一種適應(yīng)多型號(hào)渦輪增壓器的生產(chǎn)線托盤的設(shè)計(jì)和研究

王洪遠(yuǎn)，王 影，呂 光

(1.沈陽運(yùn)澤陽機(jī)電技術(shù)開發(fā)有限公司 技術(shù)部，沈陽 110036；2.沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 特種事業(yè)部，沈陽 110169)

為提升柴油機(jī)功率，改善燃油效率及燃油經(jīng)濟(jì)性，目前渦輪增壓器[1-3]已廣泛配備到柴油機(jī)中。然而由于發(fā)動(dòng)機(jī)品牌和型號(hào)眾多，使渦輪增壓器的規(guī)格增多，由于訂單量小，無法進(jìn)行大規(guī)模和長(zhǎng)時(shí)間的單一品種生產(chǎn)。

絕大多數(shù)渦輪增壓器自動(dòng)化裝配線換產(chǎn)時(shí)需要更換傳輸線的整套托盤夾具[4]，同時(shí)需要進(jìn)行換產(chǎn)調(diào)試，導(dǎo)致整個(gè)周期增長(zhǎng)，從而造成自動(dòng)化生產(chǎn)線利用率降低。因?yàn)椴粩噙M(jìn)行設(shè)備改造，影響生產(chǎn)效率的同時(shí)也造成資源浪費(fèi)，因此一對(duì)一生產(chǎn)無法滿足多品種、小批量的生產(chǎn)需求。但過高的自動(dòng)化程度必然會(huì)導(dǎo)致?lián)Q型復(fù)雜及產(chǎn)品不適應(yīng)性等風(fēng)險(xiǎn)，因此需要在自動(dòng)化程度與多品種換型[5]之間尋求平衡點(diǎn)。所以整套自動(dòng)化裝配設(shè)備采用增壓器的重要裝配尺寸及工藝參數(shù)的裝配、測(cè)試與換型的調(diào)整由設(shè)備自動(dòng)完成；物料的供應(yīng)與裝配定位由操作人員手工或輔助操作完成，采用人機(jī)協(xié)作方式，降低成本同時(shí)降低設(shè)計(jì)難度[6-8]。

1 增壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝分析

柴油機(jī)渦輪增壓器主要由壓縮機(jī)殼體、中間體、渦輪殼體及放氣閥4部分組成，壓縮機(jī)殼體與中間體之間用4套壓板及螺釘連接，中間體與渦輪殼體間用抱箍進(jìn)行連接。

整條生產(chǎn)線分為5道工序，其中第2道為壓縮機(jī)殼體與中間體裝配工序，殼體出氣口與中間體油口裝配有角度要求(δ角)，但不同產(chǎn)品的角度要求不同，角度允許誤差在±1°范圍內(nèi)。第3道為渦輪殼體與壓殼中間體合裝工序，蝸殼進(jìn)氣口與中間體油口裝配有角度要求(β角)，不同產(chǎn)品的角度要求也不同，角度允許誤差在±1°范圍內(nèi)。

為實(shí)現(xiàn)物料的裝卡角度定位能夠柔性化的調(diào)整，傳統(tǒng)的做法是換產(chǎn)時(shí)對(duì)角度定位機(jī)構(gòu)[9]進(jìn)行調(diào)整及更換托盤，但此方式需更換整條生產(chǎn)線的托盤，成本大，占用時(shí)間長(zhǎng)。現(xiàn)設(shè)計(jì)一種托盤及托盤定位結(jié)構(gòu)形式，讓托盤具有通用性以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品在托盤上的δ和β角的自動(dòng)調(diào)整。

2 托盤夾具設(shè)計(jì)

該夾具主要由線體托盤、舉升定位機(jī)構(gòu)及傳輸線構(gòu)成(見圖2所示)。線體托盤承載物料，用三爪卡盤將物料固定，隨著傳輸線傳輸?shù)礁鱾€(gè)工位，托盤上配有RFID[10]讀寫片，物料上線時(shí)工人通過掃碼設(shè)備將物料與托盤進(jìn)行綁定以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和追溯。每個(gè)工位配備一套舉升定位機(jī)構(gòu)[11]，作用是將托盤脫離線體，并實(shí)現(xiàn)托盤自動(dòng)定位及裝配角度的調(diào)整。

圖1 增壓器結(jié)構(gòu)圖

圖2 托盤裝配圖

當(dāng)線體托盤帶著物料傳輸?shù)较嚓P(guān)工位后，舉升氣缸舉升托盤脫離傳輸線，三指氣爪張開夾持轉(zhuǎn)盤[12-13]。伺服電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)整個(gè)氣爪、轉(zhuǎn)盤及物料旋轉(zhuǎn)，配合角度定位機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同的裝配角度要求(δ和β角)。壓縮機(jī)殼體與中間體是通過壓板和螺釘進(jìn)行連接，在擰緊槍對(duì)螺釘進(jìn)行擰緊時(shí)會(huì)造成物料與三爪卡盤的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)造成δ角不合格，在托盤上增加了防轉(zhuǎn)裝置[13]，此裝置由球軸承、單項(xiàng)軸承及防轉(zhuǎn)擋邊構(gòu)成[14]。人工上料時(shí)可以轉(zhuǎn)動(dòng)防轉(zhuǎn)擋邊靠緊壓縮機(jī)殼體的出氣口限制殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

2.1 線體托盤

線體托盤起到對(duì)物料的固定、支撐及定位作用，并且要保證工件的裝配精度。此托盤設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)多品種的兼容功能，工件的夾持固定依靠三爪卡盤夾緊壓縮機(jī)殼體的內(nèi)圓，工件放置板保證工件的平穩(wěn)支撐，這種夾持固定方式能夠適應(yīng)范圍內(nèi)的所有型號(hào)。整個(gè)卡盤夾持部分通過回轉(zhuǎn)軸承與托盤連接，人工能夠手動(dòng)的自由旋轉(zhuǎn)工件，方便人工裝配操作。托盤上配有旋轉(zhuǎn)阻尼裝置，避免托盤在傳輸線上流轉(zhuǎn)時(shí)工件隨意轉(zhuǎn)動(dòng)?？ūP轉(zhuǎn)軸下裝有轉(zhuǎn)盤與舉升機(jī)構(gòu)對(duì)接，通過舉升機(jī)構(gòu)的氣爪夾緊或松開轉(zhuǎn)盤，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的制動(dòng)功能。

圖4 線體托盤結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

2.2 舉升定位機(jī)構(gòu)

整個(gè)機(jī)構(gòu)主要由安裝板、舉升氣缸、舉升導(dǎo)向、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、同步帶輪、鎖緊氣爪及托盤支撐這幾部分構(gòu)成。

當(dāng)線體托盤到位，舉升氣缸伸出，通過支撐塊將托盤托起，同時(shí)鎖緊氣爪的手指深入到托盤的轉(zhuǎn)盤中，當(dāng)鎖緊氣爪張開將托盤的轉(zhuǎn)盤夾緊，旋轉(zhuǎn)電機(jī)即可帶動(dòng)托盤上的工件任意旋轉(zhuǎn)。

圖5 舉升定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

3 托盤夾具的分析和計(jì)算

托盤與舉升定位之間通過三指氣爪進(jìn)行定位連接，在裝配過程中會(huì)承受來自于自動(dòng)擰緊槍的扭矩，因此需要對(duì)此處進(jìn)行力學(xué)校核。

圖6 力學(xué)分析圖

自動(dòng)擰釘槍擰釘時(shí)，最大合扭矩為44 N*m，所以托盤下方的氣爪必須提供摩擦力大于44 N*m，計(jì)算按M=44 N*m。選取三指氣爪型號(hào)為SMC的MHS3-125D，單指可提供最大夾持力在5 MPa氣壓下為F=1 200 N。摩擦系數(shù)u=0.15，計(jì)算轉(zhuǎn)盤直徑D

所以托盤上氣爪夾持直徑取90 mm>81.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

新型托盤夾持定位方式很好的解決了生產(chǎn)線所需的柔性化[15]、多型號(hào)產(chǎn)品快速換型等問題。整個(gè)生產(chǎn)線換型時(shí)只需要在上位機(jī)更改配方設(shè)置就能將各工序的工作站切換到對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的參數(shù)配置，操作簡(jiǎn)單、快速，換型時(shí)間不超過10分鐘，保證了產(chǎn)品的產(chǎn)能及質(zhì)量要求，有效降低了人工的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度。在實(shí)際的使用中很好的達(dá)到了預(yù)期效果，降低了人工成本并提高了經(jīng)濟(jì)效益。