苗德元，陳吉祥，周興動，崔保政，孫曉坤，霍厚志

(山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272000)

0 引言

在工程機械行業(yè)的裝載機變速箱中，行星輪與軸之間均勻填充有大量滾針，其常用的裝配方式是先將行星輪、滾針及端蓋裝配成一個部件單元(該單元可認(rèn)為是一種行星輪滾針軸承)，然后再將該部件單元裝配到變速箱的相應(yīng)軸上。該行星輪滾針軸承裝配，需要先將行星輪內(nèi)孔均勻涂抹黃油，然后再將滾針裝到行星輪內(nèi)壁上，勞動強度大、工作效率低、黃油填充量不可控、產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差。隨著國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)換，人口紅利消失，之前依賴勞動密集型的低端生產(chǎn)方式難以為繼[1]，在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的大背景下，實現(xiàn)行星輪滾針裝配的自動化、連續(xù)化、高效化、高質(zhì)化已是大勢所趨[2，3]，也是企業(yè)推進智能制造實現(xiàn)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型升級的具體需要。為此，本文設(shè)計了集PLC控制技術(shù)、氣動技術(shù)、視覺檢測技術(shù)及機器人技術(shù)一體的行星輪滾針軸承自動化裝配單元。

1 行星輪滾針軸承裝配工藝

非標(biāo)自動化設(shè)備研制的基礎(chǔ)是生產(chǎn)工藝，工藝的先進程度直接決定設(shè)備的先進程度，基于落后生產(chǎn)工藝研制的設(shè)備是無法保證其生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本及生產(chǎn)質(zhì)量的[4]，所以在設(shè)備研發(fā)前做工藝調(diào)研，優(yōu)化落后工藝尤為重要。

1.1 現(xiàn)有裝配工藝

本文所述的行星輪滾針軸承由2個端蓋、1個行星輪、22根滾針構(gòu)成，同時裝配過程還需要約2.7 g黃油作為輔料，如圖1所示。裝配后的行星輪滾針單元成品如圖2所示?，F(xiàn)有裝配工藝存在如下問題：①工作勞動強度大、工作效率低；②黃油填充量不可控；③產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差。

圖1 行星輪滾針軸承部件、輔料示意圖

圖2 裝配后的行星輪滾針單元成品

現(xiàn)有裝配工藝是基于人工手動裝配，具體裝配流程如圖3所示。

圖3 行星輪滾針單元人工裝配工藝流程

1.2 優(yōu)化工藝

基于行星輪滾針軸承裝配自動化、連續(xù)化、高效化、智能化生產(chǎn)的設(shè)計理念，將行星輪滾針單元所有部件及輔料從來料到裝配全環(huán)節(jié)進行拆分，然后對工藝路線進行優(yōu)化，最終得到如圖4所示的工藝流程。該流程比手工裝配流程繁瑣，但是該流程將動作過程進行優(yōu)化及拆分，最終可實現(xiàn)行星輪滾針的自動化裝配。

圖4 優(yōu)化后行星輪滾針自動化裝配工藝流程

1.3 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計要求本裝配單元生產(chǎn)一個行星輪滾針軸承的節(jié)拍需控制在10 s以內(nèi)，根據(jù)該節(jié)拍及裝配輔助時間，對部件及輔料的供料節(jié)拍進行推算，具體參數(shù)如表1所示。

表1 零件及輔料技術(shù)參數(shù)

2 行星輪滾針軸承自動化裝配單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于優(yōu)化后的工藝，將本裝配單元設(shè)計成如圖5所示的8個功能模塊。其中，控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制主體是PLC，PLC對行星輪滾針軸承自動化裝配單元中傳感器反饋的信號進行邏輯分析，然后通過繼電器等相關(guān)電氣元件控制本裝配單元執(zhí)行部件的動作，實現(xiàn)行星輪滾針軸承的自動化裝配；行星輪自動供料機構(gòu)可將集中放置在機架上側(cè)傾斜面的行星輪逐排分離，然后通過集成氣動裝置、電機傳動裝置及多組傳感器實現(xiàn)行星輪自動、有序、按需投放；油脂定量加注機構(gòu)為氣動注油機，該設(shè)備以壓縮空氣為動力，帶動柱塞往復(fù)運動，實現(xiàn)壓力油脂的定量輸出；滾針自動供料機構(gòu)主要實現(xiàn)滾針自動理料、滾針預(yù)裝、滾針裝配三大功能；注油、滾針裝配機構(gòu)由注油、裝配工作臺，伸縮模具單元，雙抓手氣動搬運機構(gòu)三部分構(gòu)成，是注油、行星輪滾針裝配兩個工序自動化實施的主體機構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示；視覺檢測系統(tǒng)用CCD照相機將被檢測的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行計算來抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個數(shù)、合格/不合格、有/無等，實現(xiàn)自動識別功能[5]；端蓋自動壓裝機能夠完成端蓋的自動分料及端蓋自動壓裝功能；機器人碼垛系統(tǒng)由機器人本體、機器人末端執(zhí)行器(氣動夾爪)及雙工位碼垛托盤總成構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)行星輪滾針單元工序件自動轉(zhuǎn)運及成品的自動碼垛。

圖5 行星輪滾針自動裝配單元

圖6 注油裝配工作機構(gòu)

3 核心工序工作原理

3.1 自動注油工作原理

從油脂定量加注機引出的注油軟管接到注油模具(如圖7所示)的注油孔內(nèi)，行星輪被推到注油工位后，注油模具后側(cè)的氣缸伸長，注油胎具會自動伸到行星輪內(nèi)孔中，注油胎具與行星輪保持同心，自動注油模具的堵油面與行星輪端面緊密接觸后，油脂定量加注機會通過注油孔向注油胎具與行星輪內(nèi)孔形成的環(huán)形腔體內(nèi)注油，油脂從出油孔均勻流出，將環(huán)形腔體注滿油后，自動注油模具總成氣缸縮回，注油胎具脫離行星輪，此時行星輪內(nèi)孔就會有一層均勻油膜。該注油方式注油速度快、注油均勻、黃油不容易外溢、注油機構(gòu)簡單。

3.2 行星輪滾針自動預(yù)裝及裝配工作原理

圖8為滾針自動預(yù)裝工作原理示意圖。滾針預(yù)裝胎具通過轉(zhuǎn)軸與減速電機連接，并在滾針預(yù)裝胎具套內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，滾針通過滾針輸送軟管由振動盤投放到滾針儲料裝置內(nèi)，當(dāng)減速電機轉(zhuǎn)動時滾針就會自由落到滾針預(yù)裝胎具的凹槽內(nèi)，均勻填充到滾針預(yù)裝胎具與滾針預(yù)裝胎具套形成的腔體內(nèi)。

圖7 注油模具 圖8 滾針自動預(yù)裝工作原理示意圖

圖9為滾針自動裝配核心結(jié)構(gòu)。 滾針預(yù)裝完成后，滾針推送裝置的氣缸會自動伸長，此時滾針推頭將滾針推到事先與滾針預(yù)裝胎具套同心且緊密接觸的行星輪內(nèi)，此時行星輪與滾針裝配模具形成一個環(huán)形腔體，該腔體可恰好允許滾針填充進去，滾針推頭將滾針推到位后自動返回，滾針裝配模具也自動縮回，滾針在黃油的粘合下均勻貼到行星輪內(nèi)孔中，滾針行星輪裝配結(jié)束。該裝配方式裝配速度快、裝配質(zhì)量穩(wěn)定、裝配結(jié)構(gòu)簡單。

圖9 滾針自動裝配核心結(jié)構(gòu)

4 執(zhí)行流程設(shè)計

行星輪滾針自動化裝配單元的PLC控制系統(tǒng)由三大執(zhí)行模塊構(gòu)成，分別為行星輪上料模塊、行星輪注油裝配模塊及下料模塊，各模塊的控制流程如圖10～圖 12所示。

圖10 行星輪上料部分PLC控制流程

圖11 注油及行星輪滾針自動裝配部分PLC控制流程

圖12 下料部分PLC控制流程

5 工藝驗證

本裝配單元涉及的關(guān)鍵工序包括：行星輪自動供料、行星輪腔體自動注油、滾針理料、滾針預(yù)裝、滾針裝配、行星輪滾針單元搬運、視覺檢測、端蓋壓裝、機器人碼垛9個工序。其中視覺檢測及機器人碼垛均有成熟的技術(shù)方案，如基恩士、康耐視、大恒視覺均可提供整體的視覺檢測方案，ABB、KUK、FANUC、那智不二越、史陶比爾等機器人廠家均有十分成熟的機器人碼垛方案，這兩個工序涉及的設(shè)備可整體采購然后集成到裝配單元系統(tǒng)內(nèi)，本文不對該工序做工藝驗證。行星輪與端蓋配合屬于間隙配合，壓裝工藝成熟，技術(shù)風(fēng)險極低，本文也不對該工序做工藝驗證。其余6個工序尚沒有成熟經(jīng)驗可借鑒，實施風(fēng)險較高，需做工藝驗證。

根據(jù)行星輪滾針自動化裝配技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計了如圖13所示的樣機進行工藝驗證，對樣機調(diào)試后進行整體工藝性能驗證，驗證結(jié)果如表2所示。

圖13 工藝驗證樣機

表2 工藝驗證試驗記錄

6 結(jié)論

工藝驗證結(jié)果顯示，裝配單元的整體性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計技術(shù)要求。從設(shè)備穩(wěn)定性方面考慮，需對設(shè)備尺寸進行微調(diào)，如行星輪自動供料機構(gòu)的機架傾斜角進行優(yōu)化，其余問題點主要集中在物料質(zhì)量沒有控制好，在高頻振動下傳感器螺栓容易松動等問題，這些問題對后續(xù)成品設(shè)備設(shè)計及應(yīng)用提供了十分有價值的參考。