Urządzenie do podawania i orientacji kartuszy z tworzywa sztucznego

Urzàdzenie do podawania i orientacji kartuszy
z tworzywa sztucznego
Device for feeding and orientation of the plastic
tube-cartridge
KRZYSZTOF GALI¡SKI
GRZEGORZ ORO¡
ZBIGNIEW URBAÂ
Streszczenie: W artykule opisano jeden ze sposobów specjalistycznego podawania elementu kartusz-tuba. Przedstawiono
sposób podawania i orientacji elementu o nietypowych wymiarach. Stosunek d∏ugoÊci tuby do jej Êrednicy wynosi 1:5.
To powoduje, ˝e element taki nie mo˝e byç podawany klasycznymi metodami za pomocà podajników wibracyjnych.
Do zrealizowania operacji podawania i orientacji elementu zaprojektowano, wykonano i wdro˝ono niezale˝ne urzàdzenie.
S∏owa kluczowe: kartusz-tuba, czujnik optyczny, orientacja elementów
Abstract: The paper describes one way of specialized feeding of tube-cartridge element. Method of feeding and orientation of the element with non-standard dimensions was presented. The ratio of tube length to its diameter is 1:5. Consequently, the element can not be feeding using conventional methods with vibratory bowls feeders. To complete the action
of the component orientation independent device was designed, performed and implemented.
Keywords: tube-cartridge, optical sensor, orientation of the elements
W zautomatyzowanych procesach przemys∏owych
na szerokà skal´ wykorzystywane sà wibracyjne
systemy podawania i orientacji drobnych cz´Êci.
Prawie 80% aplikacji podawania przedmiotów stanowià podajniki wibracyjne. Jednak nie wszystkie
elementy mogà byç podawane w sposób wibracyjny.
Ten sposób podawania dotyczy elementów o kszta∏cie jednorodnym, tzn. takim, w którym trudno jest
wyodr´bniç jedno ustawienie, do którego element
zachowujàcy si´ swobodnie dà˝y w sposób naturalny. Przyk∏adem takiego elementu mo˝e byç szeÊcienna kostka. Problem podawania wibracyjnego
dotyczy równie˝ grupy cz´Êci, w której d∏ugoÊç i wymiary poboczne ró˝nià si´ znaczàco, np. o co najmniej
10 razy. Przyk∏adami takich cz´Êci sà elementy d∏ugie i smuk∏e [1, 2], jak rurki i pr´ty oraz niskie i p∏askie, np. p∏ytki. Je˝eli w procesie technologicznym
kszta∏t przedmiotu nie ma bardzo istotnego znaczenia, zazwyczaj przeprojektowuje si´ element tak,
aby mo˝na by∏o zastosowaç do jego podawania
i orientacji podajniki wibracyjne. Jednak w wi´kszoÊci
rozwiàzaƒ, ingerencja w kszta∏t podawanego elementu jest niemo˝liwa. W takich przypadkach stosuje si´ specjalistyczne systemy podawania i orientacji cz´Êci, projektowane i wytwarzane konkretnie
do danego elementu. Specjalizowane metody podawania i orientacji sà zawsze rozwiàzaniami innowaMgr in˝. Krzysztof Galiƒski – IMBGiS, ul. Mrówcza 243,
04-697 Warszawa, e-mail:k.galinski@imbigs;mgr in˝. Grzegorz Oroƒ – IMBGiS, ul. Mrówcza 243, 04-697 Warszawa,
e-mail:[email protected]; in˝. Zbigniew UrbaÊ – IMBGiS,
ul. Mrówcza 243, 04-697 Warszawa, e-mail: z.urbas@imbigs.
ROK WYD. LXXII 앫 ZESZYT 4/2013
cyjnymi. Ka˝dy projekt, wykonanie oraz wdro˝enie
takiego uk∏adu jest osobnym rozwiàzaniem konstrukcyjnym, przygotowanym specjalnie dla konkretnego elementu.
Przedmiot podawany
Reprezentantem grupy przedmiotów wymagajàcych orientacji specjalizowanej jest kartusz-tuba
z tworzywa sztucznego (rys. 1). W zak∏adzie BZ IMBiGS
Rys. 1. Kartusz-tuba wraz z wymiarami – przyk∏ad nietypowej
cz´Êci do podawania, element d∏ugi i smuk∏y
podj´to si´ opracowania koncepcji i opracowania
konstrukcji automatu do podawania i orientacji kartuszy o wydajnoÊci na poziomie 110 – 120 sztuk na
minut´. W opracowaniu koncepcji orientacji zosta∏a
wykorzystana specyfika konstrukcji kartuszy [2]. Kartusz jest to pojemnik w kszta∏cie cienkoÊciennego walca, wykonany z tworzywa sztucznego. Z jednej
27
strony ma zakoƒczenie gwintowe umo˝liwiajàce zamontowanie aplikatora, z drugiej strony jest otwarty
niemal na ca∏ej d∏ugoÊci cz´Êci walcowej. Orientacyjne wymiary kartuszy: Êrednica oko∏o 49 mm,
ca∏kowita d∏ugoÊç do 230 mm.
Wymagana pozycja podawania
Podawany kartusz nale˝y do grupy elementów
d∏ugich i smuk∏ych. Stosunek jego d∏ugoÊci do Êrednicy wynosi w przybli˝eniu 1:5. Ten niekorzystny
stosunek powoduje, ˝e nie jest mo˝liwe zastosowanie wibracyjnego systemu podawania do zorientowania kartuszy. Dodatkowo, koƒcowa, wymagana
pozycja wyjÊciowa elementu zosta∏a jednoznacznie
okreÊlona (rys. 2).
Rys. 2. Wymagana pozycja wyjÊciowa orientowanych tub
– tuby le˝à na bie˝ni jedna za drugà, wszystkie wypustem
skierowane w jednà stron´
Tuby powinny zostaç zorientowane w pozycji
poziomej na bie˝ni, cz´Êcià z wypustem skierowane
w jednà stron´. Jest to jedyna dopuszczalna pozycja
wyjÊciowa kartuszy, ka˝da inna ma byç sygnalizowana
jako b∏àd.
Wybór koncepcji
Naturalnà pozycjà, w której element sam próbuje
si´ ustawiç, jest pozycja pozioma. Tuby sà zasypywane luêno do kosza zasypowego i wybierane za
pomocà prostego systemu transportera szczebelkowego (rys. 3).
Transporter szczebelkowy doprowadza kartusze
do transportera taÊmowego w pozycji poziomej. Tuby
w sposób naturalny tworzà kolejk´ (rys. 4). W kolejce
poszczególne tuby zajmujà losowo pozycj´ wypustem
do przodu lub wypustem do ty∏u. Jest to niedopuszczalne dla przebiegu ciàgu technologicznego,
poniewa˝ dozwolonà pozycjà wyjÊciowà jest tylko
pozycja wypustem do przodu.
Pierwszym narzucajàcym si´ rozwiàzaniem jest
zastosowanie separacji elementów zorientowanych
b∏´dnie, czyli wypustem do ty∏u [1 – 3]. Urzàdzenie
dzia∏a∏oby wtedy na zasadzie uk∏adu ze sprz´˝eniem
zwrotnym. Tuby w kolejce na transporterze ustawione
prawid∏owo (wypustem do przodu) by∏yby przekazywane dalej do nast´pnego urzàdzenia w ciàgu
technologicznym. Tuby w kolejce ustawione nieprawid∏owo (wypustem do ty∏u) by∏yby z powrotem
przekazywane do kosza zasypowego i ponownie wybierane przez transporter szczebelkowy tak d∏ugo,
dopóki w naturalny sposób nie zajmà prawid∏owej
pozycji w kolejce.
Jak wspomniano wczeÊniej, tuby sà wybierane
z kosza zasypowego przez transporter szczebelkowy
w sposób ca∏kowicie przypadkowy. W skrajnym
przypadku mo˝e dojÊç do sytuacji, w której kolejka
tub na transporterze taÊmowym b´dzie z∏o˝ona
wy∏àcznie z kartuszy zorientowanych w sposób nieprawid∏owy. Taka sytuacja powoduje znaczàcy spadek wydajnoÊci urzàdzenia poni˝ej wymaganego
poziomu, to jest 110 sztuk kartuszy na minut´. Dlatego
koncepcja separacji elementów b∏´dnie zorientowanych nie mog∏a zostaç zastosowana w opisywanej
aplikacji. Aby utrzymaç ˝àdanà wydajnoÊç pracy
orientownika, tuby ustawione nieprawid∏owo muszà
zmieniç swoje po∏o˝enie, jednoczeÊnie nie trafiajàc
z powrotem do kosza zasypowego. Konieczne okaza∏o
si´ opracowanie takiego mechanizmu wykrywania
i odwracania elementów zorientowanych nieprawid∏owo, który nie wp∏ywa∏by negatywnie na wydajnoÊç urzàdzenia.
Rozwiàzanie koƒcowe
Rys. 3. Kosz zasypowy, do którego luêno wsypuje si´ tuby wraz
ze szczebelkowym transporterem do ich wybierania
G∏ównym szczegó∏em odró˝niajàcym przód tuby
od tylnej cz´Êci jest nagwintowany wypust (rys. 1).
W opracowanym rozwiàzaniu wypust ten zosta∏
wykorzystany jako element wyró˝niajàcy. Metoda
detekcji sposobu ustawienia tuby w kolejce opiera
si´ na wychwyceniu obecnoÊci wypustu. Element
zorientowany prawid∏owo, czyli wypustem do przodu,
jest od razu przekazywany do nast´pnego etapu
monta˝u w linii. Element zorientowany nieprawid∏o-
Rys. 4. Widok kolejki elementów
transporterze liniowym po wybraniu
z kosza zasypowego, tuby zajmujà
sowo pozycj´ wypustem do przodu
wypustem do ty∏u
28
ROK WYD. LXXII 앫 ZESZYT 4/2013
na
ich
lolub
wo zostaje wrzucony w specjalnie ukszta∏towanà
obrotnic´, gdzie jest odwracany o 180 o i nast´pnie
przekazywany do dalszego monta˝u.
Opis rozwiàzania
Istotà pomys∏u jest wykorzystanie dwóch czujników
optycznych odbiciowych wykrywajàcych kraw´dê
kartuszy C1 i C2. Czujniki umieszczone sà w jednej
p∏aszczyênie, prostopad∏ej do osi elementu. Kartusze
sà przesuwane przed czo∏ami czujników z okreÊlonà
pr´dkoÊcià. Mierzàc ró˝nic´ w czasie pojawienia si´
sygna∏u jednego i drugiego czujnika, otrzymuje si´
informacj´ o ich faktycznym zorientowaniu. Sytuacja
jest przedstawiona na rys. 5.
Rozwiàzanie fizyczne zosta∏o przedstawione na
rys. 6. Kartusze trafiajà na transporter taÊmowy 1.
Elementy sà osiowo zorientowane w uk∏adzie tuba
za tubà. Sorter wyposa˝ony jest w uk∏ad liniowego
formowania zestawu dwóch lub trzech kartuszy.
Szybki transporter taÊmowy z uformowanym korytarzem – rynnà 3, przemieszcza kartusze K1-Kn do
uk∏adu separatora, którego zadaniem jest ich rozdzielenie z przerwà liniowà oko∏o 30 – 40 mm. Separator 2 jest wykonany w postaci si∏ownika, który
zatrzymuje ciàg kartuszy pojawiajàcych si´ od strony
sortera, a uruchamiany jest parà optycznych czujników odbiciowych 4 i 4’. Ka˝de pojawienie si´
sygna∏u z dowolnego z czujników uruchamia separator. Dalej znajdujà si´ dwie rynny, w które wpadajà odpowiednio zorientowane kartusze. Rynna
p∏aska 6 przeznaczona jest dla transportu kartuszy
prawid∏owo zorientowanych, rynna ko∏owa 7 przeznaczona jest dla kartuszy o orientacji odwrotnej do
wymaganej. Kartusze z obu rynien spadajà, w odpowiednich miejscach, na transporter ∏aƒcuchowy
z poliamidowymi pr´tami okràg∏ymi. Uk∏ad bufora
(poz. 8) powoduje bezkolizyjne mieszanie cz´Êci z obu
torów.
Rys. 5. Zasada detekcji kartusza zorientowanego prawid∏owo oraz zorientowanego nieprawid∏owo: C1, C2 – czujniki
optyczne, 1 – tuba zorientowana prawid∏owo, która zas∏ania
tylko jeden czujnik na poczàtku pomiaru, 2 – tuba zorientowana prawid∏owo, zas∏ania tylko jeden czujnik na koƒcu
pomiaru po up∏ywie czasu t1, 3 – tuba zorientowana
nieprawid∏owo, zas∏ania obydwa czujniki zarówno na poczàtku,
jak i na koƒcu pomiaru
Czujniki optyczne C1 i C2 sà umieszczone w p∏aszczyênie prostopad∏ej do osi elementu, jeden na
drugim w odleg∏oÊci mniejszej od po∏owy Êrednicy
tuby, np. 15 – 20 mm. OÊ optyczna czujnika C1 jest
umieszczona ponad osià tuby, natomiast oÊ optyczna czujnika C2 jest dok∏adnie na wysokoÊci osi
tuby. Tuba-kartusz porusza si´ z pr´dkoÊcià oko∏o
800 mm/sekund´ prostopadle do p∏aszczyzny czujników. Wyst´pujà dwa przypadki: tuba przesuwa
si´ koƒcówkà gwintowanà do przodu poz. 1 i 2
– czujnik C2 (ustawiony w osi elementu) wysy∏a
sygna∏ pojawienia si´ obiektu, natomiast sygna∏
z czujnika C1 (ustawiony ponad osià elementu) pojawi
si´ po czasie t1 = 0,02 sek. Przypadek drugi, poz. 3:
tuba przecina p∏askim dnem p∏aszczyzn´ osi czujników w tym samym czasie t1 = 0 sek. Uzyskana ró˝nica
pozwala sterownikowi podjàç stosowne dzia∏ania
majàce na celu oddzielenie kartuszy na dwa osobne
tory, w zale˝noÊci od zorientowania. Rozwiàzanie
zosta∏o przetestowane na transporterze taÊmowym.
Wyniki testów pozwoli∏y na okreÊlenie dalszych
wytycznych do konstrukcji. Przy u˝yciu programu in˝ynierskiego SolidWorks z pakietem dodatkowym
Motion, przeprowadzono symulacje komputerowe [3]
ruchów kartuszy w wybranych w´z∏ach.
ROK WYD. LXXII 앫 ZESZYT 4/2013
Rys. 6. Urzàdzenie wraz z orientownikiem do podawania kartuszy w jednej, ÊciÊle okreÊlonej pozycji: 1 – transporter
taÊmowy, 2 – separator, 3 – rynna, 4 i 4’ – czujniki optyczne,
5 i 5’ – dysza nadmuchowa, 6 – rynna p∏aska, 7 – rynna ko∏owa,
8 – bufor, K1-Kn – orientowane kartusze
Zespó∏ czujników optycznych 4 i 4’ wykrywa kierunek osiowego zorientowania kartuszy. Zespó∏ sk∏ada si´ z dwóch czujników optycznych odbiciowych
z ustawionà krótkà strefà dzia∏ania. Ka˝dorazowe
wykrycie elementu powoduje uruchomienie separatora 2, który je oddziela. Taka separacja u∏atwia
dalsze zmiany toru ruchu kartuszy. Nast´pnie sygna∏y
z czujników sà analizowane przez sterownik PLC.
Dokonywana jest analiza ró˝nicy czasów pojawienia
si´ sygna∏ów z czujników. Czujnik razem ze sterownikiem PLC sterujà nadmuchem powietrza ukierunkowanym dyszami 5 i 5’.
29
Istotà pomys∏u jest wykorzystanie sygna∏ów pochodzàcych z czujników optycznych (rys. 7). Sygna∏y
wysy∏ane przez czujniki 4 i 4’ sà analizowane przez
sterownik PLC. Programowo ustawione sà dwie
bramki czasowe. Je˝eli ró˝nica pomi´dzy sygna∏ami
mików ruchu stabilizuje go w trakcie ruchu w rynnie.
Kolejne tak skierowane kartusze zsuwajà si´ grawitacyjnie do bufora, gdzie mieszajà si´ z elementami
z drugiego toru.
Je˝eli ró˝nica pomi´dzy sygna∏ami z czujników
mieÊci si´ w „du˝ym” przedziale czasu, element uznawany jest za nieprawid∏owo zorientowany i przemieszcza si´ dalej swobodnie po transporterze (rys. 9
i 10). Kartusz jest kierowany do rynny ko∏owej 6
Rys. 7. Ró˝nica dzia∏ania czujników optycznych w przypadku tuby dobrze zorientowanej i êle zorientowanej: 4,4' – czujniki optyczne, A – sytuacja tuby zorientowanej prawid∏owo,
czujnik 4 zakryty, czujnik 4' niezakryty, B – sytuacja tuby zorientowanej nieprawid∏owo, czujniki 4 i 4’ niezakryte
mieÊci si´ w „ma∏ym” przedziale czasu, wtedy kartusz uznany jest za prawid∏owo zorientowany i uruchamiany jest dop∏yw powietrza do dwóch dysz 5
(rys. 8) zamontowanych po obu stronach czujników. Kartusz jest zdmuchiwany do rynny p∏askiej.
Odpowiednio zamontowany uk∏ad kierownic i t∏u-
Rys. 10. Widok ca∏ego zespo∏u orientacji i podawania kartuszy
i spadajàc w niej obraca si´ o 180 stopni w p∏aszczyênie pionowej, uzyskujàc tym samym po˝àdanà
orientacj´. Odpowiednio zamontowany uk∏ad kierownic i t∏umików ruchu stabilizuje go w trakcie ruchu.
Kolejne tak skierowane kartusze zsuwajà si´ grawitacyjnie na transporter szczebelkowy, gdzie mieszajà si´ z elementami z pierwszego toru.
Podsumowanie
Rys. 8. Metoda zrzucania prawid∏owo zorientowanych kartuszy
do bufora: 4 – czujnik optyczny, 5 i 5' – dysze nadmuchowe
Przedstawione w artykule urzàdzenie zosta∏o w ca∏oÊci wdro˝one w zak∏adzie produkcyjnym opakowaƒ
typu kartusze-tuby. Jest ono przyk∏adem konstrukcji
systemu podawania opracowanej dla elementów, do
których podawania ze wzgl´du na ich wymiary nie
mogà byç stosowane podajniki wibracyjne. W zaprezentowanym przypadku zasada dzia∏ania oraz
konstrukcja orientownika jest bardzo prosta. Najtrudniejszà cz´Êcià pracy by∏o stworzenie koncepcji,
która zapewnia∏aby tanie oraz pewne rozwiàzanie
problemu.
LITERATURA
1. Piwko J., Pikus A.: Za∏o˝enia typizacji i unifikacji urzàdzeƒ
do podawania i orientacji cz´Êci. Praca Tekoma nr A-3213,
Warszawa 1982.
2. Oroƒ G., Galiƒski K.: Symulacja ruchu przedmiotów w podajniku wibracyjnym za pomocà oprogramowania SolidWorks. Technologia i Automatyzacja Monta˝u nr 3, 2011.
Rys. 9. Widok g∏ównego orientownika dla kartuszy zorientowanych nieprawid∏owo: 6 – rynna ko∏owa
30
3. Oroƒ G., Galiƒski K: Symulacja ruchu detalu i wyznaczanie
ograniczeƒ programowych. Korekta parametrów symulacji
i kolejne przybli˝enia w procesie symulacji. Praca IMBiGS
nr 13167/BZ, Warszawa 2011.
ROK WYD. LXXII 앫 ZESZYT 4/2013