科普利高中的自动化成功

Innovator团队在科普利高中俄亥俄州阿克伦市(Akron, Ohio)的一名工程师需要为Weaver proak公司设计一种能将帽子合在一起的设备，这家公司雇佣残疾人已有40年左右的历史。在现有的组装方法下，韦弗很难满足生产和合同对组件组装的要求。

作为来源美国2017设计挑战赛来自Copley高中的Copley Innovators与Weaver ProPak合作设计了一台名为Delta Snap的机器，它可以轻松高效地将研磨胶囊和顶部组装成食品行业的盐和胡椒研磨盖。Copley Innovators在这次全国竞赛中获得了第二名(图1)。

据其网站(www.sourceamerica.org)介绍，SourceAmerica设计挑战赛是一项全国性的工程竞赛，参赛者为残疾人创造创新的工作场所技术。

这个问题

最初的过程需要将顶帽与帽的研磨机胶囊部分合在一起，并轻轻地将完成的组装放入盒子中。这个过程看起来很简单，但当零件组装在一起时，它们会发出一声咔嗒声，就好像它们组装好了一样，但通常需要另一声咔嗒声才能将零件完全固定。而且，把零件扔进盒子里会导致一些零件脱落。

Copley Innovators参观了Weaver proak，并与员工主题专家以及负责研磨机帽组装、包装和质量控制的运营经理进行了交谈(在http://awgo.to/deltasnap上观看这些采访和开发技术的视频)。参观结束后，团队聚集在一起集思广益，讨论如何设计和构建半自动化流程来解决Weaver的生产和质量问题。团队决定将工作分成不同的工作，如指定零件、编程自动化系统和构建机器。

Copley团队考虑将零件固定在托盘上，并在零件上滚动一个大桶以固定盖子，但这个原型辊/压力机工具仍然不能正确关闭盖子。然后设计并制造了一台原型压力机，由一个安装在块上的气缸组成，用于将盖子合在一起。

解决方案

虽然原型机可以工作，但对操作人员来说并不安全。根据从原型测试中学到的知识，团队聚集在一起，设计了一个更大、更安全、更复杂的最终原型机，以帮助Weaver Industries组装磨床帽。这种机器的设计不需要操作者的力量和灵巧。

最终的原型机一次组装六个盖子(图2)。操作员将顶部和底部的盖子预装在一起，形成六个巢，并按下双防扎按钮开始循环，确保操作员的手远离机器。然后，机器在六个压缸下延伸零件巢。一旦巢被定位，压筒延伸和压在一起的顶部和底部的盖子。

然后压力机气缸缩回，另外两个气缸打开压力机下面的一扇门。这将打开巢的底部，将组装好的盖子放入盒子中。然后舱门关闭，空巢返回到装载位置，完成一个由六个部件组成的组装周期。然后操作员重复这个循环。

控制硬件，编程和气动

所使用的大部分控制和气动系统是由AutomationDirect。他们过去曾与Copley合作过，几乎是所有控制硬件的单一来源供应商。在设计、组装和编程时，他们的技术支持也给了我很大的帮助。

使用了AutomationDirect CLICK Basic可编程逻辑控制器(PLC)，因为它非常适合这种尺寸和复杂性的机器。配套的CLICK电源提供所需的24 VDC控制电源。一个16点，24 VDC离散输入和一个16点，24 VDC离散输出模块连接到PLC来监视和控制I/O。

从AutomationDirect的在线商店下载了免费的CLICK编程软件来对机器序列进行编程。所有团队成员都参与了PLC编程，提供了一个很好的学习经验。团队成员在此过程中犯了一些错误，但最终，机器序列按照设计工作。

AutomationDirect提供大部分气动硬件，包括气缸，螺线管，阀门，配件和管道。单螺线管，四通，两个位置，弹簧复位NITRA电磁阀与¼英寸FNPT入口和出口用于控制机器上的九个气缸。这些阀门由PLC的24个VDC输出操作，通过11毫米din式接线插头连接，阀门操作NITRA气动气缸。

大多数汽缸是3英寸冲程的3 / 4英寸缸径。这些是双作用气缸，需要空气伸展和收缩，与磁性活塞。NITRA固态气缸位置开关检测气缸内磁性活塞的位置，以确保完整的按压循环到防错帽组件。

磁传感器被设置为特定的帽高度(图3)。只有当帽和磨床胶囊都是右向上并正确定位在零件套中，才能达到压力机气缸的全行程。所有其他零件的位置限制冲床气缸的行程，因此传感器不检测活塞，触发错误序列，并导致安装在零件套上的红灯打开。

操作

这台机器操作简单，只需要很少的培训。它是轮椅可及的，两个帽部都在机器操作员可及的范围内。

操作员界面面板显示机器的状态。有一个四位数的显示，可以计算组装的部件，以及填满一个盒子需要多少分钟。红色和绿色的灯嵌入在机器的零件巢中。在巢处的红灯表示盖子未正确放置在机器中，在巢处的绿灯表示盖子已正确放置。当箱体零件数达到834件的最大值时，绿色指示灯闪烁，表示需要将满箱拆下，放入新的箱体。

最初的工艺可能会导致疲劳，而且可能会出现夹点，但新款Delta Snap机器的设计更安全，也更符合人体工程学。这台机器只能由管理员通过一个钥匙开关打开。机器的双掌心按钮保护操作员的手，确保两个按钮都被按下，夹具才能延伸到压缸下。还有一个紧急停止按钮和一个空气转储阀，以停止机器的运动。

对工作场所的影响

操作员非常喜欢这台机器。这就像在玩游戏;丢下一套胶囊和药帽，马上出发。操作人员说，他们的手不会累，这在需要手动将部件组装在一起时是个问题。

该机器超出了Weaver ProPak的所有需求，并帮助确保了装配磨床帽的合同仍然有效。解决了韦弗公司的质量控制问题，即不能正确地将帽套在研磨胶囊上。该机器还降低了缺陷率和质量控制检查。管理者不再需要提供第二次检查组装帽，并且组装缺陷率从16%降低到接近于零。

效率也大大提高。一位操作员第一次使用新的台达Snap机器时，生产率提高了80%，她已经组装磨床帽两年了。这一改进为每个订单节省了78个操作小时。

SourceAmerica设计挑战赛对团队中的每个人来说都是一次很棒的经历。他们从零开始，对机器自动化一无所知，最终为Weaver proak及其员工建造了一台有用的机器。该团队学习了如何订购零件，编程plc和气动工作。他们还学会了如何使用工具，如带锯和钻床，以及攻孔和焊接电线。最重要的是，团队完成了一个现实生活中的工程项目，他们必须定义一个问题，集思广益，并构建一个机器来提供解决方案。

最大的赢家是Weaver proak的员工。现在，每位员工都喜欢使用高效的半自动Delta Snap机器，而不是因耗时的手工组装而使操作人员受伤和疲劳。