保溫釘自動(dòng)組裝機(jī)設(shè)計(jì)

王友斌，王 慧， 史旭東

(1.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 211167) (2.南京工程學(xué)院科技產(chǎn)業(yè)處,江蘇 南京 211167)

保溫釘是將保溫板固定于墻體上的一種專用工程塑料膨脹釘。由于其應(yīng)用廣泛，相關(guān)學(xué)者做了諸多研究。例如“帶上端翅的環(huán)形保溫釘”，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，保溫材料固定效果好[1]；“一種側(cè)拉型圓環(huán)保溫釘”，其整體性好、強(qiáng)度高，且澆注料不易脫落[2]。

但以上研究都是基于保溫釘本身的設(shè)計(jì)，對(duì)于保溫釘自動(dòng)組裝的研究甚少，目前基本采用傳統(tǒng)的人工組裝方式。為克服現(xiàn)有人工組裝的缺陷，提高保溫釘?shù)慕M裝效率和精度，擴(kuò)大適用范圍，需研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)構(gòu)穩(wěn)定的自動(dòng)組裝設(shè)備。本文在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種保溫釘自動(dòng)組裝機(jī)，該設(shè)備組裝效率高，組裝的保溫釘質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。

1 設(shè)計(jì)需求分析

1.1 產(chǎn)品參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)組裝機(jī)能夠滿足50,60,80,100,120 mm 5種不同規(guī)格的保溫釘產(chǎn)品組裝。生產(chǎn)效率不小于1 000件/min，且插釘?shù)牟缓细衤实陀?.01%。

1.2 生產(chǎn)能力

根據(jù)保溫釘?shù)纳a(chǎn)需求可知，如果插釘效率p≥1 000件/min，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速N=90 r/min，則承釘盤上面的插釘孔數(shù)量n為：

(1)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得n≈11.1，取n=12，即承釘盤上面的插釘孔數(shù)量為12個(gè)。

2 保溫釘自動(dòng)組裝機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案

2.1 自動(dòng)組裝機(jī)的基本構(gòu)成

保溫釘由塑料保溫套和套管內(nèi)的鍍鋅螺絲釘兩部分組成，設(shè)計(jì)自動(dòng)組裝機(jī)的目的是為實(shí)現(xiàn)二者的自動(dòng)組裝。從功能上劃分，自動(dòng)組裝機(jī)由塑料保溫套上料導(dǎo)軌、雙凸輪壓釘機(jī)構(gòu)、鐵釘上料導(dǎo)軌和機(jī)架4個(gè)部分組成。

2.2 總體設(shè)計(jì)方案及其工作原理

圖1為保溫釘組裝機(jī)總體設(shè)計(jì)方案。其組裝主要在承釘盤、撥釘輪和壓釘管上完成。塑料保溫套通過保溫套導(dǎo)軌到達(dá)承釘盤的承釘孔，每個(gè)承釘孔的上方都有一個(gè)壓釘管，并隨著承釘盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)；鐵釘通過鐵釘導(dǎo)軌到達(dá)撥釘輪的撥釘孔，隨著撥釘輪而轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)鐵釘轉(zhuǎn)動(dòng)到與承釘盤相切的位置時(shí)，鐵釘被推入壓釘管。此時(shí)，壓釘管下方的承釘孔內(nèi)也有一塑料保溫套；通過雙凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)壓釘桿向下運(yùn)動(dòng)，從而使壓釘桿推動(dòng)鐵釘沿著壓釘管的內(nèi)筒向下運(yùn)動(dòng)，直到鐵釘脫離壓釘管，并完全進(jìn)入承釘盤上的塑料保溫套內(nèi)，之后壓釘桿和壓釘管開始向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入下一個(gè)組裝循環(huán)。組裝好的保溫釘仍然隨著承釘盤轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，在轉(zhuǎn)動(dòng)到保溫套導(dǎo)軌前被推離承釘盤，掉入收料斗內(nèi)，完成整個(gè)組裝過程。

圖1 保溫釘組裝機(jī)工作原理圖

3 雙凸輪壓釘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 雙凸輪壓釘機(jī)構(gòu)工作原理

雙凸輪壓釘機(jī)構(gòu)主要由內(nèi)、外凸輪組成。內(nèi)凸輪和外凸輪分別固定于安裝套筒的內(nèi)外側(cè)；安裝套筒連接在安裝板上；安裝板通過均布的三根支撐桿裝配在機(jī)架上。

雙凸輪壓釘機(jī)構(gòu)通過內(nèi)、外凸輪的配合，并結(jié)合內(nèi)、外導(dǎo)桿實(shí)現(xiàn)壓釘動(dòng)作。壓釘桿與外導(dǎo)桿相連，壓釘管與內(nèi)導(dǎo)桿相連，其工作原理為：設(shè)備工作時(shí)，內(nèi)、外凸輪靜止不動(dòng)，機(jī)器主軸帶動(dòng)內(nèi)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)導(dǎo)桿與內(nèi)導(dǎo)軌配合，在其作用下，內(nèi)導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)(此時(shí)，由于內(nèi)凸輪靜止，在內(nèi)凸輪軌道的作用下，內(nèi)導(dǎo)桿開始沿著軌道運(yùn)動(dòng))；壓桿支架與內(nèi)導(dǎo)桿相連，并與之同步運(yùn)動(dòng)；壓桿支架帶動(dòng)外導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)(此時(shí)，由于外凸輪靜止，在外凸輪軌道的作用下，外導(dǎo)桿開始沿著軌道運(yùn)動(dòng))。在上述運(yùn)動(dòng)中，由于內(nèi)、外凸輪軌道的軌跡不同，使外導(dǎo)桿的行程大于內(nèi)導(dǎo)桿，即在內(nèi)導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí)，外導(dǎo)軌繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，從而通過壓釘桿將壓釘管內(nèi)的鐵釘推離，完成保溫釘?shù)慕M裝。具體工作原理如圖2所示。

1—壓釘管；2—內(nèi)導(dǎo)軌；3—內(nèi)凸輪；4—外凸輪；5—壓桿支架；6—外導(dǎo)桿；7—內(nèi)導(dǎo)桿；8—壓釘桿

3.2 內(nèi)、外凸輪設(shè)計(jì)[3-4]

內(nèi)、外凸輪是兩個(gè)帶有凸輪軌道的套筒，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 內(nèi)、外凸輪結(jié)構(gòu)

兩凸輪套筒通過安裝套筒裝配在一起，設(shè)備工作時(shí)，兩凸輪套筒固定于安裝套筒上，以便內(nèi)、外導(dǎo)桿沿著既定軌道運(yùn)動(dòng)。從圖3中可以看出，內(nèi)、外凸輪軌道的軌跡并不一致，且內(nèi)凸輪軌道明顯比外凸輪在上下方向的行程短。

雙凸輪設(shè)計(jì)的核心在于外凸輪軌跡的上下行程比內(nèi)凸輪大得多，利用內(nèi)、外凸輪在上下行程的差異，使外凸輪“驅(qū)動(dòng)”的壓釘桿比內(nèi)凸輪“驅(qū)動(dòng)”的壓釘管可以運(yùn)動(dòng)至更低的位置(其差值大于等于鍍鋅螺絲釘長度)，從而推動(dòng)壓釘管內(nèi)的鐵釘脫離壓釘管，并被進(jìn)一步壓進(jìn)塑料保溫套內(nèi)，完成組裝。

3.2.1凸輪設(shè)計(jì)及計(jì)算

凸輪廓線是指根據(jù)工作需求合理選擇凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律繪制出的凸輪周界限。雙凸輪機(jī)構(gòu)作為本文壓釘機(jī)的核心機(jī)構(gòu)之一，其凸輪廓線直接決定了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。其設(shè)計(jì)計(jì)算往往需要根據(jù)實(shí)際需求，并結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行。

3.2.2外凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

外凸輪在一個(gè)周期內(nèi)的工作流程可以分為5個(gè)階段：頂部停留—開始?jí)横敗撞客Ａ簟爻獭敳客Ａ?。同時(shí)，在壓釘開始階段，在凸輪的起始階段應(yīng)設(shè)立一個(gè)緩沖階段，使其在保證機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)的同時(shí)，壓釘?shù)暮蟀攵涡谐棠軌颢@得更大的壓力角，從而獲得更好的壓釘效果。為了保證該壓釘機(jī)在工作時(shí)能夠滿足不同尺寸保溫釘?shù)膲横斝枨?，根?jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，本文選擇的凸輪廓線相關(guān)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 雙凸輪主要設(shè)計(jì)參數(shù) 單位：mm

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將一個(gè)周期開始的頂部停留階段與周期結(jié)束的頂部停留階段進(jìn)行相加后計(jì)算。根據(jù)需求，在外凸輪機(jī)構(gòu)工作的一個(gè)周期中，整個(gè)頂部停留階段，選取其整個(gè)頂部停留階段對(duì)應(yīng)的行程轉(zhuǎn)角β1=70°，由表1可知其外凸輪直徑D=351 mm。根據(jù)圓柱凸輪的幾何特征，可知其圓柱凸輪弧長與凸輪上下行程、壓力角、凸輪直徑、行程轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，如式(2)、式(3)所示：

(2)

(3)

式中：LH為外凸輪機(jī)構(gòu)某個(gè)上下行程段對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長；α為外凸輪機(jī)構(gòu)某個(gè)上下行程段的壓力角；β為外凸輪機(jī)構(gòu)某個(gè)上下行程段的行程轉(zhuǎn)角。

β1為整個(gè)頂部停留階段對(duì)應(yīng)的外凸輪機(jī)構(gòu)行程轉(zhuǎn)角，與外凸輪直徑D一起代入式(2)、式(3)，可求得外凸輪機(jī)構(gòu)整個(gè)頂部停留階段所對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長LH1。

開始?jí)横旊A段可以分為前半段緩沖壓釘階段和后半段壓釘階段，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，可知前半段的行程轉(zhuǎn)角β2=30°，壓力角α1=20°。將其代入式(2)與式(3)，可得外凸輪機(jī)構(gòu)前半段緩沖階段行程段對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長LH2。

將前半段緩沖階段行程對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長LH2和壓力角α2=20°代入式(2)，可以得出其對(duì)應(yīng)的行程H緩沖=33.43 mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，取外凸輪機(jī)構(gòu)后半段壓釘階段對(duì)應(yīng)的行程轉(zhuǎn)角β2=135°，由行程的幾何關(guān)系可得式(4)和式(5)：

H=H緩沖+H壓釘

(4)

H壓釘=H-H緩沖

(5)

將H緩沖代入式(5)可得其后半段壓釘階段行程H壓釘。

由式(2)和式(3)可得外凸輪機(jī)構(gòu)后半段壓釘階段行程對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長LH3及其壓力角α2。

根據(jù)需求，取外凸輪機(jī)構(gòu)底部停留階段對(duì)應(yīng)的行程轉(zhuǎn)角β4=15°，由式(2)可得外凸輪機(jī)構(gòu)該段行程所對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長LH4=45.92 mm。

取外凸輪機(jī)構(gòu)工作回程階段對(duì)應(yīng)的行程轉(zhuǎn)角β5=110°，可得該段行程所對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長LH5=336.77 mm，其壓力角α5=34.34°。

綜上所述，本壓釘機(jī)構(gòu)的外圓柱凸輪理論廓線如圖4所示。

圖4 外圓柱凸輪理論廓線

3.2.3內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與外凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法類似，內(nèi)凸輪一個(gè)周期內(nèi)的工作流程也可以分為5個(gè)階段：頂部停留—下壓—底部停留—回程—頂部停留。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將一個(gè)周期起始和一個(gè)周期結(jié)束的頂部停留階段相加后進(jìn)行計(jì)算。

由表1可得，內(nèi)凸輪上下行程h=60.25 mm。

(6)

(7)

式中：Lh為內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)某個(gè)上下行程段對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長；α′為內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)某個(gè)上下行程段對(duì)應(yīng)的壓力角；β′為內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)某個(gè)上下行程段對(duì)應(yīng)的行程轉(zhuǎn)角。由此可得內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)整個(gè)頂部停留階段行程所對(duì)應(yīng)的圓柱凸輪弧長Lh1=155.43 mm。

同理，下壓階段、底部停留階段、回程階段也可以做類似計(jì)算。

由此可得內(nèi)圓柱凸輪的理論廓線，如圖5所示。

圖5 內(nèi)圓柱凸輪理論廓線

3.3 內(nèi)、外導(dǎo)桿設(shè)計(jì)

內(nèi)、外導(dǎo)桿是實(shí)現(xiàn)雙凸輪運(yùn)動(dòng)的重要零部件，通過壓桿支架相連。整個(gè)保溫釘自動(dòng)組裝機(jī)有12套完全相同的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，均布于組裝機(jī)旋轉(zhuǎn)筒上，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1—鐵釘；2—壓釘管；3—壓桿支架；4—壓釘桿；5—外導(dǎo)軌；6—外導(dǎo)桿；7—外導(dǎo)輪；8—內(nèi)導(dǎo)輪；9—內(nèi)導(dǎo)軌；10—內(nèi)導(dǎo)桿

內(nèi)、外導(dǎo)桿通過內(nèi)、外導(dǎo)輪在雙凸輪軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。內(nèi)導(dǎo)軌固定在設(shè)備的旋轉(zhuǎn)筒上，隨著旋轉(zhuǎn)筒而轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)導(dǎo)桿通過滑塊沿著導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)；內(nèi)導(dǎo)桿、壓釘管與壓桿支架固定在一起，三者同步運(yùn)動(dòng)；外導(dǎo)軌固定于壓桿支架上，通過一個(gè)滑塊與外導(dǎo)軌相連，并且外導(dǎo)桿上裝有壓釘桿，兩者同步運(yùn)動(dòng)。為了適應(yīng)不同規(guī)格的保溫套，壓釘桿和壓釘管的設(shè)計(jì)尺寸見表2。

表2 壓釘管和壓釘桿設(shè)計(jì)參數(shù) 單位：mm

3.4 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩個(gè)上料機(jī)構(gòu)的工作原理相同，均采用振動(dòng)盤來實(shí)現(xiàn)保溫套、鐵釘?shù)暮Y選、排列與輸送。振動(dòng)盤料斗下面設(shè)置的脈沖電磁鐵，可以使料斗作垂直方向振動(dòng)，并由傾斜的彈簧片帶動(dòng)料斗繞其垂直軸做扭擺振動(dòng)。料斗內(nèi)的零件由于受到這種振動(dòng)而沿螺旋軌道上升，在上升的過程中經(jīng)過一系列軌道的篩選或者姿態(tài)變化，零件能夠按照組裝或者加工的要求呈統(tǒng)一狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入組裝或者加工位置。

3.5 保溫釘自動(dòng)組裝機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

保溫釘自動(dòng)組裝機(jī)[5-7]的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，塑料保溫套上料導(dǎo)軌、雙凸輪壓釘機(jī)構(gòu)、鐵釘上料導(dǎo)軌3套機(jī)構(gòu)和機(jī)架共同保證了雙凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)壓釘桿向下運(yùn)動(dòng)，從而使壓釘桿推動(dòng)鐵釘沿著壓釘管的內(nèi)筒向下運(yùn)動(dòng)，鐵釘脫離壓釘管，并完全進(jìn)入承釘盤上的塑料保溫套內(nèi)。

1—塑料保溫套上料導(dǎo)軌；2—雙凸輪壓釘機(jī)構(gòu)；3—鐵釘上料導(dǎo)軌；4—機(jī)架

4 樣機(jī)試制

在保溫釘自動(dòng)組裝機(jī)研制過程中，已為某企業(yè)試制樣機(jī)一臺(tái)，通過調(diào)試現(xiàn)已開始穩(wěn)定組裝保溫釘。組裝機(jī)的運(yùn)行情況驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，并達(dá)到了預(yù)期應(yīng)用效果，大幅降低了人力成本，提高了保溫釘組裝的效率和質(zhì)量。樣機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 樣機(jī)試制

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的保溫釘自動(dòng)組裝機(jī)，通過振動(dòng)盤將保溫套、鐵釘按需要進(jìn)行篩選、排列與輸送；利用內(nèi)、外凸輪在上下行程的差異，實(shí)現(xiàn)壓釘動(dòng)作；利用定傳動(dòng)比齒輪，實(shí)現(xiàn)保溫套與鐵釘?shù)膮f(xié)調(diào)組裝，實(shí)現(xiàn)了保溫釘?shù)淖詣?dòng)組裝，克服了傳統(tǒng)人工組裝方式的缺陷，提高了組裝效率。不僅為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還有效預(yù)防了組裝時(shí)鐵釘對(duì)工人的人身安全傷害。