暴永明， 劉廣東， 王百輝

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院,哈爾濱150040；2.黑龍江省質(zhì)量認(rèn)證中心，哈爾濱150036）

1 總體方案構(gòu)思

本論文中發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線中排氣檢測(cè)機(jī)構(gòu)，是整條缸蓋生產(chǎn)線的一部分，考慮到成本、空間和工作效率等諸多因素后，進(jìn)氣檢測(cè)和排氣檢測(cè)由一個(gè)工作位置同時(shí)完成。

整個(gè)系統(tǒng)需要完成以下工作步驟：1）工件到達(dá)指定位置，各機(jī)構(gòu)處于準(zhǔn)備階段。時(shí)間約2 s。其目的是調(diào)整好工件的位置為下一工序做準(zhǔn)備。2）上端壓緊裝置到達(dá)指定位置，壓緊工件。時(shí)間2 s（時(shí)間由運(yùn)動(dòng)速度與行程計(jì)算得出）。目的是固定工件。3）進(jìn)、排氣端檢測(cè)裝置達(dá)到指定位置，時(shí)間4 s。4）通入高壓氣體。時(shí)間3 s。壓力為0.3 MPa。目的是使缸蓋進(jìn)、排氣端內(nèi)的氣壓為0.3 MPa。5）停止通氣，開(kāi)始檢測(cè)泄漏量。時(shí)間15 s。如果泄漏量在允許范圍內(nèi)，工件合格。超出范圍，工件不合格。6）此工序有兩種情況，工件合格，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，工件進(jìn)入下個(gè)裝配程序。時(shí)間10 s。如果工件不合格，系統(tǒng)報(bào)警，工件通過(guò)檢測(cè)通道進(jìn)入檢修區(qū)，系統(tǒng)還原。報(bào)警時(shí)間10 s，總用時(shí)約25 s。

滿足每工序用時(shí)在60 s以內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 確定工作面

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋排氣門位置示意圖

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行觀察分析，如圖1所示，確定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣端和排氣端在生產(chǎn)線上的位置。然后確定排氣口在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的位置以及排氣口間距，排氣口尺寸，如圖2所示。

圖2 排氣口尺寸圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

流量測(cè)量法檢測(cè)流程見(jiàn)圖3。

通過(guò)分析工件形狀及尺寸和檢測(cè)過(guò)程初步確定方案：由兩組，八個(gè)檢測(cè)裝置同時(shí)檢測(cè)進(jìn)、排氣門氣密性。它的優(yōu)點(diǎn)是，多點(diǎn)檢測(cè)效率高，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高，占用空間大。

圖3 測(cè)量工作流程圖

進(jìn)氣門和排氣門檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了工作效率，而且設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置平行排列使整個(gè)檢測(cè)裝置只需要沿氣缸推力方向運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)架構(gòu)，綜上所述，確定兩組，八個(gè)檢測(cè)裝置同時(shí)檢測(cè)的方案是比較合理的，結(jié)構(gòu)總裝示意圖如圖4所示。

3 檢測(cè)裝置主要部件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)架設(shè)計(jì)

排氣氣密性自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)架是用來(lái)固定檢測(cè)裝置、壓緊裝置，動(dòng)力裝置的總體框架，其設(shè)計(jì)要求，滿足機(jī)構(gòu)工作空間需要，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地小，安全，可靠，并能與生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 機(jī)架俯視圖示意圖

3.2 動(dòng)力元件選擇

初步選擇氣壓動(dòng)力，氣缸在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦力占推力的比例較大，氣缸的低速穩(wěn)定性不如液壓缸。綜合以上利弊，設(shè)計(jì)選擇氣缸作為動(dòng)力原件。

3.3 氣缸的選擇

3.3.1 排氣口氣缸的選擇

依據(jù)要使檢測(cè)機(jī)構(gòu)壓緊進(jìn)氣口，則選擇的氣缸推力必須大于進(jìn)氣口反作用力，即必須滿足公式：

式中：Fpu為氣缸輸出推力；Fr為排氣口反作用力；P為排氣口壓力；D為排氣口直徑。

查閱資料氣缸類型為QGB50×80后法蘭型雙作用氣缸，如圖6所示，其基本尺寸如下：缸徑D0=50 mm；活塞桿直徑D

1=20 mm；使用速度范圍50~700 mm/s；行程S=80 mm。

3.3.2 頂部壓緊氣缸的選擇

圖6 氣缸QGB50×80

由于發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)與鉛垂面成7°夾角，所以當(dāng)兩側(cè)機(jī)構(gòu)壓緊發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向上的分力使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生移位，導(dǎo)致漏氣，影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性,這就需要一個(gè)頂部壓緊機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行壓緊。要使發(fā)動(dòng)機(jī)靜止不動(dòng)，就必須滿足F＞F1。

其中F1=f1×cos7°×sin7°+f2×cos7°×sin7°

=2×982×0.12×0.99=233.32 N。

式中：F為頂部氣缸壓緊力；f1為進(jìn)氣門壓緊力；f2為排氣門壓緊力。

為確保壓緊牢固，頂部壓緊氣缸選擇QGB80×55前法蘭型雙作用氣缸：工作壓力P1=0.5 MPa；缸頸D0=50 mm；活塞桿直徑d=20 mm；行程s=55 mm。

3.4 彈簧的計(jì)算

在排氣門氣密性檢測(cè)時(shí)，四個(gè)檢測(cè)裝置一定和排氣口端面在同一平面上，出現(xiàn)錯(cuò)位會(huì)直接導(dǎo)致密封不嚴(yán)，檢測(cè)錯(cuò)誤。為了避免這種想象，在檢測(cè)口上安裝壓縮彈簧調(diào)節(jié)檢測(cè)口位置，而且在檢測(cè)裝置與被檢測(cè)工件接觸時(shí)起到緩沖的作用。

彈簧承受的載荷是第二類載荷，故材料選擇50CrVA,D2=34 mm。

由資料得：

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖4-2-5得：

式中：d為彈簧絲直徑；D為彈簧外徑；D2為彈簧中徑。

有效圈數(shù)：

式中：K為彈簧剛度；F2為工作壓力；F1為彈簧預(yù)緊力；n為有效圈數(shù)。

3.5 密封打壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.5.1 打壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

要進(jìn)行打壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先就要明確打壓機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)的基本要求，即要做到密封性能可靠，耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，制造維修方便，便于裝卸，互換性好，成本低廉，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，如圖7所示。

3.5.2 密封圈的設(shè)計(jì)

圖7 打壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

在該機(jī)構(gòu)中，采取墊圈密封，材料選合成纖維橡膠。

墊圈的受壓面積應(yīng)滿足下式：

式中：Ag為受壓面積；Ae為有效受壓面積；P1為工作壓力；y為墊片比壓力；m為墊片系數(shù)，墊片的厚度為5.3 mm。

圖8 密封圈

3.6 導(dǎo)向柱設(shè)計(jì)

根據(jù)檢查的精度要求，采用兩個(gè)導(dǎo)向柱來(lái)確保檢查機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性，見(jiàn)圖9所示。

3.7 控制系統(tǒng)的選擇及傳感器的選擇

圖9 壓緊定位機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)向柱

控制系統(tǒng)采用西門子S7－314型PLC控制，比較適合復(fù)雜的控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。壓力傳感器選擇AP—43型，用于控制缸內(nèi)氣壓達(dá)到0.3 MPa。流量傳感器選擇E8Y—A5C—03H型，用于檢測(cè)缸內(nèi)氣體的泄漏量，如果泄漏量超過(guò)允許范圍，向傳感器發(fā)送信號(hào)報(bào)警。接近開(kāi)關(guān)選擇E2E-X7D1-M1DJ型，用來(lái)控制氣壓缸行程和位置。

3.8 壓板撓度計(jì)算

圖10 受力圖

圖11 簡(jiǎn)化后力學(xué)模型

壓板的受力情況可簡(jiǎn)化成力學(xué)模型，如圖10所示。

靜不定問(wèn)題，支反力難于求得，于是我們考慮最極端情況下，即簡(jiǎn)化力學(xué)模型，如圖11所示。

討論這一簡(jiǎn)支梁的彎曲變形。利用平衡方程求得支反力為N1=N2=F/2。

根據(jù)載荷情況，

由此，撓曲線方程應(yīng)分成兩段來(lái)積分，

CB段（l/2≤x2≤l）：

式中的積分常數(shù)，需要條件來(lái)確定。線段AC、CB分界截面C點(diǎn)，兩端應(yīng)有相同的轉(zhuǎn)角、撓度，即

在式（2）、式（3）、式（5）、式（6）中，令x1=x2=l/2 并利用上述的連續(xù)條件為：

將式（7）代入式（3）得：D1=D2=0；

將式（8）代入 式（6）得：

把所求得的四個(gè)積分常數(shù)代回式（2）、式（3）、式（5）、式（6）中得轉(zhuǎn)角方程和撓曲線方程如下：

3.9 側(cè)面受力板撓度計(jì)算

原理同壓力板撓度設(shè)計(jì)：

側(cè)面受力板撓度和最大轉(zhuǎn)角不能影響側(cè)面導(dǎo)軌的平行度和氣缸活塞運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)方向是生產(chǎn)線中排氣端自動(dòng)化檢測(cè)裝置，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，但在編寫論文時(shí)也遇到了很多技術(shù)難題，如氣密性檢測(cè)方法的選擇、密封件及密封材料的設(shè)計(jì)等，都有待解決。