孟玉明，華順明，王曉軍，張雷，陳俊華

（1.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100）

0 引言

鎮(zhèn)流器是日光燈上起限流作用和產(chǎn)生瞬間高壓的設(shè)備，由E 片、I 片、線圈、調(diào)磁通鋁條、底板和外殼等部分構(gòu)成。其核心部件為在疊層矽鋼片上繞制絕緣漆包線而成的鐵芯線圈。

目前，鎮(zhèn)流器裝配工作絕大部分均由手工完成，存在生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量分散、生產(chǎn)成本高等問題。而采用自動(dòng)裝配線生產(chǎn)鎮(zhèn)流器，不僅質(zhì)量一致性好、生產(chǎn)效率高，而且可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品電磁參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量、產(chǎn)品自動(dòng)分揀以及生產(chǎn)過程統(tǒng)計(jì)與故障監(jiān)測(cè)，大幅度減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效益，改善生產(chǎn)環(huán)境［1］。

圖1 鎮(zhèn)流器及其主要元件

圖2 鎮(zhèn)流器環(huán)形自動(dòng)線布局

圖1 所示為企業(yè)委托的某型號(hào)鎮(zhèn)流器及其主要元件照片。其手工裝配工藝流程為：線圈置于夾具→E 片定長(zhǎng)分組→E 片成組壓入線圈（開口向下手錘敲入）→翻轉(zhuǎn)→放置鋁條→壓力機(jī)壓I 片→電檢→分揀。手工完成這一系列裝配動(dòng)作大約需要7～8 名工人，勞動(dòng)強(qiáng)度和密集度均較大。

針對(duì)該型鎮(zhèn)流器主要零件的具體結(jié)構(gòu)和裝配工藝流程特點(diǎn)，本文討論研發(fā)一種鎮(zhèn)流器自動(dòng)裝配線。通常的自動(dòng)線布局為線型或環(huán)型兩種，前者整條自動(dòng)線直線分布，平移由步進(jìn)電機(jī)加齒輪齒條實(shí)現(xiàn)，升降由步進(jìn)電機(jī)加絲杠和直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)；后者整條生產(chǎn)線環(huán)形分布，在圓周上均布6 個(gè)工位，裝配、檢測(cè)、分類通過氣缸的順序動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。在分析機(jī)械裝置的占地空間和簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，最終確定生產(chǎn)線采用環(huán)形［2］，如圖2 所示。工位1～6 分別完成E 片進(jìn)料壓裝、線圈進(jìn)料壓裝、鋁條定長(zhǎng)截?cái)喟卜?、I 片進(jìn)料壓裝、電磁參數(shù)檢測(cè)、產(chǎn)品下料分揀。

1 總體設(shè)計(jì)

環(huán)形鎮(zhèn)流器自動(dòng)裝配線轉(zhuǎn)臺(tái)直徑1 200 mm，臺(tái)面高度750 mm，主要包括六工位分割器、隨行夾具、各工位裝配頭、專用電磁參數(shù)測(cè)量?jī)x、帶式輸送機(jī)及電氣控制系統(tǒng)等，絕大部分執(zhí)行器為氣動(dòng)執(zhí)行元件，PLC 控制。

采用Pro/E 軟件進(jìn)行零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)及自動(dòng)裝配［3-4］，其自動(dòng)裝配線主要組成部分如圖3 所示。生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計(jì)為6 s，其中轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)間為2 s，在各工位停留時(shí)間為4s。轉(zhuǎn)臺(tái)按照E 片→線圈→鋁條→I 片→檢測(cè)→下料的裝配順序通過各工位，自動(dòng)完成產(chǎn)品預(yù)定的全部裝配、測(cè)量和分揀過程。

圖3 鎮(zhèn)流器自動(dòng)裝配線組成

2 E 片自動(dòng)進(jìn)料與壓裝工藝分析

本產(chǎn)品E 片為0.5 mm 厚矽鋼片，由高速壓機(jī)連續(xù)沖壓而成，其形狀及尺寸如圖4 所示。裝配前來料為隊(duì)列散片，裝配過程需要完成如下過程：1）補(bǔ)料。工人每次以整列方式上料至料倉，每列1105±2 片，放10 列（即設(shè)計(jì)人工上料間隔為9～10 min）；2）推料。將第1 列自料倉間歇推出至進(jìn)料道；3）分料。從進(jìn)料道分選109～110 片（即總長(zhǎng)為54.5～55 mm，誤差為1 片厚度），推至待裝配區(qū)；4）壓裝。將E 片壓入隨行夾具。顯然，本工位裝配動(dòng)作多且精度要求高，能否可靠、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)，是自動(dòng)線能否成功的關(guān)鍵。

本工序難點(diǎn)在于裝配過程防倒片、分選正確、壓入定位準(zhǔn)確。推料過程有兩點(diǎn)需要保證：一是為保證后續(xù)分料尺寸準(zhǔn)確，需保持一定推料壓力；二是分料氣缸退出推料隊(duì)列時(shí)，需防止倒片。壓裝過程壓裝對(duì)象為隨行夾具，也有兩點(diǎn)需要保證：一是E 片需始終處于夾緊狀態(tài)，呈整體壓入夾具；二是壓頭必須對(duì)正隨行夾具的兩個(gè)正交定位基準(zhǔn)面。

基于以上分析，將進(jìn)料機(jī)構(gòu)和分料機(jī)構(gòu)［5］設(shè)計(jì)為如圖5 所示結(jié)構(gòu)。

圖4 鎮(zhèn)流器E 片結(jié)構(gòu)與尺寸

圖5 E 片自動(dòng)進(jìn)料與壓裝機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)對(duì)氣動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)建模與分析［6］，進(jìn)料機(jī)構(gòu)采用了兩個(gè)氣動(dòng)元件：進(jìn)料氣缸和翻板氣缸。其工作原理如圖6 所示，進(jìn)料氣缸將一列E 片送入分料機(jī)構(gòu)的E 片料槽后，進(jìn)料氣缸復(fù)位，翻板氣缸工作，E 片由于重力原因下滑，翻板氣缸復(fù)位，進(jìn)料氣缸工作，從而達(dá)到一個(gè)循環(huán)，可保證持續(xù)進(jìn)料。

為保證進(jìn)料機(jī)構(gòu)進(jìn)料順暢，如圖7 在進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中增加了E 片導(dǎo)軌8 和導(dǎo)軌配塊9，使得進(jìn)料氣缸7進(jìn)料時(shí)，能夠保證E 片沿導(dǎo)軌進(jìn)料，且不倒片。

進(jìn)料氣缸7 配有減壓閥，其整定實(shí)驗(yàn)壓力約為0.05 MPa（相對(duì)大氣壓力），保證每次進(jìn)料后不會(huì)將E 片隊(duì)列夾壓過緊，使分料機(jī)構(gòu)能順利將E 片壓入隨行夾具。進(jìn)料機(jī)構(gòu)支架底部配有調(diào)節(jié)地腳，可以調(diào)節(jié)進(jìn)料機(jī)構(gòu)的位置。在進(jìn)料翻板轉(zhuǎn)軸處裝有自潤(rùn)滑軸承，保證翻板動(dòng)作準(zhǔn)確和減小摩擦。在進(jìn)料機(jī)構(gòu)和分料機(jī)構(gòu)的連接上，采用斜角連接，以使E 片能夠順利通過連接部位，從進(jìn)料機(jī)構(gòu)進(jìn)入分料機(jī)構(gòu)，避免E 片隊(duì)列出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。

分料機(jī)構(gòu)主要性能指標(biāo)有：1）保證E 片的長(zhǎng)度為54.5～55 mm；2）E 片在料槽中不能傾倒；3）E 片不能產(chǎn)生塑性變形。據(jù)此，在設(shè)計(jì)分料機(jī)構(gòu)時(shí)，E 片料道末端的分選槽采用長(zhǎng)度可調(diào)結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)螺母保證E 片隊(duì)列的分選槽長(zhǎng)度準(zhǔn)確定位在54.5～55 mm 之間。為防止料槽中的E 片傾倒，根據(jù)E 片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用彈性料道掛E 片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其原理如圖8 所示。推料氣缸將第1 列推入隨行夾具上方的彈性懸料板后，電磁閥配氣方式為中封式，保證隊(duì)列始終被壓緊，此時(shí)分料氣缸壓頭下壓，使掛E 片的白鋼條向兩邊讓開，同時(shí)分料氣缸阻止送料機(jī)構(gòu)送料，E 片順利被壓入夾具；分料氣缸壓頭上行復(fù)位后，掛E 片白鋼條以彈簧力自動(dòng)復(fù)位，送料機(jī)構(gòu)繼續(xù)送料，E片在彈性懸料板的夾持和導(dǎo)引作用下不會(huì)發(fā)生倒片現(xiàn)象。

圖6 E 片進(jìn)料機(jī)構(gòu)原理圖

圖7 E 片進(jìn)料壓裝結(jié)構(gòu)圖

圖8 E 片分料機(jī)構(gòu)原理圖

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析

3.1 翻板氣缸固定位置分析

以整列方式上料至料倉，放10列，E 片的寬度為41mm，兼顧考慮翻板的固定與連接，設(shè)計(jì)翻板的 長(zhǎng) 度 L2為480 mm；由分割器的高度尺寸確定翻板到固定架的高度H=270 mm；選用的翻板氣缸為AirTac SE-32×300，當(dāng)氣缸達(dá)到最大行程時(shí)長(zhǎng)度L1=792 mm；經(jīng)過試驗(yàn)翻板的角度 φ2在45°左右時(shí)，E 片可以順利滑下。工位一送料機(jī)構(gòu)矢量圖如圖9 所示。

機(jī)構(gòu)閉環(huán)矢量方程為

圖9 送料機(jī)構(gòu)矢量圖

根據(jù)矢量方程可以得到：

將式（3）和式（4）代入式（2），整理得：

將L1＝792 mm、L2＝480 mm、H＝270 mm、φ2＝45π/180 代入式（5），可以確定翻板氣缸固定位置X=166 mm。即當(dāng)翻板氣缸的固定位置X=166 mm 時(shí)，可保證翻板的角度為45°，E 片可以順利滑下。

3.2 翻板角速度分析

考慮氣缸的起動(dòng)沖擊現(xiàn)象［7-8］，需要分析氣缸的運(yùn)動(dòng)曲線對(duì)翻板的角速度的影響。對(duì)A 點(diǎn)進(jìn)行速度分析得：

由此，可得翻板角速度

因此，給出氣缸AirTac SE-32x300 隨時(shí)間的速度曲線，就可得出翻板隨時(shí)間變化的角速度曲線。同樣，可試驗(yàn)選取最優(yōu)的翻板角速度曲線，進(jìn)而得出氣缸隨時(shí)間的速度曲線，調(diào)節(jié)氣缸的節(jié)流閥使其實(shí)際的曲線與理論曲線相近。

4 結(jié)論

E 片進(jìn)料壓裝機(jī)構(gòu)經(jīng)調(diào)試后運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)E 片隊(duì)列的連續(xù)送料，無倒片、卡片現(xiàn)象。經(jīng)分料裝置分料，壓裝后E 片組長(zhǎng)度滿足54.5～55 mm 的設(shè)計(jì)要求。在6 s 節(jié)拍模式下，樣機(jī)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行15 d，每日2 班16 h，未出現(xiàn)故障。

本文擺動(dòng)式進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，允許工人采用托盤方式進(jìn)行補(bǔ)料，利用單列推料的1 min 時(shí)間，可以從容將每只托盤中的9～10 列E 片，一次性推入水平料倉。樣機(jī)試運(yùn)行結(jié)果表明，本自動(dòng)裝配線能夠大大減輕一線工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］王慶九，朱新杰.一種硬標(biāo)簽裝配與檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（8）：82-85.

［3］韓志強(qiáng).基于Pro/E 的零件參數(shù)化設(shè)計(jì)及自動(dòng)裝配技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

［4］詹友剛.Pro/Engineer 中文野火版2.0 產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［5］王少純，韓秀琴，戴達(dá)軍，等.汽車減振器自動(dòng)裝配線墊圈自動(dòng)供料機(jī)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003（2）：83-84.

［6］應(yīng)申舜，吳文悌.氣動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)建模與分析［J］.機(jī)床與液壓，2006（1）：91-93.

［7］黃俊，李小寧.氣缸起動(dòng)沖擊現(xiàn)象機(jī)理及影響因素實(shí)驗(yàn)分析［J］.液壓與氣動(dòng)，2007（1）：8-10.

［8］戴龍成，宣益民，尹健，等.氣壓式連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能和動(dòng)態(tài)仿真研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2001，17（4）：36-38.