渦旋壓縮機動渦盤組件自動裝配專機設(shè)計

周 波，余心明

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

0 引言

渦旋壓縮機是一種新型高效的容積式壓縮機，廣泛用作新能源汽車空調(diào)壓縮機[1]。動渦盤組件是渦旋壓縮機的重要部件，包括固定在動渦盤的防自轉(zhuǎn)機構(gòu)、軸承、擋圈等。滾珠防自轉(zhuǎn)機構(gòu)是常用的一種防自轉(zhuǎn)機構(gòu)型式，常采用圈銷類型[2]。渦旋壓縮機動渦盤的裝配水平直接影響著渦旋壓縮機的整體裝配水平。

國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)、科研院所對渦旋壓縮機進行了深入研究，他們在渦旋壓縮機設(shè)計、制造關(guān)鍵技術(shù)、裝配及系列產(chǎn)品開發(fā)方面取得了突出成果[3-5]。另外我國試制了首條無油渦旋空氣壓縮機生產(chǎn)線；羅偉對渦旋壓縮機裝配線進行了規(guī)劃平衡改善，并指出自動化裝配線是發(fā)展方向[6-7]。目前，工程上渦旋壓縮機的裝配多采用流水線裝配，但對圈銷結(jié)構(gòu)渦旋壓縮機尤其是動渦盤組件的裝配卻鮮有報告。通過對相關(guān)企業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，動渦盤組件裝配環(huán)節(jié)多采用半自動裝配，即自動線將工件輸送到各工位后各工位工人進行裝配。此勞動強度大，人力成本較高，裝配質(zhì)量難以持續(xù)保證，而目前缺少針對性的自動裝配專機，現(xiàn)有的自動裝配機又難以滿足該環(huán)節(jié)自動裝配工程需要。

為解決上述問題，提高相關(guān)企業(yè)渦旋壓縮機裝配的自動化水平和裝配效率，保證裝配質(zhì)量，在考慮相關(guān)企業(yè)現(xiàn)有渦旋壓縮機裝配線特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種針對圈銷結(jié)構(gòu)渦旋式壓縮機動渦盤組件的自動裝配專機。

1 總體方案及結(jié)構(gòu)布局

動渦盤組件由軸承、擋圈、銷、墊板和防自轉(zhuǎn)孔板(定珠圈)組成。銷與動盤為過盈配合，與孔板對應(yīng)孔為間隙配合，其通常選用圓柱銷或彈性銷。銷外伸出動盤的高度為孔板高度的80%～95%，對壓裝位置精度要求較高[8]。軸承與軸承孔為過盈配合。

動渦盤組件自動裝配專機包括：直線導(dǎo)軌機構(gòu)、軸承裝配機構(gòu)、擋圈裝配機構(gòu)、銷裝配機構(gòu)、墊板裝配機構(gòu)、孔板裝配機構(gòu)。

動渦盤組件實物如圖1所示，專機的總體結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

1.定珠圈 2.墊板 3.孔用擋圈 4.軸承 5.銷 6.工藝孔圖1 動渦盤組件

圖2 總體結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到控制精度、后續(xù)的維保，本專機的動力以電機驅(qū)動為主、氣動為輔；考慮到渦旋壓縮機直線型裝配線的特點，專機主體采用直線導(dǎo)軌機構(gòu)，通過伺服電機驅(qū)動的滾珠絲杠螺母機構(gòu)實現(xiàn)隨行滑臺和定位夾具在各工位上的精確定位；考慮整個渦旋壓縮機裝配要求，專機的裝配時間應(yīng)滿足后續(xù)裝配的節(jié)拍時間要求；考慮到物料添加問題，料倉、機械手等部分放在專機的外側(cè)，壓裝部分在內(nèi)側(cè)。

伺服電動缸是本專機壓裝機構(gòu)的核心，是將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠-螺母傳動副轉(zhuǎn)換成直線運動，主要由伺服電動機、減速器、缸體、絲杠、推桿等組成，并內(nèi)置壓力傳感器和位移傳感器[9]。

圖3 機械手結(jié)構(gòu)示意圖

機械手的作用是將物料精確放置在動渦盤相應(yīng)位置，通過伺服電機執(zhí)行z軸豎直運動和繞z軸旋轉(zhuǎn)運動。機械手豎臂上裝氣動手指或吸盤完成相應(yīng)夾取操作。機械手的結(jié)構(gòu)如圖3所示，系列動作如圖4所示。

圖4 機械手系列動作

2 機械結(jié)構(gòu)

2.1 軸承裝配機構(gòu)

軸承裝配機構(gòu)主要由供料部分、壓裝部分和機械手組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軸承裝配機構(gòu)示意圖

考慮到將料從料倉頂部頂出的絲杠螺母升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且料倉不便于加料，采用氣缸從料倉底部推料供料型式；考慮到動渦盤軸承孔加工有一定深度的小錐度倒角，利用機械手將軸承放置到動渦盤軸承孔中定位。底部擋邊上開有檢驗口，用以檢測料倉底滑道內(nèi)有無物料。機械手上裝有氣動手指，其高度小于軸承高度；壓頭組件壓頭保證力施加在軸承外圈。

工作過程：料倉中的軸承逐個推出，機械手夾取軸承放置到動渦盤軸承孔中，伺服電動缸壓裝軸承，同時傳感器對壓裝過程進行監(jiān)控。

2.2 擋圈裝配機構(gòu)

擋圈自動裝配裝置包括：存推料部分、壓裝部分和導(dǎo)套部分。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 擋圈裝配機構(gòu)示意圖

料倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)與擋圈結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，為防止輸送動渦盤的過程中與裝置接觸摩擦，動渦盤應(yīng)與裝置有一定間隙；裝配時導(dǎo)套底部直邊段插入動渦盤擋圈槽處。為防止擋圈裝入擋圈槽的瞬間，壓制力的突然消失，造成導(dǎo)套在彈簧的作用下反彈引起機構(gòu)的過大振動，壓頭件的防回彈軸部分下端面設(shè)有膠墊。彈簧有足夠的彈性以抬升導(dǎo)套，且抬升的距離不應(yīng)過大。導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)特點可以對擋圈的歪斜進行調(diào)整，保證擋圈順利進入擋圈槽內(nèi)。定位導(dǎo)柱與導(dǎo)套過盈配合，定位導(dǎo)柱與臺座間隙配合。伺服電動缸在原點位置時壓頭件底面應(yīng)略高于進料口，配合導(dǎo)套的進料口結(jié)構(gòu)，可有效防止擋圈的歪斜。

工作過程：推料機構(gòu)將料倉中的擋圈推至導(dǎo)套內(nèi)，伺服電動缸執(zhí)行壓裝操作將擋圈壓到槽內(nèi)。

2.3 銷裝配機構(gòu)

銷裝配機構(gòu)主要包括壓裝部分、機械手和送料部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 銷裝配機構(gòu)示意圖

導(dǎo)套組件設(shè)有導(dǎo)套，作用是使銷豎直對正動渦盤銷孔，便于后續(xù)壓裝操作。壓頭組件上有壓頭，壓頭數(shù)量與銷孔數(shù)一直，壓頭大小與導(dǎo)套相適應(yīng)。緊湊型氣動手指末端的兩側(cè)加裝根據(jù)工件尺寸和形狀專門設(shè)計的夾塊，夾塊結(jié)構(gòu)與銷結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，特別應(yīng)保證裝彈性銷時銷正好閉合防止彈性銷被壓潰。

振盤由專業(yè)廠家設(shè)計，無需另行設(shè)計，應(yīng)采取消音隔音措施[10]。送料機構(gòu)通過伺服電機驅(qū)動凸輪分度器實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的高精度間歇回轉(zhuǎn)。凸輪分度器固定在工作臺上，輸入端連接伺服電機，輸出端連接轉(zhuǎn)盤。送料機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 送料機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

工作過程：機械手將送料機構(gòu)上的銷放到導(dǎo)套內(nèi)，伺服電動缸執(zhí)行壓裝操作將銷壓入到槽內(nèi)。

2.4 墊板裝配機構(gòu)

墊板裝配機構(gòu)由機械手和供料部分組成，供料部分工作原理與軸承供料部分相似。墊板裝配機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 墊板裝配機構(gòu)示意圖

工作過程：墊板推料氣缸將料倉中的墊板推到料槽中，真空吸盤機械手負責(zé)吸住墊板放置在動渦盤對應(yīng)位置上。

2.5 孔板裝配機構(gòu)

孔板裝配機構(gòu)主要由壓裝部分、機械手和供料部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 孔板裝配機構(gòu)示意圖

工作過程：機械手定位柱下壓推到裝盤上的孔板；伺服電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)動過程中定位圓筒進入銷孔中，從而孔板被轉(zhuǎn)正。然后機械手系列動作并通過銷和銷孔倒角將孔板穩(wěn)固在銷上，繼而壓裝機構(gòu)進行壓裝操作。

料倉結(jié)構(gòu)與孔板相適應(yīng)，定位柱要保證質(zhì)量，遇到損傷要及時更換，結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 定位柱結(jié)構(gòu)示意圖

3 氣動系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)物料的推送和夾取操作。氣動系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 氣動系統(tǒng)原理圖

推料氣缸選擇活塞帶磁性的氣缸，便于利用磁性開關(guān)來檢測氣缸活塞的運動行程[11]。手指氣缸與真空發(fā)生器均采用雙電控二位五通電磁閥控制，避免異常斷電導(dǎo)致夾取物料的滑落。手指氣缸初始處于伸出狀態(tài)，手指處于打開狀態(tài)[12-13]。

4 控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動器、伺服電機、編碼器、光電傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、聲光報警器、按鈕開關(guān)、行程開關(guān)和電磁閥構(gòu)成。各裝配工位設(shè)有PLC，直線導(dǎo)軌機構(gòu)PLC為總站PLC?？傉綪LC 控制專機動作，讀取各工位工作信息并把這些信息傳遞給觸摸屏進行顯示，同時把觸摸屏的指令發(fā)送給相關(guān)單元，控制相關(guān)單元的工作情況[14]。

控制系統(tǒng)框圖如圖13所示[15]。

圖13 控制系統(tǒng)框圖

4.2 系統(tǒng)控制程序

系統(tǒng)可完成手動運行和自動運行，運行時系統(tǒng)按工序順序控制完成相應(yīng)操作。裝配完成后，取件機械手將裝配好的動渦盤組件取走放在輸送線上送至下一工序，工作臺伺服電機回原點；通過伺服電機的編碼器和電流傳感器實現(xiàn)過程的閉環(huán)控制[16]。

圖14 總體控制流程圖 圖15 軸承裝配控制流程圖

系統(tǒng)具備自檢功能，通過光電傳感器監(jiān)測有無動渦盤、料倉內(nèi)有無物料；遇到異常情況系統(tǒng)具備報警保護功能；通過伺服電動缸模塊化的閉環(huán)控制系統(tǒng)對壓裝過程的位移、力和時間進行監(jiān)控，控制壓力、位移和速度。具體系統(tǒng)的控制流程如圖14～圖19所示。

圖16 銷裝配控制流程圖 圖17 擋圈裝配控制流程圖

圖18 孔板裝配控制流程圖 圖19 墊板裝配控制流程圖

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種針對圈銷結(jié)構(gòu)渦旋壓縮機動渦盤組件自動裝配專機，能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)零部件的自動化裝配。裝置采用PLC控制，通過氣動系統(tǒng)、電機驅(qū)動機構(gòu)、合理的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)各工位間的精確切換進而完成各工序的裝配操作。裝置能夠適應(yīng)相關(guān)企業(yè)現(xiàn)有渦旋壓縮機裝配線，升級了相應(yīng)動渦盤組件裝配裝置，提高了渦旋壓縮機的自動化裝配水平和裝配效率，實現(xiàn)了全自動化裝配，降低了人力成本，能夠滿足工程需要。