ中的水平方向定位装置Ⅴ-B，其主要包括气缸39、“T”型连接杆38、移动块37、挡块B36和“T”型定位板35、导向块34和挡块A33；气缸39与移动块37通过“T”型连接杆38相连用于驱动移动块37运动，挡块B36固定在移动块37上表面，导向块34与移动块37相邻，“T”型定位板35穿过导向块34且“T”口卡在移动块34内并受挡块B36驱动，挡块A33与导向块34分布于伺服送料装置的导轨两侧并相互对应将保险丝载具Ⅰ夹在中间。\n[0037] 如图7所示为所述的冲孔装置Ⅵ；其主要结构包括：电机40、传动装置和凸轮冲子机构Ⅱ，传动装置包括联轴器41和同步传送带42，凸轮冲子机构Ⅱ包括凸轮轴44、凸轮43、凸轮滚子46、连接杆47、固定块48和冲头组Ⅲ；电机40固定在支撑板B21上，电机40的输出轴与联轴器41相连，同步传送带42的输入轴通过联轴器41与电机40的输出轴固定，同步传送带42的输出轴为凸轮轴44，凸轮轴44通过支撑块45固定在支撑板B21上，3个凸轮43固定在凸轮轴44上，凸轮滚子46在凸轮43正下方与其接触，凸轮滚子46与其正下方的连接杆47通过轴相连，连接杆47下方连着固定块48，冲头组Ⅲ固定在固定块48下表面。在电机40带动下，凸轮43转动，相继带动凸轮冲子机构Ⅱ运动，每120°完成两个保险丝的冲孔工序，转动一圈后即冲完所有孔。\n[0038] 如图8所示为冲头组Ⅲ的结构示意图；每两个保险丝冲孔所需的冲头组Ⅲ由4根小孔冲头49、2根大孔冲头50，冲头组Ⅲ固定在固定块48上受一组凸轮冲子机构Ⅱ驱动，且冲头组Ⅲ的6根冲头的长度不一，大孔冲头50的两根冲头长度差为一个板料厚，且略大于小孔冲头49的4根冲头；小孔冲头49的4根冲头中外侧两根长度相等，内侧两根长度也相等，且内侧的两根冲头的长度短于外侧两根一个金属板厚。\n[0039] 如图9所示为所述的卸料装置Ⅶ；其主要结构包括：受PLC系统控制用于提供驱动力的气缸42、连接机构（包括连接杆40、连接板41等）、用于顶出保险丝载具Ⅰ的顶出机构（包括顶板39、顶杆38等）；连接机构将顶出机构和气缸固定在导轨上；包括气缸55、连接气缸55和导轨15的连接机构、用于顶料的顶杆51和顶板52，连接机构包括连接杆53和连接板54；气缸55位于最下端固定在连接板54上，连接板54通过连接杆53与正上方的伺服送料装置Ⅳ的导轨15相连，气缸55的主轴与其上方的顶板52相连，顶杆51固定在顶板\n52上受气缸55驱动用于顶起保险丝载具Ⅰ。\n[0040] 如图4、5、6、7、10所示，保险丝载具Ⅰ固定在伺服送料装置Ⅳ的拨料爪13上位于伺服送料装置Ⅳ的导轨15中，伺服送料装置Ⅳ中的导轨15穿过整个机构，其中冲孔装置Ⅵ和竖直方向定位装置Ⅴ-A处于导轨15正上方且冲孔装置Ⅵ位于竖直方向定位装置Ⅴ-A内部，水平方向定位装置Ⅴ-B分布在导轨15两侧且位于竖直方向定位装置Ⅴ-A正下方，卸料装置Ⅶ位于导轨15正下方且与冲孔装置Ⅵ以及定位夹紧装置Ⅴ对应；PLC控制系统Ⅷ与伺服送料装置Ⅳ中的伺服电机10、定位夹紧装置Ⅴ中的气缸18和39、冲孔装置Ⅵ中的电机40、卸料装置Ⅶ中的气缸55相连，用于控制它们的运动；由图10可知，该装置结构紧凑，最大化利用了空间。\n[0041] 如图11所示为控制系统示意图；该装置的伺服送料装置Ⅳ、定位夹紧装置Ⅴ、冲孔装置Ⅵ、卸料装置Ⅶ的运行都受PLC控制系统Ⅷ的控制。\n[0042] 本发明所述的一种用于保险丝冲孔的自动化装置，其具体工作流程如下：\n[0043] (1) 首先人工将6个保险丝3通过定位销8安装在保险丝载具基座7上，用“L”型压板9穿过导向槽5压紧保险丝3，使其在保险丝载具Ⅰ运动过程中不易掉落；然后，将装配好的保险丝载具Ⅰ放置在伺服送料装置Ⅳ的拨料爪13上；\n[0044] (2) 启动PLC控制系统Ⅷ，伺服送料装置Ⅳ的伺服电机10接收到控制系统发送的电信号后开始转动，通过减速器11变速后驱动皮带轮12转动、皮带轮12带动传送带14运动，从而带动拨料爪13和保险丝载具Ⅰ沿导轨向前运动，直到保险丝载具Ⅰ到达预设在定位夹紧装置Ⅴ正下方的加工位后，伺服电机10停止转动；\n[0045] (3) 在保险丝载具Ⅰ到达加工位后，定位夹紧装置Ⅴ开始运动；首先竖直方向定位装置Ⅴ-A的气缸18在接收到PLC控制系统Ⅷ的电信号后开始推动传动机构，包括“T”型连接杆26、连接板27、连接杆A28、滑动板29、连接杆B30和压板31，沿着导柱22向下运动，从而推动定位销32向下运动，通过保险丝载具Ⅰ的“L”型压板9上的定位孔4对保险丝载具Ⅰ进行水平方向位置限定；与此同时，水平方向定位装置Ⅴ-B的气缸39在PLC控制系统Ⅷ的指导下推动移动块37向前运动，进而带动挡块B36和“T”型定位板35向前运动，联合挡块A33通过对保险丝两端夹紧来定位保险丝载具Ⅰ；在完成定位后，竖直方向定位装置的气缸18继续运动，推动压板31对保险丝载具Ⅰ进行夹紧，为后续冲孔加工作准备；\n[0046] (4) 在对保险丝载具Ⅰ的定位夹紧完成后，冲孔装置Ⅵ接受PLC控制系统Ⅷ的电信号开始运动，电机40通过联轴器41驱动同步传送带42的输入轴，从而带动凸轮轴44转动，通过固定在凸轮轴44上的凸轮32使凸轮冲子机构Ⅱ形成竖直方向运动；由于3组凸轮\n43夹角为120°，将圆三等分，故凸轮轴44在转动中相继驱动凸轮冲子机构运动Ⅱ，每组凸轮冲子机构Ⅱ下行过程中完成一组两个保险丝的冲孔加工；且由于用于一组两个保险丝冲孔的冲头组Ⅲ固定在同一固定块48上且各冲头长度不一，故在冲孔过程中，大冲孔头50的两根冲头相继与金属片接触，继而小冲孔头49的4根冲头中外侧两根接触金属片，最后内侧两根冲头接触金属片，如此来先后完成1组2个保险丝上6个孔的冲裁；\n[0047] (5) 在完成6个保险丝的冲孔后，顶料装置Ⅶ的气缸55在PLC控制系统Ⅷ驱使下，推动顶板52和顶杆51向上运动，从而将保险丝载具Ⅰ顶出，便于后续保险丝载具Ⅰ移出加工位。