鼓式制動(dòng)器自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與研究

王吉岱，郝亞東

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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鼓式制動(dòng)器自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與研究

王吉岱，郝亞東

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

傳統(tǒng)的鼓式制動(dòng)器裝配工藝完全由人工完成，存在生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等問題，文中針對傳統(tǒng)鼓式制動(dòng)器裝配存在的問題，分析了鼓式制動(dòng)器各零件的外形尺寸特點(diǎn)以及零件間的相互裝配關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的鼓式制動(dòng)器自動(dòng)裝配生產(chǎn)線。完成了自動(dòng)化裝配線的PLC、人機(jī)界面控制系統(tǒng)的開發(fā)。自動(dòng)裝配生產(chǎn)線運(yùn)行調(diào)試的結(jié)果，滿足企業(yè)生產(chǎn)要求，也為其他同類型不同規(guī)格的鼓式制動(dòng)器自動(dòng)裝配提供了新的思路和設(shè)計(jì)方法。

鼓式制動(dòng)器；裝配生產(chǎn)線；設(shè)計(jì)；人機(jī)界面

0 引言

汽車行業(yè)的發(fā)展促使汽車零部件生產(chǎn)商不斷改進(jìn)新技術(shù)，新技術(shù)的引入提高了生產(chǎn)效率、改善了工作環(huán)境，使企業(yè)在不斷激化的競爭中處于不敗之地。因而相對于人員密集投入的企業(yè)生產(chǎn)，自動(dòng)化越來越受到人們的關(guān)注和企業(yè)的推崇。

目前，國內(nèi)鼓式制動(dòng)器裝配生產(chǎn)基本為人工作業(yè)，還沒有專門的自動(dòng)化裝配設(shè)備，導(dǎo)致裝配效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。此外工作環(huán)境惡劣，在原材料中含有毒物質(zhì)，對工人身體產(chǎn)生嚴(yán)重危害。在此背景下，對鼓式制動(dòng)器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線的研究，顯得十分必要。

為此，本文對鼓式制動(dòng)器自動(dòng)化裝配進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了一條集液壓、氣動(dòng)、電力共同作用的一種鼓式制動(dòng)器自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，對提高裝配效率，改善工作環(huán)境，提高裝配質(zhì)量具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 系統(tǒng)總體布局設(shè)計(jì)

鼓式制動(dòng)器(如圖1所示)是利用制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使制動(dòng)蹄將制動(dòng)摩擦片壓緊在制動(dòng)鼓內(nèi)側(cè)，從而產(chǎn)生制動(dòng)力，根據(jù)需要使車輪減速或在最短的距離內(nèi)停車，以確保行車安全，并保障汽車停放可靠不能自動(dòng)滑移。制動(dòng)器的組成部件很多，其主要部件包括制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄、摩擦片、制動(dòng)底板、制動(dòng)凸輪軸、支承銷、彈簧等[2]。由于組成部件很多，自動(dòng)裝配難度相對較大，必須尋求最優(yōu)的生產(chǎn)節(jié)拍，使裝配線達(dá)到最大的生產(chǎn)效率。

1.制動(dòng)器摩擦片 2.制動(dòng)底板 3.凸輪安裝孔 4.制動(dòng)蹄鐵 5.制動(dòng)銷軸安裝孔

圖1 鼓式制動(dòng)器

在生產(chǎn)管理中，生產(chǎn)節(jié)拍是精益生產(chǎn)的關(guān)鍵理念。生產(chǎn)節(jié)拍簡稱節(jié)拍，又稱線速，它是一個(gè)確定的期間內(nèi)有效生產(chǎn)時(shí)間之和與顧客需求之和相除所得，是控制生產(chǎn)速度的指標(biāo)。明確生產(chǎn)節(jié)拍，就可以指揮整個(gè)工廠的各個(gè)生產(chǎn)工序，保證各個(gè)工序按統(tǒng)一的速度生產(chǎn)加工出零件、半成品、成品，從而達(dá)到生產(chǎn)的平衡與同步化。為了追求更高的裝配線平衡率，更充分地利用資源往往要適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍[3-4]。

本自動(dòng)裝配生產(chǎn)線根據(jù)裝配工藝及最優(yōu)生產(chǎn)節(jié)拍的選擇設(shè)計(jì)了以下流程順序，主要由襯套壓裝工序，蹄鐵銷軸壓裝工序，緊定螺釘安裝工序，檢驗(yàn)工序，搬運(yùn)傳輸工序，制動(dòng)器總成翻轉(zhuǎn)工序，制動(dòng)器總成吊裝碼放工序七個(gè)工序組成[5]。裝配線布局如圖2所示。

1.襯套壓裝工序 2.蹄鐵安裝單元 3.銷軸壓裝工序4.緊定螺釘工序 5.檢驗(yàn)工序 6.轉(zhuǎn)運(yùn)傳輸工序 7.翻轉(zhuǎn)工序 8.吊裝碼放工序

圖2 制動(dòng)器裝配線布局

襯套壓裝工序：該工序采用上下油缸對中，壓裝蹄鐵軸套方式。上下襯套經(jīng)油缸依次壓入制動(dòng)器底板孔內(nèi)，從而取代人工裝配的過程。改善裝配質(zhì)量，提高作業(yè)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

蹄鐵銷軸壓裝工序：此工序工作原理是將蹄鐵銷軸在油缸的作用下，平緩壓入蹄鐵軸孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)蹄鐵銷軸的自動(dòng)找正與裝配。為了減少螺旋升降臺(tái)的負(fù)載壓力，在升降臺(tái)下面安裝有保護(hù)支撐墊塊。壓裝工作過程中，該墊塊在氣缸的作用下被推入升降臺(tái)下方，與油缸形成對壓支撐。

緊定螺釘安裝工序：壓裝銷軸結(jié)束后，即進(jìn)入螺釘安裝工序。該工序由氣動(dòng)操作柄完成緊定螺釘?shù)陌惭b與固定。

檢驗(yàn)工序：蹄鐵隨工裝板進(jìn)入此工序，由操作人員進(jìn)行銷軸安裝質(zhì)量的檢驗(yàn)和調(diào)整。

搬運(yùn)傳輸工序：該工序需要在以上工序裝配完成后，結(jié)合搬運(yùn)機(jī)械手將蹄鐵搬運(yùn)到工作臺(tái)上，從而完成進(jìn)一步的裝配。

蹄鐵銷軸壓裝，緊定螺釘安裝，檢驗(yàn)，搬運(yùn)傳輸以上四道工序都在倍速鏈裝配線體完成。倍速鏈裝配線體(如圖3)上有循環(huán)使用的工裝板，該工裝板用于安放蹄鐵總裝配件，實(shí)現(xiàn)裝配操作的流水化作業(yè)。四道工序之間可以單獨(dú)工作，減少高強(qiáng)度工作量，降低勞動(dòng)成本，提高裝配效率。

1.前球滑臺(tái) 2.倍速鏈 3.工裝板 4.后球滑臺(tái)

制動(dòng)器總成翻轉(zhuǎn)工序：該工序設(shè)置在蹄鐵磨削加工后面，翻轉(zhuǎn)工位的實(shí)現(xiàn)原理是在電機(jī)的帶動(dòng)下，完成制動(dòng)器組裝部件的180°旋轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)后，完成制動(dòng)器背部零件進(jìn)一步的裝配。

制動(dòng)器總成吊裝碼放工序：工作時(shí)氣動(dòng)卡盤將剎車盤總成卡住搬起，將其碼放到托盤上，碼放到設(shè)定高度，叉車將其運(yùn)走，從而完成剎車盤總成總裝的流水連續(xù)作業(yè)。

由于整條倍速鏈在工作過程中效率較高，因而為了不影響其他部分的工作，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三部分完成，襯套壓裝工序可以單獨(dú)完成，制動(dòng)器總成翻轉(zhuǎn)工序也可單獨(dú)完成，控制互不影響。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 制動(dòng)器自動(dòng)裝配線流程圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵工序設(shè)計(jì)

2.1 蹄鐵銷軸壓裝工序設(shè)計(jì)

銷軸壓裝工序設(shè)計(jì)如圖5所示，銷軸的作用是連接制動(dòng)蹄鐵和制動(dòng)底板。銷軸要壓裝在底板銷軸孔與蹄鐵孔內(nèi)。在放置蹄鐵時(shí)，底板銷軸孔與蹄鐵孔要對中，若直接壓裝銷軸，會(huì)出現(xiàn)偏斜難以壓裝以及刮傷連接孔和銷軸情況。本自動(dòng)裝配線，經(jīng)多次試驗(yàn)，最終得到一個(gè)最優(yōu)方案，在壓裝銷軸前，在底板銷軸孔與蹄鐵孔之間加入導(dǎo)向柱，把銷軸放在導(dǎo)向柱之上，此種設(shè)計(jì)方案可以使壓裝流暢[7]。

當(dāng)倍數(shù)鏈運(yùn)轉(zhuǎn)到蹄鐵銷軸壓裝工序時(shí)，處于原點(diǎn)位置的工作桌面(簡稱工作面)在電機(jī)的作用下緩緩上升，到達(dá)最高位置，支撐擋塊在氣缸的作用下推進(jìn)，從而防止壓裝過程中，工作面發(fā)生傾斜。工作完成后，液壓缸回位，支撐塊收回，工裝板循環(huán)進(jìn)入下一工序，完成線體的連續(xù)作業(yè)。

1.工作臺(tái)蝸桿升降機(jī) 2.工作臺(tái)下限位保護(hù)傳感器 3.工作臺(tái)下限位傳感器 4.工作臺(tái)上限位傳感器 5.工作臺(tái)上限位保護(hù)傳感器 6.油缸原點(diǎn)傳感器 7.沖壓油缸 8.油缸壓裝到位接近傳感器 9.銷軸壓裝工作平臺(tái) 10.直流電機(jī) 11.支撐塊氣缸

圖5 蹄鐵銷軸壓裝示意圖

2.2 制動(dòng)器翻轉(zhuǎn)工序設(shè)計(jì)

制動(dòng)器翻轉(zhuǎn)工序設(shè)計(jì)如圖6所示，經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)傳輸工序到達(dá)制動(dòng)器翻轉(zhuǎn)工序后，需要將制動(dòng)器翻轉(zhuǎn)后完成進(jìn)一步的裝配。由于鼓式制動(dòng)器經(jīng)之前五道工序之后，總成接近完成，人工翻轉(zhuǎn)會(huì)非常費(fèi)力，本裝配線出于節(jié)省人力和清潔能源考慮采用氣動(dòng)方式。工作時(shí)，氣缸將制動(dòng)器頂起，氣動(dòng)夾手將制動(dòng)器夾住，直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，氣動(dòng)夾手松開，氣缸收回，完成翻轉(zhuǎn)。

1.制動(dòng)器頂起氣缸 2.制動(dòng)器夾持工作臺(tái) 3.制動(dòng)器4.翻轉(zhuǎn)吊架 5.接近傳感器 6.夾持氣缸 7.翻轉(zhuǎn)電機(jī)8.制動(dòng)器擺放工作臺(tái)

圖6 制動(dòng)器翻轉(zhuǎn)示意圖

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的有效監(jiān)控和高效運(yùn)行，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用具有管理級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級的三級遞階控制模式。三級遞階控制是將一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)模型分解成一組低階模型，每個(gè)低階模型對應(yīng)一個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)對應(yīng)的局部控制器。此類控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于局部故障不至于影響整個(gè)系統(tǒng)，全局與局部控制性能都很高，靈活性和可靠性好，任何子過程的變化對決策的影響都是局部性的[8]。控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成圖

自動(dòng)裝配生產(chǎn)線控制核心單元為OMRON PLC CP系列CP1H CPU單元，傳感器將檢測信號傳送到PLC進(jìn)行信息處理，PLC對電機(jī)控制器、繼電器發(fā)出指令，電機(jī)控制器、繼電器接到命令后控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、氣缸、液壓缸等執(zhí)行動(dòng)作，完成裝配線的自動(dòng)化運(yùn)作[9-10]。

本裝配線人機(jī)界面使用的是威綸觸摸屏，機(jī)型TK6070ip，圖8為操作界面中的主控自動(dòng)界面。

圖8 主控界面

當(dāng)系統(tǒng)單步運(yùn)行需要開啟手動(dòng)界面時(shí)，在主控界面系統(tǒng)模式中撥到手動(dòng)擋，此時(shí)手動(dòng)界面按鈕處于待激發(fā)狀態(tài)，點(diǎn)擊后，進(jìn)入手動(dòng)界面(如圖9所示)，手動(dòng)界面包括襯套壓裝單元，前、后球臺(tái)電機(jī)及氣缸的運(yùn)動(dòng)，以及蹄鐵銷軸壓裝單元平臺(tái)及支撐墊塊的運(yùn)動(dòng)此外還有檢查臺(tái)及擋缸的運(yùn)動(dòng)。

圖9 手動(dòng)界面

系統(tǒng)軟件是基于CX-Programmer的邏輯控制平臺(tái)，單個(gè)制動(dòng)器總成裝配完成的流程如圖10所示，系統(tǒng)上電前，要檢查整個(gè)裝配線各部分是否清潔，不能存在其他異物，保證裝配線運(yùn)行時(shí)流暢。系統(tǒng)上電后，按復(fù)位按鈕復(fù)位，保證送板、推板氣缸，液壓缸，電機(jī)等處于初始位置，然后啟動(dòng)液壓站，按自動(dòng)運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行方式。襯套壓裝完畢，加裝油封后，制動(dòng)器底板與蹄鐵隨工裝板運(yùn)行到壓裝蹄鐵工位(配合按鈕的控制完成，同時(shí)加裝蹄鐵導(dǎo)向柱)，工裝板自動(dòng)脫離倍速鏈一段距離后，支撐塊推入，然后下降壓住支撐塊(保證工作平臺(tái)壓裝過程的穩(wěn)定)，放上銷軸壓裝到位后，工作臺(tái)上升，支撐塊收回，工裝板隨倍速鏈向下工序運(yùn)行；黃油嘴安裝固定完畢后，手動(dòng)氣動(dòng)夾手將制動(dòng)器夾持到翻轉(zhuǎn)工位完成進(jìn)一步裝配后，吊裝碼放后叉車動(dòng)作運(yùn)輸。

圖10 單個(gè)制動(dòng)器總成裝配流程圖

4 裝配線運(yùn)行驗(yàn)證

該自動(dòng)裝配生產(chǎn)線根據(jù)企業(yè)要求進(jìn)行實(shí)地安裝調(diào)試，投入運(yùn)行。按照客戶需求每天完成450件制動(dòng)器的裝配，該生產(chǎn)線運(yùn)作模式為每天3班，每班有三人負(fù)責(zé)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，每班工作8h，每班工作中有兩次休息時(shí)間，每次0.8h，每班下班前有0.2h的機(jī)器維護(hù)時(shí)間，無其他計(jì)劃內(nèi)停工；經(jīng)過一段時(shí)間對計(jì)劃外停工時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，該生產(chǎn)線每班計(jì)劃外停工時(shí)間平均為0.2h；經(jīng)以上有效生產(chǎn)時(shí)間及客戶需求計(jì)算，確定了該生產(chǎn)線最優(yōu)生產(chǎn)節(jié)拍為170s/件，依據(jù)此生產(chǎn)節(jié)拍可輕松完成生產(chǎn)任務(wù)。傳統(tǒng)制動(dòng)器裝配線需每班五人才能完成每天450件制動(dòng)器裝配任務(wù)。相比之下，本自動(dòng)裝配生產(chǎn)線為工人減輕了工作強(qiáng)度，改善了現(xiàn)場工作環(huán)境，極大的提高了工作效率。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種對于鼓式制動(dòng)器的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，與現(xiàn)有的手工裝配相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證各工序之間按照既定的節(jié)拍自動(dòng)完成裝配的工藝過程。該生產(chǎn)線用于鼓式制動(dòng)器裝配過程中，安全衛(wèi)生、低能高效，促進(jìn)鼓式制動(dòng)器裝配行業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、操作規(guī)范化，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

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(編輯 李秀敏)

Design and Research of the Automatic Assembly Line for Drum Brake

WANG Ji-dai, HAO Ya-dong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590,China)

Traditional drum brake assembly process is totally by manual work, and which accompanied by a lot of problems, such as low production efficiency, high labor intensity, poor working environment etc. In the light of the traditional drum brake assembly problem, analysis of the various parts of the drum brake dimensions and characteristics between parts of the mutual cooperation relationship, designed a kind of automatic assembly line of drum brake based on PLC control. The development of the PLC, HMI control system of the automatic assembly line is completed. Automated assembly line to run the debugger a result meet production requirements, but also provides a new way of thinking and design methods for other types of different sizes with drum brakes automatic assembly.

drum brakes; assembly line; design; HMI

1001-2265(2016)10-0145-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.039

2015-12-11；

2016-01-12

王吉岱(1961—)，男，山東泰安人，山東科技大學(xué)教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檫^程裝備與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù),(E-mail)jdwang8911@163.com;通訊作者：郝亞東(1988—)，男，山東棗莊人，山東科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制與生產(chǎn)過程自動(dòng)化，(E-mail)hyd150349@126.com。

TH162；TG65

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