新型板式鏈自動裝配機的設(shè)計與研制

左煒旸，韓繼光

(江蘇師范大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

鏈條是由若干組件(元件)以鉸鏈的形式串接起來的撓性件，按不同的用途和功能區(qū)分為傳動鏈、輸送鏈、曳引鏈和專用特種鏈4種。鏈條作為國民經(jīng)濟中不可或缺的重要機械基礎(chǔ)件產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，日常生活中處處可見鏈條的存在［1］。正因為其有如此廣泛的應(yīng)用，所以針對鏈條加工制造的研究也越來越引起人們的重視。我國鏈條行業(yè)雖起步較晚，但發(fā)展很快，不過與發(fā)達國家相比，我國的鏈條制造技術(shù)仍顯落后，其中鏈條生產(chǎn)設(shè)備水平的差距尤為明顯［2］。我國傳統(tǒng)的鏈條裝配方式先后經(jīng)歷了手工裝配、專用模具裝配、成條裝配的發(fā)展歷程，通常在裝配后再進行預(yù)拉跑合。20世紀(jì)70年代開始，我國在引進吸收國外先進技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研制了新的生產(chǎn)線，具有液壓鉚頭、跑合預(yù)拉、零件漏檢和自動拆節(jié)等功能［3］，不過仍存在可靠性與生產(chǎn)效率不高的缺點。因此對國內(nèi)一些鏈條生產(chǎn)廠家現(xiàn)有設(shè)備進行改進，以提高鏈條裝配機的可靠性和生產(chǎn)效率，就是一個很好的突破口。

1 鏈條裝配機的發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，國內(nèi)一些鏈條生產(chǎn)廠家引進或自主研制了一批技術(shù)水平較高的鏈條裝配機，改進了裝配工藝，大大提高了鏈條的裝配效率，并且完善了很多功能。圖1所示為某公司2009年引進的高速板式鏈自動裝配機。該鏈條裝配專機采用凸輪機構(gòu)傳動，使用繼電器和行程開關(guān)配合來控制、調(diào)節(jié)、保護電路，用傳統(tǒng)機械控制按鈕和指示燈作為操作顯示終端，使得專機體積龐大笨重，現(xiàn)代化程度并不高。另外，由于采用了凸輪機構(gòu)驅(qū)動，使得整臺設(shè)備的柔性較低，一旦凸輪形狀確定，若需要進行工序上的改進，幾乎是不可能完成的任務(wù)。

圖1 某公司2009年引進的高速板式鏈自動裝配機

圖2 所示機構(gòu)為送片機構(gòu)，也稱為抱鉗。其作用是遞送鏈板到需要裝配的工位，等待壓頭將鏈板壓入銷軸。它像一個夾子一樣，夾住一定數(shù)目的鏈板，在夾頭的下方有一個可以伸縮的小鐵片，使被夾住的鏈板在送到位時保持水平，實際上起到了定位作用，防止由于鏈板傾斜導(dǎo)致壓頭擠壓時鏈板迸出造成危險。抱鉗和壓頭的動作都是靠凸輪驅(qū)動的。

2 對于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的一些改進

2.1 送片定位機構(gòu)設(shè)計

圖2 抱鉗

為克服凸輪驅(qū)動機構(gòu)柔性較差的缺點，可以用氣缸代替凸輪機構(gòu)進行驅(qū)動，實現(xiàn)送料、移鏈等動作。通過計算壓出力大小，即可確定所選氣缸的型號［4］。用PLC配合磁力開關(guān)、接近開關(guān)取代傳統(tǒng)繼電器配合行程開關(guān)的組合，其中PLC體積小、質(zhì)量輕，卻具有強大的功能、很強的適應(yīng)性、較高的可靠性和較強的抗干擾能力。其系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，易于改造，可以簡化線路，并能提高設(shè)備的可靠性和精度［5－6］。

新研制的裝配機如果使用氣缸驅(qū)動，還需針對一些機構(gòu)進行改進設(shè)計，限于篇幅，本文僅以抱鉗及定位機構(gòu)為例(如圖3所示)。

圖3 新設(shè)計的送片、定位機構(gòu)

其工作過程是:首先，排列好的鏈板從2處落料，2處擋板的高度可調(diào)，從而可以改變每次出片的數(shù)量，以適應(yīng)不同規(guī)格鏈條的裝配。然后鏈板推板1由氣缸推桿驅(qū)動將鏈板推出與定位推板4接觸，定位推板4由于受到彈簧拉力影響與1配合，緊緊地“抱”住了鏈板，相當(dāng)于起到了抱鉗的作用，使鏈板水平到達預(yù)定位置，方便壓頭壓下。4的前端呈半圓弧形，這樣壓頭壓下時，4還會進一步退讓，3是與彈簧相連的螺栓，在安裝調(diào)試時要根據(jù)需要調(diào)節(jié)松緊。

2.2 運板設(shè)計

舊式裝配機的運板由凸輪機構(gòu)驅(qū)動，一旦設(shè)計定型，再想要改變動作的次序或時間，幾乎是不可能的。由于運板的運動軌跡是矩形，根據(jù)這一特點設(shè)計了新的運板機構(gòu)，有大小兩塊運板組成:大運板在下，由氣缸驅(qū)動，負(fù)責(zé)縱向運動(移鏈、復(fù)位);小運板在上，由氣缸驅(qū)動，負(fù)責(zé)橫向運動(夾緊、放松)。具體如圖4所示。

圖4 新設(shè)計的送片、定位機構(gòu)

2.3 鏈條裝配壓入力計算

計算鏈條裝拆力的公式［4］如下:

壓入力:

壓出力:

式中:Pfmax為傳遞載荷所需的最大結(jié)合壓強，N/mm2;δmax為最大過盈量，mm;df為結(jié)合直徑;lf為結(jié)合長度;Ca，Ci分別為包容件與被包容件的剛性系數(shù)，查表可得;E為彈性模量，MPa，查表可得;μ為縱向過盈的摩擦系數(shù)，查表可得。

某公司的AL544型板式鏈，其鏈板材料一般為40Mn或40Cr，前者是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，后者是一種中碳調(diào)質(zhì)鋼，銷軸的材料一般為30CrMnTi，是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，通過公式結(jié)合查表，即可計算出裝配壓入力［4］。

首先確定最大過盈量δmax為0.02mm;結(jié)合長度lf即鏈板厚度為2mm;結(jié)合直徑df即銷軸直徑為5.08mm;查表時會用到的泊松比 νa，νi均為0.3，其中下角標(biāo)a代表包容件，νa即為鏈板材料的泊松比，下角標(biāo)i代表被包容件，νi即為銷軸材料的泊松比;根據(jù)直徑比可查表得 Ca=1.681，Ci=0.7;鏈板與銷軸材料的彈性模量Ea，Ei查表可知均為200 000～235 000MPa，計算時可取平均值，即220 000MPa。

最大結(jié)合壓強:

壓入力:

壓出力:

根據(jù)鏈條的結(jié)構(gòu)形式可知，總的壓入力為4倍的單個壓入力:

2.4 導(dǎo)軌疲勞強度校核

作用在導(dǎo)軌上的交變應(yīng)力中，最小應(yīng)力σmin=0，則應(yīng)力比，此種應(yīng)力循環(huán)為脈動循環(huán)。在應(yīng)力比保持一定的條件下，疲勞強度條件應(yīng)滿足［7］:

式中:nσ為計算安全系數(shù);nf為設(shè)計安全系數(shù);σ-1為材料在對稱循環(huán)交變應(yīng)力下的疲勞極限;σm，σa分別為構(gòu)件危險點處所承受的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅;Kσ，εσ和β分別為有效應(yīng)力集中系數(shù)、尺寸系數(shù)和表面質(zhì)量系數(shù);?σ代表材料對于應(yīng)力循環(huán)非對稱性的敏感系數(shù)，可查相關(guān)手冊。

導(dǎo)軌的材料為CrWMn，是一種合金工具鋼，硬度高，耐磨性好。由于總的壓出力為4.18kN，可選輸出力為5kN的氣液增壓缸，導(dǎo)軌實際受壓面積近似等于兩片鏈板(底片)面積之和，約為680mm2，則 σa=7.4MPa，σm=3.7MPa，σ-1=0.35σb，其他系數(shù)查手冊代入，得安全系數(shù)如下:

計算結(jié)果遠(yuǎn)大于nf(一般值為1.5～2.5)，故完全滿足設(shè)計需求。

3 結(jié)束語

現(xiàn)有的板式鏈自動裝配機，體積相對比較龐大，故障率高。采用成本低、結(jié)構(gòu)簡單的氣缸代替凸輪驅(qū)動機構(gòu)，并且使用PLC進行開關(guān)量邏輯控制，不僅大大增強了設(shè)備的柔性，滿足多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，還提高了設(shè)備的可靠性，且便于檢修和維護。鏈條自動裝配機的發(fā)展趨勢應(yīng)該是操作終端為工業(yè)觸摸屏與PLC結(jié)合，使工人操作起來簡單方便;整鏈裝配結(jié)束后與后面的設(shè)備相連，完成液壓鉚頭、跑合預(yù)拉、鏈板漏檢和自動拆節(jié)等步驟，實現(xiàn)“一條龍”的生產(chǎn)。

當(dāng)然，要想實現(xiàn)以上要求，需要改進的地方還有很多，本文只是從送料、定位方面提出了一點改進意見。鏈條的市場需求越來越大，不僅體現(xiàn)在數(shù)量上，更重要的是在質(zhì)量上具有競爭優(yōu)勢，而要提高產(chǎn)品質(zhì)量，首先還是要從生產(chǎn)設(shè)備上下功夫，提高整個行業(yè)的技術(shù)水平。

［1］ 楊剛.我國鏈傳動行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.通用機械，2005(9):21－22.

［2］ 李健，黃開亮，楊剛.機械工業(yè)技術(shù)發(fā)展史(鏈條)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［3］ 楊剛.我國鏈條行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38(5):187 －189.

［4］ 徐灝.機械設(shè)計手冊:第3分冊［M］.2版.北京:機械工業(yè)出版社，2000:153－159.

［5］ 袁向平.簡述PLC的特點及發(fā)展［J］.無線互聯(lián)科技，2011(7):58－59.

［6］ 汪建業(yè)，焦志剛，韓政達.PLC在多工位自動裝配機中的應(yīng)用［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2008，27(3):12 －15.

［7］ 單輝祖.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004:320－333.