輪椅手推圈固定片自動(dòng)裝配機(jī)研究

張艷貞

(恩比爾(廈門)機(jī)械制造有限公司，福建 廈門 361022)

近年來，為了提高殘疾人和老年人的生活質(zhì)量，利用現(xiàn)代技術(shù)開展輪椅研究已成為學(xué)術(shù)界和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)［3］。對(duì)于手臂尚有能力的病人，可以依靠手推圈驅(qū)動(dòng)輪椅。目前，輪椅車輪生產(chǎn)的組裝工作中主要通過人工拾取固定片，放入輪圈中的嵌孔內(nèi)，經(jīng)手工沖擊配合安裝。裝配過程中易產(chǎn)生固定片安裝不穩(wěn)定、一致性差、效率低、工人工作強(qiáng)度大等問題，嚴(yán)重影響裝配質(zhì)量。因此，需找到一種操作簡(jiǎn)單、方便快捷、適應(yīng)性強(qiáng)的裝置，以提高裝配質(zhì)量和工作效率。

1 自動(dòng)裝配方案總體設(shè)計(jì)

手推圈固定片是連接輪椅輪圈與手推圈的一個(gè)橋梁，手推圈固定片安裝在輪圈圓周上的槽中，這樣就可以把安裝有連接桿的手推圈固定在輪圈上，如圖1所示。

圖1 輪轂輪圈示意圖

目前裝配方案如圖2所示，該裝配工序?yàn)榧兪止ぱb配。將輪圈放入固定轉(zhuǎn)軸，拾取固定片嵌入輪圈上的裝配槽中;利用杠桿推動(dòng)壓塊上下運(yùn)動(dòng)，將固定片壓入輪圈槽中;最后轉(zhuǎn)動(dòng)輪圈改變安裝位置。裝配過程中壓塊提起與壓入均為手工操作，裝配過程較為繁瑣、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動(dòng)程度較高。

圖2 裝配現(xiàn)行方案

根據(jù)手工裝配過程分析，提出了如圖3所示的輪椅手推圈固定片自動(dòng)裝配方案。首先，通過振動(dòng)盤將固定片排列整齊形成固定片陣列;再通過氣缸配合一個(gè)工裝把固定片一片一片地取出;最后通過機(jī)械手夾取固定片并安裝入輪圈槽中，完成一片固定片的安裝;安裝好旋轉(zhuǎn)輪圈后再安裝其他位置的固定片。

圖3 輪椅手推圈固定片自動(dòng)裝配方案

2 核心部件選型及相關(guān)計(jì)算

2.1 裝配尺寸分析計(jì)算

裝配尺寸的配合直接影響裝配系統(tǒng)的精度要求，各裝配零件的相關(guān)尺寸關(guān)系及裝配尺寸鏈的模型如圖4所示。

圖4 裝配尺寸分析

計(jì)算長(zhǎng)度方向的裝配尺寸鏈:

根據(jù)計(jì)算所得裝配時(shí)長(zhǎng)度方向的裝配間隙為0.2～0.4 mm，所以長(zhǎng)度方向?yàn)殚g隙配合;寬度方向的裝配間隙為－0.2～0.1 mm，寬度方向的裝配為過度配合。而裝配槽和固定片的加工為沖壓成型加工方法生產(chǎn)出來的，屬于薄壁小型零部件，裝配需要的載荷較小。綜合考慮該裝配屬于較小過盈量配合裝配方式，載荷較小，相應(yīng)速度較高，故選用小型氣缸提供裝配動(dòng)作的動(dòng)力，采用限位輔助裝置來保證裝配位置，以實(shí)現(xiàn)固定片與槽的快速、準(zhǔn)確裝配。

2.2 裝配下壓氣缸的選擇

在機(jī)械手中的下壓氣缸的驅(qū)動(dòng)下，氣手指提取固定片必須保證定位方能正常完成裝配工作。因此必須保證下壓氣缸不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并保證軸線偏移量在允許范圍內(nèi)，所以選用SMC雙缸氣動(dòng)滑臺(tái)MXS12_40A。根據(jù)對(duì)手動(dòng)加工過程中力的測(cè)量，裝配所需的推力不得小于73.6 N，拉力不小于10 N。

氣動(dòng)滑臺(tái)輸出力的計(jì)算公式如下:

其中:R為活塞直徑;r為活塞桿直徑;P為工作壓力(MPa)，一般選定為 0.6 MPa［4－5］。

根據(jù)MXS12_40A型號(hào)參數(shù)及式(1)可得:

因缸數(shù)為2，輸出推力 Ft為135.648 N，沖壓時(shí)的下壓力為氣缸推力加滑臺(tái)杠及各附件重量，故Ft≥135.648 N足以滿足要求。

根據(jù)式(2)及MXS12_40A型號(hào)參數(shù)可計(jì)算得Fl=42.67 N，滿足提取所需拉力。

2.3 旋轉(zhuǎn)軸部件設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)軸部件用于安裝輪圈，使輪圈能轉(zhuǎn)動(dòng)切換安裝槽的位置，整體方案如圖5所示。根據(jù)軸向載荷分布，軸的伸出端(安裝輪圈端)選用61804－2LS的較大軸承，后端選用61803－2LS的較小軸承，軸安裝時(shí)從伸出端往軸后端安裝。該安裝方法軸向定位只能從軸的工作端定位，通過軸后端軸套對(duì)軸承壓緊，調(diào)節(jié)壓緊時(shí)對(duì)于軸向定位影響較小。

圖5 旋轉(zhuǎn)軸部件安裝示意圖

該方案能夠?qū)崿F(xiàn)很好的軸向定位，有利于手推圈固定片在寬度方向上與輪圈中的安裝槽對(duì)齊，對(duì)于提高裝配精度有重要的作用，同時(shí)在安裝輪圈后對(duì)伸出端的零件裝配不會(huì)有影響。安裝輪圈時(shí)由軸的伸出端定位，拆卸過程簡(jiǎn)易，可提高維修便利性，旋轉(zhuǎn)軸部件實(shí)體裝配如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)軸部件實(shí)體裝配圖

2.4 裝配機(jī)械手部件設(shè)計(jì)

由圖3中可見，需要一個(gè)機(jī)械手從送料裝置中夾取固定片，再裝配到輪圈的槽中。根據(jù)動(dòng)作要求，設(shè)計(jì)了如圖7所示的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。機(jī)械手初始位置為供料裝置中固定片上方，在上下滑臺(tái)1的作用下，使氣爪向下運(yùn)動(dòng)到固定片位置;氣爪3閉合夾緊固定片，在上下滑臺(tái)1的作用下，氣爪提取固定片向上運(yùn)動(dòng)到滑臺(tái)上限位置;在左右氣動(dòng)滑臺(tái)5的作用下使機(jī)械手伸出到極限位置，這個(gè)位置正是輪圈槽的正上方;在上下氣動(dòng)滑臺(tái)1的作用下，固定片迅速被壓入輪圈槽中;氣抓松開，機(jī)械手回到初始位置，完成一個(gè)固定片的裝配工作。

圖7 裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)手工裝配動(dòng)作的分析，裝配過程的設(shè)計(jì)、計(jì)算，整體方案的設(shè)計(jì)，組件的選型等方面的工作，建成了如圖8所示的輪椅手推圈固定片自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)主要采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸、氣爪、電磁換向閥及臺(tái)達(dá)PLC、位置傳感器等控制執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能控制，實(shí)現(xiàn)了輪椅手推圈固定片的全自動(dòng)裝配，在功能得以實(shí)現(xiàn)的同時(shí)減少了非標(biāo)件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，大大降低了開發(fā)成本。

圖8 輪椅手推圈固定片自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)

4 系統(tǒng)控制算法

全自動(dòng)裝配系統(tǒng)是一離散控制系統(tǒng)，可采用三元組方式表示，即離散態(tài)變量定義、離散態(tài)過程定義及離散態(tài)控制定義［6］。離散控制系統(tǒng)模式S可以通過三元組形式表示，如式(1)～(7)。

式(1)中X是控制系統(tǒng)輸入變量集，

或者

Y是控制系統(tǒng)輸出變量集

F是控制系統(tǒng)輸入輸出的映射關(guān)系集，與裝配過程的控制規(guī)范對(duì)應(yīng)。

式(6)中，fj是由裝配過程確定的輸入輸出關(guān)系，可通過多元布爾函數(shù)表示。

式(7)中:X'?X;Y'?Y;δ，λ 分別為與離散過程時(shí)間約束參數(shù)與數(shù)值參數(shù)關(guān)聯(lián)的離散變量因子，且δ∈{0，1}，λ∈{0，1};Tc為時(shí)間約束項(xiàng)的定時(shí)常數(shù)，由自動(dòng)裝配控制要求確定，在PLC中設(shè)定;t為時(shí)間變量，δ因子中的xi或yk為因子條件，且xi∈X，yk∈Y為時(shí)間約束的起始條件;Cs為數(shù)值參數(shù)關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)設(shè)定值，根據(jù)自動(dòng)裝配要求在系統(tǒng)PLC中設(shè)定;vx為輸入變量的數(shù)字值。在PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制過程中，δ與定時(shí)器標(biāo)志位狀態(tài)對(duì)應(yīng)，λ值可由計(jì)數(shù)器標(biāo)志位得到。

由此可見:三元組模式完整地描述了輪椅手推圈固定片自動(dòng)裝配系統(tǒng)離散控制的狀態(tài)空間和控制算法，可采用三元組表示方法對(duì)本控制系統(tǒng)進(jìn)行概念性分析與設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了現(xiàn)有輪椅市場(chǎng)現(xiàn)狀，從企業(yè)與市場(chǎng)需求出發(fā)，闡述了目前手推圈固定片手工裝配的特點(diǎn);分析了手推圈固定片裝配過程，提出了自動(dòng)裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案;對(duì)自動(dòng)裝配方案進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，對(duì)核心部件進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算、設(shè)計(jì)、選型，完成了自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)的整體及部件細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文的研究成果能夠提高裝配效率，提高質(zhì)量保證，減少人力成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］丁志宏.我國(guó)殘疾老年人口:現(xiàn)狀與特征［J］.人口研究，2008，(4):3 －4.

［2］王占禮，趙德超，陳延偉，等.曲柄星輪式爬樓梯輪椅爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，32(2):105 －108.

［3］王璇，關(guān)于民，雷蕾.個(gè)性輪椅自動(dòng)裝配系統(tǒng)［M］.大連:大連交通大學(xué)出版社，2011.

［4］張世亮.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］曹堅(jiān).液壓與氣壓傳動(dòng)原理圖計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件開發(fā)［J］.機(jī)床與液壓，2002(2):140－141.

［6］楊明建.離散態(tài)控制系統(tǒng)的三元組表示［J］.合肥學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，21(1):36 －39.