液壓閥芯零件自動(dòng)供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京101300）

0 引 言

液壓閥芯是煤礦綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)內(nèi)的主要零部件[1]，其具有產(chǎn)品批量大、供貨周期要求短的特點(diǎn)。原有的生產(chǎn)模式主要為手工裝配，生產(chǎn)效率低，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，為解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題以及滿足液壓閥芯不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求[2]，筆者公司自主研發(fā)了一條液壓閥芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線。圖1所示回液閥芯零件自動(dòng)供料系統(tǒng)為該生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的主要模塊。本文主要針對(duì)回液閥芯自動(dòng)供料系統(tǒng)開展技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一套旋轉(zhuǎn)分度頂升供料系統(tǒng)，解決了液壓閥芯生產(chǎn)線全自動(dòng)供料的要求，并滿足各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)要求。

圖1 液壓閥芯零件（回液閥芯）

1 技術(shù)要求分析

該系統(tǒng)針對(duì)的零件為回液閥芯，其材質(zhì)為不銹鋼，基本結(jié)構(gòu)為中空?qǐng)A柱體，外徑為φ20 mm，內(nèi)徑為φ13 mm，外部溝槽內(nèi)安裝有聚氨酯O形密封圈和聚四氟乙烯擋圈。通過需求分析調(diào)研，該系統(tǒng)應(yīng)滿足如下技術(shù)要求：1）零件單件供料節(jié)拍在25 s以內(nèi)；2）供料系統(tǒng)要求同時(shí)兼顧產(chǎn)品在線裝配要求，裝配定位精度為±0.08 mm；3）供料過程對(duì)零件特別是其密封錐面不得造成損傷；4）系統(tǒng)具有缺料報(bào)警功能；5）零件人工補(bǔ)料間隔時(shí)長(zhǎng)在2 h以上，且不得停機(jī)補(bǔ)料；6）系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，與生產(chǎn)線能形成快速互聯(lián)互通。

2 自動(dòng)供料技術(shù)分析

通過技術(shù)要求分析可以看出，由于回液閥芯零件為液壓系統(tǒng)高壓精密密封零件，所以本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于如何在對(duì)零件不產(chǎn)生損傷的情況下完成裝配過程的自動(dòng)供料。通過調(diào)研分析，目前在自動(dòng)化裝配行業(yè)對(duì)于金屬小零部件主要采用的自動(dòng)供料方式有振動(dòng)供料、提升式料倉供料、滾筒式料倉供料和托盤供料等幾種形式。

1）振動(dòng)供料。振動(dòng)供料為目前金屬小零部件自動(dòng)供料的最常用方式，主要實(shí)現(xiàn)形式有振動(dòng)盤和直線送料器等。振動(dòng)盤主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其料斗下方設(shè)計(jì)有電磁鐵，通過彈簧鋼板斜向連接盤體和底座，電磁鐵控制器按照設(shè)定頻率（頻率可調(diào)）提供給電磁鐵脈沖電流，使得彈簧鋼板產(chǎn)生周期性的斜向上的振動(dòng)力，從而引起料斗圍繞其垂直軸做扭擺振動(dòng)[3-4]。零件受扭擺力沿料斗內(nèi)的螺旋軌道運(yùn)動(dòng)，按照預(yù)定姿態(tài)供料到出料口。對(duì)于輸送距離較遠(yuǎn)的系統(tǒng)，常在振動(dòng)盤后面增設(shè)直線送料器，以保證足夠的運(yùn)送力。振動(dòng)供料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，但是由于其靠振動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供料，振動(dòng)過程中會(huì)由于碰撞對(duì)精密金屬零件產(chǎn)生損傷，所以通常用于電子零部件、機(jī)加工原材料零部件或者非金屬零部件的自動(dòng)供料。

2）滾筒式料倉供料。滾筒式料倉供料如圖3所示[5]，其工作原理是用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滾筒不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，圓筒中的特有結(jié)構(gòu)將零件拾取，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)到頂部時(shí)，零件自動(dòng)掉落到傳送機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌通過傾斜或振動(dòng)設(shè)計(jì)，將工件輸送到指定位置[6]。該供料系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)在于可以完成較大零件的供料，并且裝置成本低，但其與振動(dòng)盤供料類似同樣會(huì)對(duì)零件產(chǎn)生損傷，也具有較大的噪聲。

圖2 振動(dòng)盤示意圖

3）提升式料倉供料。提升式料倉供料系統(tǒng)主要用于螺釘、金屬?gòu)椘刃×慵墓┝希鄬?duì)于前面提到的振動(dòng)供料和滾筒式料倉供料，由于零件在供料過程中碰撞少，所以對(duì)零件的損傷比較小。提升式料倉供料系統(tǒng)的原理是：采用電動(dòng)機(jī)或者氣缸將料倉內(nèi)的物料通過多級(jí)抬升階梯運(yùn)送到出料口，上料方式簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，主要結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。其主要缺點(diǎn)是對(duì)于復(fù)雜零部件無法按照既定的方向排列運(yùn)送，需要增加額外的大量外部機(jī)構(gòu)，所以主要用于螺釘特別是大長(zhǎng)徑比螺釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)單的零部件供料。

4）托盤供料。托盤供料是一種最為傳統(tǒng)的供料方式，目前手工生產(chǎn)線大部分金屬零部件供料都采用這種方式，該供料方式運(yùn)用到自動(dòng)化生產(chǎn)線需要增加大料的自動(dòng)化配套設(shè)施，諸如上料機(jī)器人、托盤回收機(jī)構(gòu)、托盤輸送機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)、定位機(jī)構(gòu)等。雖然托盤供料方式改造成本較高，且占地空間較大，但其靈活性和柔性同樣受到許多自動(dòng)化生產(chǎn)線的青睞。

綜合分析上述4種常見的供料方式，并按照回液閥芯自動(dòng)供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，上述供料方式在原理和結(jié)構(gòu)上都有一定的局限性，無法滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，所以需要綜合考慮上述設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)一套自動(dòng)供料系統(tǒng)。

圖3 滾筒式料倉

圖4 提升式料倉

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述各供料系統(tǒng)的缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，特別是供料過程不得對(duì)零件及密封錐面造成額外的損傷和滿足供料節(jié)拍和兼顧裝配精度的要求，本文就回液閥芯自動(dòng)供料設(shè)計(jì)了一套旋轉(zhuǎn)分度頂升供料系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：物料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)（凸輪分度系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)盤和物料載體模塊），頂升系統(tǒng)（頂升電缸、下限位傳感器和定位傳感器）及上料系統(tǒng)（夾取系統(tǒng)和平移電缸）。物料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要用于物料間隔分度供料，共有16個(gè)工位，每用完一個(gè)工位的物料分度盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，將下一個(gè)工位的物料提供給頂升系統(tǒng)；頂升系統(tǒng)主要作用為將旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)提供的物料按節(jié)拍單件向上推送，每次將一件回液閥芯工件推送到定位傳感器感應(yīng)的指定位置；上料系統(tǒng)將頂升系統(tǒng)提供的指定位置的回液閥芯利用平移電缸上的氣動(dòng)三爪夾取，然后平移電缸將回液閥芯在指定位置蘸取潤(rùn)滑油后裝配到生產(chǎn)線工件內(nèi)，完成一個(gè)供料工藝流程。

該旋轉(zhuǎn)分度頂升供料系統(tǒng)不僅滿足了設(shè)計(jì)技術(shù)要求，還具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：1）采用機(jī)械式的凸輪分度結(jié)構(gòu)，定位精度高，可靠性高；2）采用多傳感器進(jìn)行定位及工件檢測(cè)，保證了裝配產(chǎn)品的方向合格率；3）系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)線的快拆快裝；4）系統(tǒng)運(yùn)行過程噪聲在40 dB以下，不僅滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還保護(hù)了操作人員的職業(yè)健康。

圖5 旋轉(zhuǎn)分度頂升供料系統(tǒng)

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 凸輪分度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凸輪分割器的設(shè)計(jì)是該自動(dòng)供料系統(tǒng)的關(guān)鍵，本文設(shè)計(jì)選用中空法蘭盤輸出精密凸輪間歇分割器，其工作原理是輸入軸上的球形凸輪（弧面凸輪）與輸出軸上帶有均勻分布滾針軸承的從動(dòng)輪無間隙垂直嚙合，弧面凸輪輪廓面的曲線段驅(qū)使從動(dòng)輪上的滾針軸承帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)位，直線段使分割器靜止，并定位自鎖。通常情況下，球面凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，輸出軸便完成一個(gè)轉(zhuǎn)位和一個(gè)停頓的分度過程[7]。凸輪分割器具有定位精度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，一般單導(dǎo)程間歇分割器分度精度達(dá)到±30″，該系統(tǒng)采用的為雙導(dǎo)程分割器，分度精度為±60″，中空法蘭盤設(shè)計(jì)節(jié)省安裝空間，更利于上方旋轉(zhuǎn)盤、工件和傳感器等輔助裝置的安裝。

除了凸輪分割器本體的選型設(shè)計(jì)，凸輪分度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另外一個(gè)重要方面為輸入軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，其中關(guān)鍵是輸入軸旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算。本文設(shè)計(jì)物料旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)盤半徑R1=300 mm，厚度H=16 mm，旋轉(zhuǎn)盤材料為Q235A，工件位置半徑R2=330 mm，每工位滿載情況下工件總質(zhì)量m1=2 kg，每工位夾具質(zhì)量m2=0.5 kg，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)共含有16個(gè)工位，凸輪分割器導(dǎo)程數(shù)m=2，設(shè)計(jì)每工位旋轉(zhuǎn)時(shí)間T1=1 s，靜止時(shí)間T2=1/3 s，系統(tǒng)輸入軸轉(zhuǎn)速為n=45 r/min，選定旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，額定電壓220 V，根據(jù)上面各設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)最小輸出功率如下[8]：

凸輪分割器驅(qū)動(dòng)角為θ=360°·[T1/(T1+T2)]=270°；旋轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為W0=π·R21·H·ρ1= 35.27 kg，其中，ρ1=7.8 g/cm3；工件總質(zhì)量為W1=16m1=32 kg；工位夾具質(zhì)量為W2=16m2=8 kg。

由此可以得到旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0、工件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1和工位夾具轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2分別為：

則總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=J0+J1+J2=5.94 kg·m2。

4.2 物料載體模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工件人工補(bǔ)料間隔時(shí)長(zhǎng)在2 h以上且不得停機(jī)補(bǔ)料，另外系統(tǒng)需具有缺料報(bào)警功能。為滿足上述要求，設(shè)計(jì)圖6所示的物料載體模塊，該模塊由兩個(gè)部分組成：1）由底板、直線軸承、本體和球頭柱塞組成的基體部分通過螺栓連接固定在旋轉(zhuǎn)盤上，隨旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)共可以搭載16個(gè)模塊；2）由限位塊、托塊和柱體組成的活動(dòng)部分為物料載體模塊主體部分，在操作工人每次更換物料時(shí)，只需要將此部分快速插入到基體部分即可，無需對(duì)供料系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)，更換物料時(shí)間在5 s以內(nèi)，對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍不產(chǎn)生影響。

模塊設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵部件為物料載體模塊內(nèi)的直線軸承和球頭柱塞。直線軸承安裝在本體內(nèi)，主要起到定位作用，保證快速更換物料后，物料仍然能夠滿足夾取系統(tǒng)的拾取精度要求。工裝一共設(shè)計(jì)有3個(gè)球頭柱塞，選取的球頭柱塞內(nèi)部帶彈簧，能夠?qū)χw產(chǎn)生一定的保持力而又不會(huì)導(dǎo)致柱體無法拔出，滿足快速更換成組回液閥芯的要求。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及系統(tǒng)滿載物料情況下的計(jì)算，該設(shè)計(jì)滿足間隔2 h進(jìn)行補(bǔ)料的要求。

物料載體模塊頂部對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)有紅外傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，每次頂升氣缸往上運(yùn)動(dòng)一個(gè)位置，回液閥芯工件到達(dá)檢測(cè)位，紅外傳感器會(huì)檢測(cè)工件有無，如果測(cè)量輸出信號(hào)為“1”，代表此處存在工件，系統(tǒng)信號(hào)傳送給平移電缸夾取工件，如果測(cè)量輸出信號(hào)為“0”，代表此處無工件，系統(tǒng)信號(hào)傳送給頂升氣缸，頂升氣缸向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)位置，如此循環(huán)。假如直到頂升氣缸上限位仍未檢測(cè)到工件，則頂升氣缸下移到原始位，與下限位傳感器進(jìn)行冗余分析后，分割器旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，如此循環(huán)3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)工位（工位數(shù)量可在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)工況進(jìn)行調(diào)整），上端檢測(cè)傳感器仍輸出為“0”，則系統(tǒng)缺料報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行補(bǔ)料。

圖6 物料載體模塊

旋轉(zhuǎn)分度頂升供料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況如圖7所示。

5 結(jié) 論

旋轉(zhuǎn)分度頂升供料系統(tǒng)解決了液壓閥芯零件自動(dòng)供料容易對(duì)產(chǎn)品造成損傷的問題，并且實(shí)現(xiàn)了零件安裝面的100%合格。該系統(tǒng)屬于液壓閥芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的一部分，生產(chǎn)線已于2018年4月投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定，達(dá)到了最終的設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)該系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，為精密液壓產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。

圖7 旋轉(zhuǎn)分度頂升供料系統(tǒng)實(shí)際效果