聶永增

(廣東省技師學(xué)院，廣東 惠州 516100)

隨著勞動力成本的不斷提高，越來越多的企業(yè)關(guān)注工廠自動化這一領(lǐng)域，也給該行業(yè)帶來了發(fā)展商機。機械自動化設(shè)備的開發(fā)包含為客戶提供從方案、加工、組裝到調(diào)試的一體化解決方案。即從產(chǎn)品的構(gòu)思→方案→建?！鰣D→加工→組裝→調(diào)試，提供給客戶一整套的解決方案。在機械工程各環(huán)節(jié)中，機械設(shè)計是機械生產(chǎn)的第1步，應(yīng)在各種限定的條件下進行設(shè)計優(yōu)化，綜合考慮各項要求，包括最佳的工作性能、最少的制造成本和最低的能源消耗等[1]。

某企業(yè)專業(yè)生產(chǎn)和組裝五金制品，在生產(chǎn)過程中，一些零件的需求量非常大(以10萬件計)，零件緊固、密封和可置換性要求高。本文以該企業(yè)生產(chǎn)的精密接頭零件(見圖1)為例進行研究，要求裝配體中的上蓋與底座進行鉚接。

圖1 精密接頭零件圖

1 設(shè)計思路

該零件是自動化生產(chǎn)線中的重要零件，裝配工藝要求較高，其高要求主要體現(xiàn)在3個方面：一是緊固性要求高；二是零件變形控制要求高；三是可置換性要求高。相對而言，手工操作的成本高、產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低；利用工業(yè)機器人進行裝配，其自帶的視覺傳感系統(tǒng)可對零件進行識別，然后通過機械手進行裝配，省去了一些周邊設(shè)備，但成本高。

通過設(shè)計制作出一臺非標(biāo)準(zhǔn)自動化設(shè)備來完成裝配和鉚接動作，可確保緊固性要求、非裝配位置的尺寸和裝配件的穩(wěn)定一致，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[2]。其機械設(shè)計邏輯思路如圖2所示。建模和仿真應(yīng)用SolidWorks軟件完成。

圖2 機械設(shè)計邏輯思路

2 零件分析

本次裝配的零件屬于微小零件，底座和上蓋尺寸<10 mm，兩者之間采用過盈裝配。零件材質(zhì)為Q235，w(C)=0.12%～0.22%，屬于低碳鋼，硬度為36～40 HRC。裝配截面圖如圖3所示，干涉厚度約為0.06 mm，裝配長度為2.4 mm?？紤]到裝配動作不多，涉及零件只有3個，同時考慮合理利用空間及方便布局，本次選擇回轉(zhuǎn)式裝配機。

圖3 裝配截面圖

3 自動鉚接機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了確保整個機械構(gòu)造結(jié)構(gòu)緊湊，邏輯關(guān)系便于梳理，維修操作方便，整體設(shè)計如圖4所示。其機械結(jié)構(gòu)包括底座送料機構(gòu)、墊片送料機構(gòu)、上蓋送料機構(gòu)、分度盤機構(gòu)、壓鉚機構(gòu)、卸料機構(gòu)和箱體等。

圖4 整體設(shè)計圖

3.1 自動送料機構(gòu)的選擇

振動盤是一種自動組裝或自動加工機械的輔助送料設(shè)備，簡稱自動定向排序送料裝置，能夠?qū)y序的零件進行自動篩選和排序[3]，實物圖如圖5所示?？筛鶕?jù)零件的尺寸來選擇不同尺寸的頂盤，頂盤尺寸為φ80～φ1 000 mm。本次設(shè)計的零件都是微小零件，底座和上蓋零件尺寸<10 mm，同時參考市場上振動盤的性價比，選擇頂盤尺寸為φ140 mm的振動盤輸送墊片，選擇頂盤尺寸為φ175 mm的振動盤輸送底座和上蓋。

圖5 振動盤實物圖

設(shè)計振動盤出料口與進料軌道位置如圖6所示，振動盤出料口與進料軌道對齊，并通過高度調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整振動送料器與進料軌道的高度(通常振動器的出口高度要比軌道的進料口高度高出0.3 mm)。

圖6 振動盤出料口及進料軌道

墊片是精密接頭零件的裝配零件之一，厚度只有0.6 mm，外徑只有8.5 mm，輸送軌道設(shè)計如圖7所示。直線軌道長度為170 mm，實踐發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠振動盤的力度，墊片會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，無法繼續(xù)前進，而通過增加直振器(見圖8)可解決墊片前進動力不足的問題[4]。

圖7 墊片(直振/鋼帶)輸送軌道

圖8 直振器實物圖

3.2 精密接頭零件裝配分度盤及回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計

精密接頭零件的裝配有3個進料位，加上鉚接裝配工位和卸料位，分度盤至少有5個工位，考慮到制造及操作等更加方便，應(yīng)再擴展1個工位；因此設(shè)計分度盤為6個工位，且旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向[5]。

分度盤的間歇回轉(zhuǎn)需要選擇合適的控制機構(gòu)。步進電動機回轉(zhuǎn)機構(gòu)、氣動分度盤機構(gòu)、棘輪棘爪機構(gòu)和凸輪分割器是4種常見的回轉(zhuǎn)間歇機構(gòu)，經(jīng)對比(見表1)以及市場最新應(yīng)用情況，選擇采用凸輪分割器及傳感器配合普通電動機來實現(xiàn)間歇控制功能[6]。設(shè)計分度盤如圖9所示。

表1 常用回轉(zhuǎn)間歇操作機構(gòu)主要技術(shù)指標(biāo)對比

圖9 設(shè)計分度盤

3.3 氣缸、氣液增壓缸的選擇及鉚合部分的設(shè)計

綜合考慮，3個進料位和1個卸料位采用適當(dāng)?shù)臍飧走M行零件裝卸，4個工位共用到8個氣缸。前后運動采用標(biāo)準(zhǔn)型氣缸，上下運動為了避免干涉采用薄型氣缸[7](見圖10)。

圖10 氣缸的選擇

為保證鉚壓效果，將裝配工位設(shè)計為直壓型氣液增壓缸，以純氣壓源為動力，利用增壓器的大小活塞面積比，將低壓氣壓提高數(shù)十倍變?yōu)楦邏河蛪?，達(dá)到高壓輸出的目的。一般來說，氣液增壓缸的行程較小，行程控制時應(yīng)充分考慮和利用，避免出現(xiàn)限位無效的情況。形狀控制方面應(yīng)確保鉚合的質(zhì)量，而且不對裝配件造成干涉與損害。按照經(jīng)驗，單邊留出0.05 mm作為零件放置的間隙，具體設(shè)計如圖11所示。

圖11 鉚合部分的機械設(shè)計

4 自動鉚接機機械構(gòu)造的建模與裝配

自動鉚接機整個結(jié)構(gòu)應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計、裝配和修改，以旋轉(zhuǎn)工作臺為中心，3條進料軌道平行放置，壓鉚工位設(shè)置在3條進料軌道對面，旋轉(zhuǎn)工作臺呈順時針旋轉(zhuǎn)，卸料工位位于壓鉚工位下一個位置。零件裝配時，準(zhǔn)確裝配的關(guān)鍵是控制好自由度，包括線性尺寸、平行度、垂直度、同軸度及角度等[8]。當(dāng)出現(xiàn)干涉時，首先應(yīng)考慮裝配是否正確，排除裝配問題后，應(yīng)對零件特征進行修改，直到合適為止。

上述對自動鉚接機各個系統(tǒng)進行了總體布置及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)備能夠滿足生產(chǎn)需要，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，性能可靠，組裝靈活，操作方便。后續(xù)還應(yīng)進行電氣控制設(shè)計方面，即PLC硬件控制電路設(shè)計和PLC控制程序設(shè)計[9]，以及零配件的采購、裝配與調(diào)試，本文不再贅述。完成的設(shè)備如圖12所示，裝配成品如圖13所示。

圖12 全自動精密接頭零件裝配一體機設(shè)備圖

圖13 裝配成品圖

5 結(jié)語

應(yīng)用自動鉚接機提高了精密接頭零件的裝配效率。該設(shè)備把應(yīng)用于機械裝配控制系統(tǒng)相關(guān)的自動化技術(shù)融為一體，實現(xiàn)了快速連續(xù)自動裝配，避免了人工操作導(dǎo)致的部分鉚壓不到位、緊固性不好、裝配零件變形和裝配件穩(wěn)定性不好等情況，減少了人工成本。裝配自動化今后將會向模塊化、柔性化和自動化等方面發(fā)展，以滿足多品種生產(chǎn)和自動化裝配要求[10]。

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