簡(jiǎn)述一種自動(dòng)化壓裝可變位壓頭設(shè)計(jì)

胡勝雨

摘 要 本文針對(duì)自動(dòng)化壓裝裝配中實(shí)際應(yīng)用的一種情況設(shè)計(jì)一款壓裝壓頭結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行粗略的計(jì)算和強(qiáng)度校核。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)化;壓裝;壓頭結(jié)構(gòu)

隨著科技的快速發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)化領(lǐng)域。人們對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，大量的自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用使產(chǎn)品的質(zhì)量能夠更好地管控，同時(shí)也能對(duì)產(chǎn)品的歷史進(jìn)行追溯。本文針對(duì)現(xiàn)實(shí)情況，依據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)一款在自動(dòng)化生產(chǎn)裝配線(xiàn)中應(yīng)用的自動(dòng)壓裝機(jī)構(gòu)，著重介紹其中關(guān)于壓裝壓頭機(jī)構(gòu)部分。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1所示。

壓頭機(jī)構(gòu)的主要組成部分如圖中所描述，在工作工程中，整個(gè)壓頭機(jī)構(gòu)的動(dòng)力部分由伺服電機(jī)提供，選用伺服電機(jī)的好處是可以精確控制壓頭在壓裝過(guò)程中位移，這對(duì)壓裝裝配工藝中位置有要求的情況是十分有利的。整個(gè)壓裝力的傳遞由壓缸機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行，其內(nèi)部主要是由滾珠絲杠組成，滾珠絲杠傳動(dòng)效率高，可達(dá)90%以上，相對(duì)于普通絲杠傳動(dòng)效率高位置精度更加精確。壓缸機(jī)構(gòu)兩側(cè)的導(dǎo)向軸起導(dǎo)向作用外還兼顧著平衡壓裝時(shí)由于壓裝力不是完全豎直是引起的水平方向的分力，如果此分力全部作用到壓缸機(jī)構(gòu)上，會(huì)加劇內(nèi)部絲杠與端部密封結(jié)構(gòu)的摩擦損耗，影響使用壽命。增加兩根導(dǎo)向軸能有效避免水平方向的分力作用到壓缸機(jī)構(gòu)上對(duì)壓缸機(jī)構(gòu)產(chǎn)生破壞[1]。

關(guān)于電機(jī)的選擇，本文此次僅對(duì)所需驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下

式中：T-所需驅(qū)動(dòng)扭矩 N·mm

Fa-輸出力 N

Ph-導(dǎo)程 mm

η-傳動(dòng)效率

Tp-摩擦引起的扭矩 N·mm

i-減速比

式中所需數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)際情況，輸出力Fa=196000N，絲杠導(dǎo)程Ph=20mm，傳動(dòng)效率η=0.95，摩擦扭矩Tp=25000N·mm，減速比i=1/40。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取相應(yīng)的伺服電機(jī)。選取伺服電機(jī)除了電機(jī)的輸出扭矩要求，對(duì)于伺服電機(jī)的功率，可帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，控制方式的都有要求，并有相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算選取，這里不做介紹。

在壓缸機(jī)構(gòu)和壓頭之間裝有壓力檢測(cè)裝置，內(nèi)有壓力傳感器，可對(duì)壓裝過(guò)程中壓力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。針對(duì)不同壓裝工藝要求設(shè)置不同的壓裝力，配合伺服電機(jī)和滾珠絲杠的使用可對(duì)壓裝過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制，并通過(guò)計(jì)算軟件可以合成壓力位移曲線(xiàn)，對(duì)于后期產(chǎn)品的品質(zhì)分析提供數(shù)據(jù)分析來(lái)源[2]。

下端的壓頭部分主要有兩大部分組成，分為主可變壓頭和副壓頭，這兩部分共同裝配在一塊可移動(dòng)基板上，并有一個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)來(lái)變換兩組壓頭的工作位置。變換時(shí)機(jī)由PLC依據(jù)產(chǎn)品型號(hào)進(jìn)行控制。對(duì)于本次壓裝生產(chǎn)要求，兩組壓頭中主可變壓頭是一套可同時(shí)兼容兩種產(chǎn)品的壓頭裝置，副壓頭僅對(duì)應(yīng)一種產(chǎn)品。主可變壓頭采用內(nèi)外套裝結(jié)構(gòu)，外部是針對(duì)產(chǎn)線(xiàn)上大型產(chǎn)品壓裝的外壓頭，內(nèi)壓頭針對(duì)相對(duì)小一個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品。內(nèi)外壓頭的轉(zhuǎn)換采用氣缸推動(dòng)轉(zhuǎn)換，內(nèi)壓頭與外壓頭之間有導(dǎo)向軸貫穿連接，導(dǎo)向軸上套有壓縮彈簧，彈簧力一直保持向外部頂住內(nèi)壓頭內(nèi)外壓頭之間有介入擋塊機(jī)構(gòu)。這里規(guī)定副壓頭對(duì)應(yīng)壓裝1號(hào)產(chǎn)品，主可變壓頭外壓頭對(duì)應(yīng)壓裝2號(hào)產(chǎn)品，主可變壓頭的內(nèi)壓頭對(duì)應(yīng)壓裝3號(hào)產(chǎn)品。當(dāng)設(shè)備上來(lái)料為1號(hào)產(chǎn)品時(shí)，PLC控制主副壓頭轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中的氣缸動(dòng)作，推動(dòng)移動(dòng)基板將副壓頭推送到壓缸機(jī)構(gòu)正下方，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)壓裝機(jī)構(gòu)下移開(kāi)始?jí)貉b，壓裝時(shí)監(jiān)控壓裝力和下壓位移量是否滿(mǎn)足產(chǎn)品規(guī)定的壓裝要求，要是都滿(mǎn)足則判斷壓裝合格，如果其中有一項(xiàng)數(shù)據(jù)異常，與產(chǎn)品壓裝要求數(shù)據(jù)不符合則進(jìn)行異常報(bào)警，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為后續(xù)分析做準(zhǔn)備。當(dāng)設(shè)備上來(lái)料為2號(hào)產(chǎn)品時(shí)，PLC控制主副壓頭轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中氣缸動(dòng)作，推動(dòng)移動(dòng)基板將主可變壓頭推送到壓缸機(jī)構(gòu)正下方，壓裝機(jī)構(gòu)下壓，此時(shí)的主可變壓頭中內(nèi)外壓頭之間的介入擋塊機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，壓裝時(shí)內(nèi)壓頭會(huì)被2號(hào)工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)頂起退縮到外壓頭內(nèi)部上方位置，不介入壓裝過(guò)程，其余動(dòng)作過(guò)程與副壓頭壓裝1號(hào)產(chǎn)品時(shí)一樣，壓裝結(jié)束后壓頭抬升時(shí)彈簧機(jī)構(gòu)將內(nèi)壓頭頂回到原位置。當(dāng)壓裝3號(hào)產(chǎn)品時(shí)，主可變壓頭還應(yīng)在壓缸機(jī)構(gòu)正下方，這是時(shí)主可變壓頭中的內(nèi)壓頭開(kāi)始工作，在壓裝之前主可變壓頭中的介入擋塊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將內(nèi)壓頭擋住防止其抬升回到上部，將其阻擋在工作位置，直到整個(gè)壓裝過(guò)程完成。在每個(gè)壓裝過(guò)程結(jié)束后伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)上升到初始設(shè)定的原點(diǎn)位置，下端部分的壓頭機(jī)構(gòu)也可以回到初始原點(diǎn)位置，也可以不用回，但需要控制系統(tǒng)記住當(dāng)前各壓頭的位置狀態(tài)，保證下次壓裝時(shí)能夠選取正確的壓頭機(jī)構(gòu)。

對(duì)于此次壓頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)上看，在同等壓力條件下，內(nèi)壓頭的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)其余兩種壓頭的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)看是最容易損壞的一個(gè)，因此對(duì)內(nèi)壓頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果如下圖所示。

從圖2內(nèi)壓頭模型強(qiáng)度分析看出，在額定壓力情況下，內(nèi)壓頭所受壓力強(qiáng)度最大值為1.64Mpa，內(nèi)壓頭材料為45碳鋼并做調(diào)質(zhì)處理，其本身屈服強(qiáng)度為3.75Mpa，安全系數(shù)達(dá)到2.3倍，滿(mǎn)足使用條件。圖3為內(nèi)壓頭受壓后的變形量分析，從圖中看出最大綜合位移量為0.03mm，對(duì)于產(chǎn)品本身的壓裝位置精度要求±0.1mm來(lái)說(shuō)完全滿(mǎn)足[3]。

本次設(shè)計(jì)的壓裝壓頭結(jié)構(gòu)下端的主副壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成了一種可以拆卸更換的機(jī)構(gòu)形式，當(dāng)產(chǎn)品換型時(shí)這種壓頭不能滿(mǎn)足壓裝要求，可將其拆下?lián)Q上其他結(jié)構(gòu)的壓頭，不需要更換所有壓裝機(jī)構(gòu)，提高了整體設(shè)備的通用性。

參考文獻(xiàn)

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[3] 陳超祥，胡其登.SOLIDWORKS Simulation高級(jí)教程（2018版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：59.