張新聚，?；⒗顏喣?，袁生浩

（河北科技大學 機械工程學院，河北 石家莊 050018）

1 引言

摩托車是重要的交通工具和運動器械，具有廣大的消費市場[1-2]。在摩托車的眾多零部件中，單向器是摩托車起動電機的重要部件，其作用是在發(fā)動機高速轉(zhuǎn)動時保護起動機安全運行[3-4]。隨著摩托車生產(chǎn)的自動化程度的提高，單向器的生產(chǎn)也應(yīng)該實現(xiàn)自動化，但是目前還沒有摩托車單向器自動化裝配生產(chǎn)線，或者說自動化程度較低[5-7]。在單向器生產(chǎn)過程中，單向器的制造和裝配質(zhì)量直接影響到起動器的性能與穩(wěn)定性，為提高其穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率，利用自動化機械設(shè)備代替人工裝配是一個亟待解決的問題[8]。所以根據(jù)某摩托單向器的生產(chǎn)裝配要求，對某摩托車單向器自動裝配機進行研究開發(fā)。

2 單向器裝配技術(shù)要求分析

單向器主要由帶有三個偏心圓弧槽的星輪、三個滾柱、三個矩形彈簧、薄墊片和塑料套9部分組成，如圖1（a）所示。裝配的主要任務(wù)是將三組滾柱2和矩形彈簧3成對壓入星輪1的偏心圓弧槽中，其次將墊片4和塑料套5分別裝配在裝有三組滾柱和矩形彈簧的星輪上，最終完成單向器裝配組件6。

圖1 單向器組件及尺寸圖Fig.1 Parts Drawing of One-Way Clutch

其中，根據(jù)單向器各組件的尺寸要求進行設(shè)計單向器自動裝配機，所用的零件主要尺寸，如圖1（b）所示。

單向器具有自鎖作用[9]，滾柱受力示意圖，如圖2所示。滾柱受矩形彈簧的推力F2，星輪偏心圓弧槽外側(cè)給的壓力F1，以及安裝在星輪內(nèi)孔中的塑料套的徑向壓力F3，在這三個力的作用下單向器轉(zhuǎn)動只能按圖所示ω2方向進行轉(zhuǎn)動，若滾柱沿F2方向運動會受彈簧力F2的作用形成自鎖，不能轉(zhuǎn)動，將起到保護發(fā)動機的作用。

圖2 滾柱受力示意圖Fig．2 The Stress Diagram of a Roller

根據(jù)單向器各組件的尺寸在裝配三組彈簧和滾柱時采用成對外壓進星輪的偏心圓弧槽中，所以裝配尺寸不能大于星輪偏心圓弧的長度，彈簧的長度為4mm，滾柱的裝配長度為3mm若成對壓入則大于星輪的偏心圓弧長度6mm。因為彈簧具有伸縮性為避免無法下壓的情況，在裝配過程中彈簧下壓需處于壓縮狀態(tài)。通過對彈簧的大量壓縮試驗得出，彈簧壓縮的極限尺寸為2mm，所以在下壓時彈簧和滾柱的整體長度5≦L＜6mm。

在裝配過程中，墊片和塑料套是兩個分散的零件，星輪內(nèi)孔尺寸為17．1mm，墊片孔為17．5mm，塑料套尺寸為17mm，由于各軸孔配合尺寸偏差太小，需要對裝配方式進行分析：第一種裝配方案，先將墊片裝配至星輪孔上端，再將塑料套壓入星輪內(nèi)孔中；第二種裝配方案，將墊片和塑料套裝配好，再同時壓入星輪內(nèi)孔中。對兩種方案進行對比分析，第一種方案，塑料套在裝配時，若墊片孔和星輪內(nèi)孔定位不準確，會出現(xiàn)墊片壓變形或塑料套無法壓入星輪內(nèi)孔中，且墊片厚度為0．3mm很難進行單獨裝配。第二種方案則能夠有效的避免第一種方案出現(xiàn)的問題所以第二種方案具有可行性。

墊片、塑料套與星輪在裝配時要考慮各圓心的同軸度誤差避免塑料套在裝配時無法壓入星輪內(nèi)孔中。根據(jù)各零件的尺寸得到：塑料套和墊片在裝配時同軸度誤差＜0．25mm，塑料套和星輪內(nèi)孔裝配時同軸度差＜0．05mm。

綜上所述，在裝配的過程中的裝配要求為：

所設(shè)計的單向器自動裝配機彈簧和滾柱下壓時壓縮長度5≦L＜6mm；

所設(shè)計的單向器自動裝配機塑料套和墊片在裝配時圓心的同軸度誤差小于0．25mm；

所設(shè)計的單向器自動裝配機塑料套和星輪內(nèi)孔裝配時圓心的同軸度誤差小于0．05mm。

3 單向器自動裝配機總體方案設(shè)計

單向器自動裝配機結(jié)構(gòu)示意簡圖，如圖3（a）所示。采用的自動裝配流水線的布局形式為環(huán)形。根據(jù)裝配的實際要求該環(huán)形自動裝配流水線總共包括8個工位，進行上料裝配的工位為3個，落料工位1個，每個工位均包括自動檢測裝置。3個上料裝配工位分別為：星輪上料工位2、三組彈簧與滾柱上料工位3、墊片和塑料套上料工位4。落料工位為：單向器裝配組件下料工位5。該裝配系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)驅(qū)動分度盤分割器[10]，進行工位轉(zhuǎn)換，在相應(yīng)工位上由氣缸執(zhí)行機構(gòu)或氣動手爪分別完成零件的定位和裝配。單向器組件中的零件各異，均采用振動盤完成自動上料，單向器自動裝配機結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。

圖3 單向器自動裝配機Fig．3 Automatic Assembly Machine for One-Way Clutch

單向器自動裝配機各工位氣缸型號，如表1所示。

表1 自動裝配機所用氣缸表Tab.1 Cylinder Table of the Automatic Assembly Machine

3.1 各工位設(shè)計方案

星輪上料工位，如圖4（a）所示。為了準確的抓取星輪，在手爪氣缸的末端設(shè)計了星輪抓取機構(gòu)，夾具內(nèi)側(cè)設(shè)計與星輪的外徑大小一樣的圓弧，從而限制X，Y方向的自由度，為了定位星輪的外側(cè)的凸槽，且在夾具的一側(cè)開槽，并且與星輪能夠貼合，從而更好的限制住繞Z軸旋轉(zhuǎn)的Rz方向的自由度。裝配原理為：星輪通過振動盤上料至上料板2槽中，手爪氣缸1將星輪夾取并通過氣缸運動將星輪通過導料軸3進行上料至轉(zhuǎn)盤夾具座中，完成星輪的上料。

彈簧與滾柱上料工位，如圖4（b）所示。該工位分為彈簧滾柱上料模塊4和彈簧滾柱旋轉(zhuǎn)下料模塊5，通過這兩個模塊之間的相互配合完成三組彈簧和滾柱的裝配。裝配原理為：彈簧通過振動盤進行上料至上料轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動90°將彈簧進行分料。滾柱通過振動盤及導料管依靠自身重力進行上料，氣缸推動彈簧與滾柱成對在上料槽中，成對的零件再通過氣缸推動進入彈簧滾柱旋轉(zhuǎn)下料模塊，由于出料口與星輪的三個孔位偏差分別為30°、150°、270°，通過電機分別帶動三組成對的彈簧滾柱進行30°、150°、270°旋轉(zhuǎn)，到位后下壓桿進行壓料上料，完成該工位的裝配任務(wù)。

墊片和塑料套上料工位，如圖4（c）所示。該工位通過裝配板進行墊片和塑料套的裝配。在板子上開槽，一側(cè)槽是與塑料套的外徑大小相同的軌道，另一側(cè)開深與墊片深度一致的凹槽軌道同時在墊片槽端部的中心部位開孔，直徑大小為塑料套直徑。落料工位，如圖4（d）所示。單向器所有組件完成裝配后通過落料機構(gòu)進行卸料。裝配原理為：塑料套和墊片分別通過振動盤進行上料至裝配板6的塑料套槽和墊片槽孔中，塑料套被帶有軸的氣缸沿軌道移動至墊片槽孔中通過自身重力落入槽孔內(nèi)，完成塑料套和墊片的裝配。通過墊片、星輪與電磁鐵的相互磁力作用，利用氣缸帶動電磁鐵2，電磁鐵通電完成墊片塑料套與星輪的裝配和取料。電磁鐵斷電，單向器組件通過落料結(jié)構(gòu)中的落料槽8完成落料，再進行下次裝配循環(huán)。

4 控制與分析

該裝配系統(tǒng)由PLC進行控制，氣缸通過各工位的動作要求進行各零件的定位和裝配，來完成單向器組件的裝配。該自動裝配機氣動原理圖，如圖5所示。

圖5 自動裝配機氣動原理圖Fig．5 Pneumatic Circuit Diagram of the Automatic Assembly Machine

5 樣機與實驗研究

根據(jù)前述的設(shè)計方案開發(fā)了實際樣機，如圖6所示。

圖6 單向器自動裝配機樣機Fig．6 Prototype of the Automatic Assembly Machine for One-Way Clutch

通過對樣機各工位的時間測試，如表2所示，彈簧與滾柱上料工位的時間對整機時間起著決定作用。為了提高整機的時間效率，將彈簧滾柱旋轉(zhuǎn)下料模塊的電機轉(zhuǎn)位角度按照正反轉(zhuǎn)進行測試，即轉(zhuǎn)位角度為 30°、150°、-90°，回位角度為-30°、-150°、90°，通過實驗效率明顯提高，且運行良好。同時氣缸運動和電機轉(zhuǎn)位進行動作重疊，即在進行轉(zhuǎn)位的同時氣缸將彈簧和滾柱推送到轉(zhuǎn)位機構(gòu)前進行等待，轉(zhuǎn)位機構(gòu)回位后將料推入進行下一組裝配。因此在該工位進行電機角度正反轉(zhuǎn)與氣缸的動作重疊后時間效率提高近一半。其他工位通過氣缸動作重疊時間效率也有一定的提高。

表2 各工位時間效率Tab.2 Time Efficiency of Each Station

6 結(jié)論

（1）對單向器零件組成及裝配順序進行分析，得出在裝配過程中各裝配工序的要求，即彈簧與滾柱裝配壓縮長度5≦L＜6mm；塑料套和墊片在裝配時圓心的同軸度誤差＜0．25mm；塑料套和星輪內(nèi)孔裝配時圓心的同軸度誤差＜0．05mm。

（2）通過單向器對各裝配工序要求，確定自動裝配機總體方案設(shè)計并對樣機進行試制，得出該自動裝配設(shè)備一分鐘可以裝配4個，運行穩(wěn)定，生產(chǎn)效率比人工裝配效率提高近3倍，自動機的開發(fā)極大程度減輕了人工裝配的勞動強度，從而大幅度地提高裝配工作效率和企業(yè)的效益。