茶壺濾筒組裝機設計

熊長煒 莫天旭 虞曉瓊 趙健洲 劉志偉

摘 要：【目的】針對珠三角小企業(yè)茶壺濾筒生產現(xiàn)場人工用量較多、生產率較低和成本較高的實際情況，改進生產工藝流程以實現(xiàn)生產自動化?！痉椒ā吭O計茶壺濾筒組裝機的機械結構，采用振動篩輸送濾筒、底蓋和上蓋；設計濾筒輸送機構、濾筒往復送料機構、底蓋裝配機構、上蓋裝配機構、濾筒翻轉機構和焊接裝置?！窘Y果】經過裝配測試并改進完善，實現(xiàn)了茶壺濾筒生產自動化，并通過生產實踐檢驗?！窘Y論】該茶壺濾筒組裝機能減少小企業(yè)的員工數(shù)量，實現(xiàn)機器換人轉型升級，提高產品生產效率、產品質量和經濟效益，降低企業(yè)的生產成本，提升企業(yè)的市場競爭力。

關鍵詞：茶壺濾筒；組裝機；焊接

中圖分類號：TH122 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0035-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.007

Teapot Filter Cartridge Assembly Machine Design

XIONG Changwei1，3 MO Tianxu1，2 YU Xiaoqiong1，3 ZHAO Jianzhou4 LIU Zhiwei1，3

（1. Department of Intelligent Manufacturing， Dongguan Polytechnic， Dongguan 523808，China; 2. School of ?Mechanical Engineering， Dongguan University of Technology， Dongguan 523808，China; 3. Collaborative Innovation Center for Machine Vision and Intelligent Manufacturing， Dongguan Polytechnic， Dongguan 523808，China；4. Intelligent Manufacturing Skills Master Studio， Dongguan Polytechnic， Dongguan 523808，China）

Abstract： [Purposes] In view of the actual situation of large labor consumption， low productivity and high cost of teapot filter cartridge production site in small enterprises in the Pearl River Delta， the production process is improved to realize production automation. [Methods] ?The mechanical structure of the teapot filter cartridge assembly machine was designed. The vibrating screen was used to transport the filter cylinder， the bottom cover and the top cover.The filter cylinder conveying mechanism， the filter cylinder reciprocating feeding mechanism， the bottom cover assembly mechanism， the top cover assembly mechanism， the filter cylinder turnover mechanism and the welding device were designed.[Findings] After assembly testing and improvement， the automatic production of the teapot filter cartridge was realized and passed the production practice test. [Conclusions] It reduces the number of employees of small enterprises， realizes the transformation and upgrading of machine replacement， improves the production efficiency， product quality and economic benefits， reduces the production cost of enterprises， and improves the market competitiveness of enterprises.

Keywords： teapot filter cartridge; assembly machine; welding

0 引言

目前，小企業(yè)生產技術面臨各類問題，如效率低、質量低及成本高等。小企業(yè)機械自動化程度比較低，勞動成本較高，產品質量不高且不穩(wěn)定。筆者參考了自動化生產線的同類案例［1-4］，對茶壺濾筒生產的傳統(tǒng)工藝技術進行了探討，也對一些不合理的工藝路線進行改進，對茶壺濾筒生產流程進行優(yōu)化。本研究設計出茶壺濾筒生產設備的機械結構，實現(xiàn)茶壺濾筒生產自動化，縮短了生產周期，降低了人工勞動強度，并減少了用工數(shù)量，極大地提高了生產效率和產品質量，從而降低企業(yè)生產成本，保證企業(yè)的經濟效益，對提升企業(yè)自身的競爭力具有重要的意義。

1 茶壺濾筒組裝機的總體設計

1.1 組裝機的功能要求

茶壺的濾筒由茶壺濾網（濾筒的圓柱部分）、底蓋和上蓋組成，如圖1所示。

采用振動盤輸送濾網、底蓋和上蓋進行組裝，將濾網下端壓入底蓋后再將上蓋壓入濾網上端，接著把組裝的濾筒送入焊接工位進行焊接，焊接時由電機帶動濾筒轉動，焊槍對準連接處進行六點焊接，焊槍的位置固定不動。組裝機具體的總體布局如圖2所示。

1.2 總體布局設計

根據(jù)濾筒的組成零件及焊接等功能要求，對茶壺濾筒組裝機進行整體布局和機械結構系統(tǒng)設計。茶壺濾筒組裝機主要劃分為輸送線裝置、往復送料機構、底蓋裝配機構、上蓋裝配機構、濾筒翻轉機構和焊接機構裝置等六部分，如圖2所示。

2 機械結構詳細設計

2.1 濾筒輸送機構設計

輸送機構設計如圖3所示。動力鏈條皮帶輸送機構接收來自振動盤投放的濾筒，為了配合下一道工序底蓋送料機構、上蓋裝配機構的動作節(jié)拍，需要在此輸送環(huán)節(jié)對濾網按照固定100 mm間距進行平穩(wěn)有序的輸送。動力鏈條皮帶輸送機構為帶式輸送機，其寬度為100 mm的PVC輸送帶，輸送帶支撐方式為托輥支撐。以伺服電機作為驅動，通過鏈條驅動所有托輥向同一方向轉動前進而帶動輸送帶向前輸送濾筒。輸送帶上方設有濾筒限位機構，使濾網能夠保持直立狀態(tài)并讓濾筒輸送方向與往復運動機構卡爪抓取位置對正。

振動盤下料口設有傳感器，每投放一個濾筒后傳感器獲取信號反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過伺服電機驅動輸送帶向前運行100 mm后等待振動盤投放下一個濾網，以此類推保持濾網在輸送帶上按照100 mm等間距排列輸送至下一工序，往復運動機構的卡爪形狀再次對濾筒進行位置校正。

2.2 濾筒往復送料機構

送料機構如圖4所示。往復送料機構由左右對稱的兩部分組成。機構底座槽內安裝有滾珠絲杠，通過電機驅動絲杠旋轉，往復運動平臺可沿著縱向導軌移動，往復運動平臺與下方滾珠絲杠螺母固定連接，絲杠旋轉時絲杠螺母可帶動往復平臺運動，通過系統(tǒng)控制驅動電機來控制往復運動平臺運動的方向及距離。往復運動平臺上方安裝有夾緊氣缸和夾爪支架，夾爪支架上等間距安裝有4個卡爪，通過夾緊氣缸的伸縮可以帶動往復運動平臺及夾爪運動完成夾取和釋放動作。夾爪間距與濾筒間距保持100 mm，夾爪前段呈開口狀，大于濾筒直徑，可在夾取濾筒的同時對濾筒間距的偏差進行自動修正。

2.3 底蓋裝配機構

裝配機構如圖5所示。往復送料機構在底蓋裝配和上蓋裝配兩道工序中往復運行傳遞工件。當濾筒由動力鏈條皮帶輸送機構輸送至底蓋裝配機構前方時，往復送料機構向動力鏈條皮帶輸送機構移動并夾取4個濾網，夾取濾筒后往復送料機構向后運動將這4個濾網運送至底蓋裝配機構正下方預定工位。當傳感器檢測到底蓋存料振動盤下料口存在底蓋，回轉氣缸帶動底蓋抓取機構旋轉，抓取底蓋放料振動盤投放在緩存架上的底蓋，回轉氣缸反向旋轉90°使底蓋抓取機構對準濾筒并將底蓋平穩(wěn)投放至第一個濾筒上。往復運料機構繼續(xù)向后運動100 mm，此時底蓋抓取機構將底蓋安裝至第二個濾筒上。當傳感器檢測到濾筒上方存在底蓋時，下壓機構將第一個濾筒上的底蓋壓緊至濾筒底部。往復運料機構繼續(xù)向后運動完成第二個濾網的壓蓋動作后將兩個濾筒運送至頂蓋裝配機構進行下一工序——頂蓋的裝配。

2.4 上蓋裝配機構

濾筒經過底蓋裝配機構完成底蓋的安裝后，由往復送料機構運送至上蓋裝配機構，與上一道工序相似，本工序需要準確抓取上蓋并安裝在濾筒頂部。如圖6所示，往復送料機構作為底蓋裝配機構和上蓋裝配機構的共用部件，在兩道工序中往復運行傳遞工件。

濾網在底蓋裝配機構完成底蓋裝配后，經由往復送料機構輸送至上蓋裝配預定位置。上蓋存料振動盤投放上蓋至緩存架，當傳感器檢測到上蓋存料振動盤的上蓋緩存架存在上蓋，回轉氣缸旋轉使旋蓋機構正對緩存架，下壓氣缸伸出，旋蓋機構抓取上蓋后下壓氣缸收縮復位，回轉氣缸旋轉90°使旋蓋機構正對濾筒上方。下壓氣缸伸出帶動旋蓋機構將上蓋裝配至濾筒上方，同時旋蓋機構上的電機驅動抓手旋轉使上蓋旋進濾筒內與濾筒緊密配合。下壓氣缸收縮復位完成一次上蓋裝配并進入下一次上蓋裝配動作。上蓋裝配完成后由往復送料機構將組裝后的濾筒運送至下一工序進行濾芯的翻轉。

2.5 濾筒翻轉機構

濾筒經過前面工序完成了底蓋、上蓋的裝配工作，由于后方焊接工位焊接裝置的布置特點，需要將濾筒水平放置，因此設計了濾筒翻轉機構。如圖7所示，兩幅滾珠絲杠安裝在方架上方，通過電機驅動絲杠旋轉，絲杠螺母安裝在運動平臺上方，滾珠絲杠可帶動運動平臺沿絲杠軸向做往復運動。運動平臺分為上下兩層，上層與絲杠螺母固定連接，運動平臺上層安裝有導向柱和氣缸。運動平臺下層安裝在導向柱上，通過氣缸伸縮驅動可沿導向柱做豎直方向往復運動。運動平臺下層安裝有回轉氣缸，回轉氣缸末端安裝有電機和抓手，回轉氣缸旋轉可驅動電機及抓手做翻轉運動，電機驅動凸輪軸旋轉可帶動抓手的開合。

上一步工序中濾網上蓋裝配完成，往復運料機構向前移動將裝配好的濾筒運送至翻轉機構下方，氣缸伸出使抓手向下運動，同時電機旋轉讓抓手打開，到達濾筒位置后電機轉動使抓手閉合抓取濾筒，氣缸收縮使抓手升高。此時，回轉氣缸旋轉90°，帶動抓手及濾筒旋轉，濾筒的姿態(tài)由豎直變?yōu)樗健４藭r，絲杠旋轉帶動運動平臺上所有部件及濾筒向后移動至輸送帶上方，氣缸伸出使抓手向下運動，電機旋轉使抓手打開將濾筒放置到輸送帶上。輸送帶運行將濾筒輸送至下一工位進行點焊作業(yè)。

2.6 焊接裝置機構

濾筒被輸送帶水平輸送至點焊機下方。此時需要將濾筒安裝到點焊機定位模具上以方便焊接，焊接完成后需要將濾筒取下運送至成品料箱，完成濾筒的制作過程。為了實現(xiàn)上述工作設計一套點焊裝置，如圖8所示。來料輸送機位于工位的前端，成品輸送機位于工作位的末端，點焊搬運機構位于工位的中心位置，點焊搬運機構一側為2臺精密點焊機，下方設置2套點焊送料機構。特別說明的是，為了保持機構動作協(xié)調一致，2套點焊送料機構、2臺精密點焊機的布置間距與點焊搬運機構的抓手間距相同，可實現(xiàn)2臺點焊機工作的動作同時進行，提高生產效率。

點焊搬運機構如圖9所示。點焊搬運裝置以龍門框架作為基礎，上方設有縱向和橫向運動模組，橫向運動模組與縱向運動裝置的絲桿螺母固定連接，縱向運動機構可以帶動橫向運動機構及其附屬部件沿縱向往復運動。橫向運動機構的絲杠螺母與回轉氣缸固定連接，回轉氣缸下方安裝有一對抓手，橫向運動機構的絲桿可以帶動回轉氣缸及抓手沿橫向往復運動。抓手負責抓取和釋放濾筒。

點焊送料機構如圖10所示。底座內安裝有由電機驅動的絲杠，絲杠螺母與運動平臺固定連接。運動平臺上方設有4根立柱，立柱頂端固定有V形槽支架，V形槽支架下方運動平臺上傾斜安裝一根導軌。導軌滑塊上安裝有旋轉裝置，旋轉裝置包含電機及轉輪，通過電機驅動轉輪旋轉對濾筒焊口進行旋轉，旋轉裝置通過氣缸驅動可沿軌道方向前后運動。

濾筒裝配完成后經由來料輸送機輸送至點焊搬運機構下方。系統(tǒng)控制點焊搬運機構抓取濾筒移動至第一焊接工位，此時第一焊接工位的點焊送料機構的運動平臺移動至最后端為等待狀態(tài)。點焊搬運機構將濾筒放置到V形槽支架上。此時，系統(tǒng)控制點焊送料機構將運動平臺連同濾筒向前移動，濾筒的高度與精密點焊機定位模具一致，濾筒被推至定位模具上，精密點焊機開始對頂蓋位置進行施焊，同時點焊送料機構上的打磨裝置在氣缸推動下沿斜軌道向前靠近濾筒對濾筒焊點進行打磨。焊接完成后點焊送料機構向后退回初始位置。點焊搬運機構會將制作完成的濾筒搬運至成品輸送機，然后返回繼續(xù)執(zhí)行下一生產循環(huán)的工作，成品輸送機將濾筒輸送至末端經過下料溜槽落入成品料斗內，至此濾筒的整套裝配及焊接工作完成。

3 結語

本研究在分析茶壺濾筒手工生產工藝缺陷的基礎上，按照茶壺濾筒自動化組裝機功能要求，完成對茶壺濾筒組裝機機械結構的設計，較好地實現(xiàn)了組裝功能。經過多次實際生產調試，企業(yè)將組裝機投入生產使用，可減少用工數(shù)量，提高生產效率和產品質量，降低生產成本。但是茶壺濾筒的設計還可進一步優(yōu)化，可以進一步改進生產工藝，將濾筒和上蓋做成一體，再將缺口焊接和打磨制成成品，這些都有待后續(xù)進一步研究。

參考文獻：

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