自動(dòng)鉚接機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聶永增

(廣東省技師學(xué)院，廣東 惠州 516100)

隨著勞動(dòng)力成本的不斷提高，越來(lái)越多的企業(yè)關(guān)注工廠自動(dòng)化這一領(lǐng)域，也給該行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展商機(jī)。機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的開(kāi)發(fā)包含為客戶(hù)提供從方案、加工、組裝到調(diào)試的一體化解決方案。即從產(chǎn)品的構(gòu)思→方案→建?！鰣D→加工→組裝→調(diào)試，提供給客戶(hù)一整套的解決方案。在機(jī)械工程各環(huán)節(jié)中，機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械生產(chǎn)的第1步，應(yīng)在各種限定的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，綜合考慮各項(xiàng)要求，包括最佳的工作性能、最少的制造成本和最低的能源消耗等[1]。

某企業(yè)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)和組裝五金制品，在生產(chǎn)過(guò)程中，一些零件的需求量非常大(以10萬(wàn)件計(jì))，零件緊固、密封和可置換性要求高。本文以該企業(yè)生產(chǎn)的精密接頭零件(見(jiàn)圖1)為例進(jìn)行研究，要求裝配體中的上蓋與底座進(jìn)行鉚接。

圖1 精密接頭零件圖

1 設(shè)計(jì)思路

該零件是自動(dòng)化生產(chǎn)線中的重要零件，裝配工藝要求較高，其高要求主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是緊固性要求高；二是零件變形控制要求高；三是可置換性要求高。相對(duì)而言，手工操作的成本高、產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低；利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行裝配，其自帶的視覺(jué)傳感系統(tǒng)可對(duì)零件進(jìn)行識(shí)別，然后通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行裝配，省去了一些周邊設(shè)備，但成本高。

通過(guò)設(shè)計(jì)制作出一臺(tái)非標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化設(shè)備來(lái)完成裝配和鉚接動(dòng)作，可確保緊固性要求、非裝配位置的尺寸和裝配件的穩(wěn)定一致，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[2]。其機(jī)械設(shè)計(jì)邏輯思路如圖2所示。建模和仿真應(yīng)用SolidWorks軟件完成。

圖2 機(jī)械設(shè)計(jì)邏輯思路

2 零件分析

本次裝配的零件屬于微小零件，底座和上蓋尺寸<10 mm，兩者之間采用過(guò)盈裝配。零件材質(zhì)為Q235，w(C)=0.12%～0.22%，屬于低碳鋼，硬度為36～40 HRC。裝配截面圖如圖3所示，干涉厚度約為0.06 mm，裝配長(zhǎng)度為2.4 mm?？紤]到裝配動(dòng)作不多，涉及零件只有3個(gè)，同時(shí)考慮合理利用空間及方便布局，本次選擇回轉(zhuǎn)式裝配機(jī)。

圖3 裝配截面圖

3 自動(dòng)鉚接機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了確保整個(gè)機(jī)械構(gòu)造結(jié)構(gòu)緊湊，邏輯關(guān)系便于梳理，維修操作方便，整體設(shè)計(jì)如圖4所示。其機(jī)械結(jié)構(gòu)包括底座送料機(jī)構(gòu)、墊片送料機(jī)構(gòu)、上蓋送料機(jī)構(gòu)、分度盤(pán)機(jī)構(gòu)、壓鉚機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)和箱體等。

圖4 整體設(shè)計(jì)圖

3.1 自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的選擇

振動(dòng)盤(pán)是一種自動(dòng)組裝或自動(dòng)加工機(jī)械的輔助送料設(shè)備，簡(jiǎn)稱(chēng)自動(dòng)定向排序送料裝置，能夠?qū)y序的零件進(jìn)行自動(dòng)篩選和排序[3]，實(shí)物圖如圖5所示?？筛鶕?jù)零件的尺寸來(lái)選擇不同尺寸的頂盤(pán)，頂盤(pán)尺寸為φ80～φ1 000 mm。本次設(shè)計(jì)的零件都是微小零件，底座和上蓋零件尺寸<10 mm，同時(shí)參考市場(chǎng)上振動(dòng)盤(pán)的性?xún)r(jià)比，選擇頂盤(pán)尺寸為φ140 mm的振動(dòng)盤(pán)輸送墊片，選擇頂盤(pán)尺寸為φ175 mm的振動(dòng)盤(pán)輸送底座和上蓋。

圖5 振動(dòng)盤(pán)實(shí)物圖

設(shè)計(jì)振動(dòng)盤(pán)出料口與進(jìn)料軌道位置如圖6所示，振動(dòng)盤(pán)出料口與進(jìn)料軌道對(duì)齊，并通過(guò)高度調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整振動(dòng)送料器與進(jìn)料軌道的高度(通常振動(dòng)器的出口高度要比軌道的進(jìn)料口高度高出0.3 mm)。

圖6 振動(dòng)盤(pán)出料口及進(jìn)料軌道

墊片是精密接頭零件的裝配零件之一，厚度只有0.6 mm，外徑只有8.5 mm，輸送軌道設(shè)計(jì)如圖7所示。直線軌道長(zhǎng)度為170 mm，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠振動(dòng)盤(pán)的力度，墊片會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)，而通過(guò)增加直振器(見(jiàn)圖8)可解決墊片前進(jìn)動(dòng)力不足的問(wèn)題[4]。

圖7 墊片(直振/鋼帶)輸送軌道

圖8 直振器實(shí)物圖

3.2 精密接頭零件裝配分度盤(pán)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

精密接頭零件的裝配有3個(gè)進(jìn)料位，加上鉚接裝配工位和卸料位，分度盤(pán)至少有5個(gè)工位，考慮到制造及操作等更加方便，應(yīng)再擴(kuò)展1個(gè)工位；因此設(shè)計(jì)分度盤(pán)為6個(gè)工位，且旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较騕5]。

分度盤(pán)的間歇回轉(zhuǎn)需要選擇合適的控制機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)分度盤(pán)機(jī)構(gòu)、棘輪棘爪機(jī)構(gòu)和凸輪分割器是4種常見(jiàn)的回轉(zhuǎn)間歇機(jī)構(gòu)，經(jīng)對(duì)比(見(jiàn)表1)以及市場(chǎng)最新應(yīng)用情況，選擇采用凸輪分割器及傳感器配合普通電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)間歇控制功能[6]。設(shè)計(jì)分度盤(pán)如圖9所示。

表1 常用回轉(zhuǎn)間歇操作機(jī)構(gòu)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

圖9 設(shè)計(jì)分度盤(pán)

3.3 氣缸、氣液增壓缸的選擇及鉚合部分的設(shè)計(jì)

綜合考慮，3個(gè)進(jìn)料位和1個(gè)卸料位采用適當(dāng)?shù)臍飧走M(jìn)行零件裝卸，4個(gè)工位共用到8個(gè)氣缸。前后運(yùn)動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)型氣缸，上下運(yùn)動(dòng)為了避免干涉采用薄型氣缸[7](見(jiàn)圖10)。

圖10 氣缸的選擇

為保證鉚壓效果，將裝配工位設(shè)計(jì)為直壓型氣液增壓缸，以純氣壓源為動(dòng)力，利用增壓器的大小活塞面積比，將低壓氣壓提高數(shù)十倍變?yōu)楦邏河蛪?，達(dá)到高壓輸出的目的。一般來(lái)說(shuō)，氣液增壓缸的行程較小，行程控制時(shí)應(yīng)充分考慮和利用，避免出現(xiàn)限位無(wú)效的情況。形狀控制方面應(yīng)確保鉚合的質(zhì)量，而且不對(duì)裝配件造成干涉與損害。按照經(jīng)驗(yàn)，單邊留出0.05 mm作為零件放置的間隙，具體設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 鉚合部分的機(jī)械設(shè)計(jì)

4 自動(dòng)鉚接機(jī)機(jī)械構(gòu)造的建模與裝配

自動(dòng)鉚接機(jī)整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)、裝配和修改，以旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為中心，3條進(jìn)料軌道平行放置，壓鉚工位設(shè)置在3條進(jìn)料軌道對(duì)面，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，卸料工位位于壓鉚工位下一個(gè)位置。零件裝配時(shí)，準(zhǔn)確裝配的關(guān)鍵是控制好自由度，包括線性尺寸、平行度、垂直度、同軸度及角度等[8]。當(dāng)出現(xiàn)干涉時(shí)，首先應(yīng)考慮裝配是否正確，排除裝配問(wèn)題后，應(yīng)對(duì)零件特征進(jìn)行修改，直到合適為止。

上述對(duì)自動(dòng)鉚接機(jī)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了總體布置及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備能夠滿足生產(chǎn)需要，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，性能可靠，組裝靈活，操作方便。后續(xù)還應(yīng)進(jìn)行電氣控制設(shè)計(jì)方面，即PLC硬件控制電路設(shè)計(jì)和PLC控制程序設(shè)計(jì)[9]，以及零配件的采購(gòu)、裝配與調(diào)試，本文不再贅述。完成的設(shè)備如圖12所示，裝配成品如圖13所示。

圖12 全自動(dòng)精密接頭零件裝配一體機(jī)設(shè)備圖

圖13 裝配成品圖

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用自動(dòng)鉚接機(jī)提高了精密接頭零件的裝配效率。該設(shè)備把應(yīng)用于機(jī)械裝配控制系統(tǒng)相關(guān)的自動(dòng)化技術(shù)融為一體，實(shí)現(xiàn)了快速連續(xù)自動(dòng)裝配，避免了人工操作導(dǎo)致的部分鉚壓不到位、緊固性不好、裝配零件變形和裝配件穩(wěn)定性不好等情況，減少了人工成本。裝配自動(dòng)化今后將會(huì)向模塊化、柔性化和自動(dòng)化等方面發(fā)展，以滿足多品種生產(chǎn)和自動(dòng)化裝配要求[10]。

[1] 王志強(qiáng). 非標(biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)在工廠中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)機(jī)械，2014(6):185-185.

[2] 李文廣. 淺談非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造[J]. 化學(xué)工程與裝備，2010(10):106-107.

[3] 李洋. 淺談非標(biāo)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化[J]. 中國(guó)機(jī)械, 2013(7):191-191.

[4] 許菁. 運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)[J]. 網(wǎng)友世界·云教育, 2013(Z3):46-47.

[5] 曹仁濤. 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法淺析[J]. 甘肅科技，2012(23):77-78.

[6] 吳修文，郭紅玉，何偉寧. 生產(chǎn)裝配線中氣動(dòng)分度盤(pán)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2009(1):42-44.

[7] 張萍. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[8] 蘇義. 基于現(xiàn)代化的機(jī)械裝配自動(dòng)化應(yīng)用及發(fā)展研究[J]. 電子測(cè)試，2015(10)：36-37.

[9] 鄭相周，唐國(guó)元. 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[10] 秦勇堅(jiān). 現(xiàn)代化機(jī)械裝配自動(dòng)化的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 科技信息，2013(5)：137.