一種摩托車轉(zhuǎn)向燈自動化裝配工作站的設計與實現(xiàn)

趙曉霞，陳啟佳，陳三才

（1.廣州市技師學院，廣州 510450；2.廣州市新精東智能裝備有限公司，廣州 510925）

0 引言

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，自動化技術運用在機械工業(yè)制造環(huán)節(jié)中，實現(xiàn)自動加工和連續(xù)生產(chǎn)，提高機械生產(chǎn)效率和質(zhì)量，釋放生產(chǎn)力[1]。裝配作為產(chǎn)品制造的最終過程，由于本身所具有的復雜性，其自動化程度遠低于其他作業(yè)，成為制約生產(chǎn)率提高的重要因素[2]。近些年，國內(nèi)外針對裝配的自動化設備已有很多研究，華南理工大學的王衛(wèi)民[2]設計了摩托車發(fā)動機柔性裝配工作站，通過回轉(zhuǎn)式機器人柔性裝配。中科新松有限公司的李偉嶺[3]設計了高壓燃油泵柱塞彈簧自動裝配工作站，具備裝配與檢測功能。廣西科技大學的龍裕嘉[4]設計了一種新型液壓油裝配機構，實現(xiàn)了自動上料、自動檢測調(diào)整、自動安放的功能。

對于摩托車轉(zhuǎn)向燈，其裝配包括夾取、送料、旋緊（燈泡）、檢測（燈泡）、螺釘旋裝（正反面）、放置（燈罩、墊片）等動作，軌跡較為簡單，涉及零部件數(shù)量有10個，適合實現(xiàn)自動化裝配。目前，市場上摩托車轉(zhuǎn)向燈的組裝主要是人工流水線作業(yè)，人工成本高、生產(chǎn)效率低。針對摩托車配件行業(yè)內(nèi)自動化裝配設備缺失，本文設計了以一款摩托車轉(zhuǎn)向燈為應用對象的自動化裝配工作站，該工作站體積小、重量輕，通過實際應用，滿足了企業(yè)批量生產(chǎn)摩托車轉(zhuǎn)向燈的需求[5]。

1 工作站組成

摩托車轉(zhuǎn)向燈是由燈柄、燈泡、燈罩、墊片和螺釘組成，如圖1所示。摩托車轉(zhuǎn)向燈自動化裝配工作站是實現(xiàn)摩托車燈柄的燈柄放置與接線、燈泡裝配與旋緊、燈檢測與燈罩裝配、兩個墊片裝配、正面兩個螺釘裝配旋緊和反面一個螺釘裝配旋緊的自動化裝配設備。工作站主要由機械系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、工作站機體3個部分組成，如圖2所示。其中，機械系統(tǒng)主要由結(jié)構主體六位回轉(zhuǎn)臺和燈泡裝配機構、燈罩裝配機構、墊片裝配機構、燈罩螺釘裝配旋緊機構、反面螺釘裝配旋緊機構的5個末端執(zhí)行機構組成；控制系統(tǒng)采用信捷PLC為控制器組件，主要配置了8個步進驅(qū)動器、光線傳感器、磁性開關、機械手或執(zhí)行末端件運作氣缸[6-8]。

圖1 摩托車轉(zhuǎn)向燈的組成

圖2 工作站組成

2 工作流程

工作站按摩托車轉(zhuǎn)向燈裝配工序，結(jié)構主體設有6個工位，如圖3所示。人工將車燈柄放入六位回轉(zhuǎn)臺的工位1夾具中，且將車燈柄的連接電線插入夾具中的電位槽；回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到工位2時，燈泡裝配機構末端的氣夾旋轉(zhuǎn)機械手夾持燈泡裝配到車燈柄中并旋緊；回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到工位3時，先通電檢測燈泡7 s，然后燈罩裝配機構末端的氣夾機械手夾持燈罩裝配到車燈柄上，再斷電；回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到工位4時，墊片裝配機構末端的管式真空發(fā)生器吸附墊片1放置在燈罩上孔1處，再吸附墊片2放置在燈罩上孔2處；回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到工位5時，正面螺釘旋緊機構末端的直柄式氣動螺絲批吸附螺釘1放入在燈罩上孔1處并旋緊，再吸附螺釘2放入在燈罩上孔2處并旋緊；回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到工位6時，夾具翻轉(zhuǎn)180°，反面螺釘旋緊機構末端的直柄式氣動螺絲批吸附螺釘放入在車燈柄反面孔中再旋緊，夾具再翻轉(zhuǎn)回正面；最后，回轉(zhuǎn)臺回到工位1，完成車燈所有零件安裝，人工取出車燈柄[9-10]。

圖3 工作站的6個工位

3 機械系統(tǒng)設計

3.1 結(jié)構主體六位回轉(zhuǎn)臺

六位回轉(zhuǎn)臺是實現(xiàn)車燈柄6個工位裝配的回轉(zhuǎn)裝置。該機構由回轉(zhuǎn)盤、6個可翻轉(zhuǎn)夾具、頂緊裝置、旋轉(zhuǎn)氣缸、分度盤、伺服電機組成，如圖4所示?；剞D(zhuǎn)盤設計為圓形，盤上有6個均勻分布的扇形通槽，扇形通槽主要作用是便于回轉(zhuǎn)盤工位6處夾具翻轉(zhuǎn)后頂緊裝置中支撐座上下移動，同時也減輕回轉(zhuǎn)盤的重量。6個可翻轉(zhuǎn)夾具結(jié)構均一致，當回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到工位1～5時，夾具均是正面為工作狀態(tài)；當回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到工位6時，夾具翻轉(zhuǎn)后反面為工作狀態(tài)。

圖4 六位回轉(zhuǎn)臺組成

可翻轉(zhuǎn)夾具設計為懸臂式，由夾具體、夾具座、軸承座、翻轉(zhuǎn)連接塊、頂緊塊、拉塊、軸承、軸套、軸和彈簧組成，如圖5所示。其中夾具體內(nèi)腔是根據(jù)燈柄下表面的曲面擬合設計，且為了解決夾具懸空部分的整體重量，夾具體采用注塑成型。夾具夾緊是通過頂緊裝置氣動控制氣缸端部的連接塊將夾具內(nèi)側(cè)外端的拉塊向盤內(nèi)側(cè)拉動，夾具的頂緊塊壓縮彈簧使夾具處于打開狀態(tài)，然后人工再將燈柄放入夾具體，氣動控制拉塊復位，彈簧復位頂緊塊壓緊車燈柄的端部。夾具翻轉(zhuǎn)是通過翻轉(zhuǎn)機構的兩個伸出軸插入到夾具外側(cè)的翻轉(zhuǎn)連接塊的孔中，氣動控制夾具繞外端軸承座順時針旋轉(zhuǎn)180°，回轉(zhuǎn)盤下方頂緊裝置的頂緊塊向上移動壓緊燈柄的圓柱位置，且回轉(zhuǎn)盤的內(nèi)側(cè)頂緊裝置氣動控制氣缸端部的連接塊壓緊夾具內(nèi)側(cè)外端的拉塊，保證夾具翻轉(zhuǎn)180°后燈柄定位的可靠性；反而螺釘安裝后，翻轉(zhuǎn)機構的兩個伸出軸和轉(zhuǎn)盤內(nèi)側(cè)頂緊裝置的連接塊復位。

圖5 可翻轉(zhuǎn)夾具結(jié)構

3.2 未端執(zhí)行機構

3.2.1 燈泡裝配機構

燈泡裝配機構是實現(xiàn)車燈柄中燈泡安裝的機構，主要由氣夾旋轉(zhuǎn)機械手、燈泡輸送組件、Z向移動組件、X向移動組件、支架組成，如圖6所示。氣夾旋轉(zhuǎn)機械手是通過氣動控制機械手上的軟夾頭從燈盤上的第一個燈泡處夾持燈泡后，Z向上升，再沿X向移動到燈柄燈泡螺紋孔的正上方，機械手沿Z向向下壓至燈柄燈泡螺紋孔后，再順時針90°旋緊；機械手再上升并移動到燈盤上同一排第二個燈泡處，進行下一件車燈柄的燈泡安裝。燈泡是易碎件，夾持燈泡的夾緊力要適當，不能太大也不能太小。當夾緊力太大時燈泡會破碎，當夾緊力太小時會造成夾持打滑，且無法旋緊燈泡或者燈泡接觸不良。根據(jù)此特點，夾頭選用優(yōu)力膠制作，該材料彈性好、有一定的強度，同時防止夾緊力不夠，夾頭左右爪均安裝了4個?3 mm的鋼針，增強了軟夾頭的剛性，保證了夾持燈泡時的夾緊力，如圖7所示。燈泡輸送組件由燈盤、導桿、同步傳動組、燈盤Y向傳動組件、滑塊、壓板、軸承座、支架組成，結(jié)合裝配工作站的使用空間，將燈盤設計為每排有6個、一次可裝54個燈泡位的長方形托盤，當?shù)谝慌?個燈泡用完，燈盤沿Y向向前移動，將第二排移動到與軟夾頭對正的位置。

圖6 燈泡裝配機構組成

圖7 軟夾頭結(jié)構

3.2.2 燈罩裝配機構

燈罩裝配機構是實現(xiàn)車燈柄中燈罩安裝的機構，主要由燈罩輸送鏈傳動組件、X向移動組件、Z向移動組件、氣夾機械手、支撐架、電機組成，如圖8所示。燈罩輸送鏈傳動組件負責連續(xù)向氣夾機械手輸送燈罩，該組件由鏈條、鏈輪、傳送導桿、支撐桿、燈罩配合塊、電機組成。其中，鏈條外圈雙側(cè)帶有單孔耳板，用于固定鏈條外圍一周的燈罩配合塊；且因工位3處夾具與圓盤水平中心線成30°，為了保證燈罩兩孔連線與燈柄兩孔連線相平行，將配合塊上卡槽設計成與水平中心成30°。氣夾機械手是通過氣動控制手指氣缸開合，同時帶動末端左右兩個夾爪的開合；機械手末端設計為下端為錐形的?4圓棒，當要夾緊燈罩時，圓棒向外張開，與左右燈罩蓋孔的孔外壁張緊夾持；當要松開燈罩時，圓棒向內(nèi)移，圓棒中心分別與燈罩蓋兩孔中心對齊，如圖9所示[11]。

圖8 燈罩裝配機構組成

圖9 氣夾機械手夾持燈蓋結(jié)構

3.2.3 墊片裝配機構

墊片裝配機構是實現(xiàn)車燈柄中兩個墊片安裝的機構，主要由墊片自動送料組件、墊片定位移動組件、管式真空發(fā)生器、X向移動組件、Z向移動組件、支架組成，如圖10所示。管式真空發(fā)生器沿Z向下移，從墊片定位滑塊處吸附墊片后，沿X向移動到燈罩孔1上方，Z向下移放入墊片后Z向上升；管式真空發(fā)生器再移動到墊片定位滑塊上方，再次吸附墊片后，移動到燈罩孔2上方，下移放入墊片，完成一個車燈柄兩個墊片的安裝。墊片輸送組件由振動盤、直線送料器、直線輸料槽組成，是將振動盤中的墊片通過振動進行有序排列，并經(jīng)過直線輸料槽進行直線輸送。為了使管式真空發(fā)生器每次只吸附一個墊片，保證墊片裝配的準確性，在擋板后側(cè)設計了墊片定位移動組件，由墊片定位滑塊、滑軌、左右限位、定位氣缸、氣缸桿末端T塊組成，如圖11所示。當墊片由直線輸料槽送到墊片定位滑塊上的墊片槽后，墊片定位滑塊由氣缸推動向右移動，與直線輸料槽錯開。墊片裝配機構執(zhí)行末端件是管式真空發(fā)生器，從進氣口輸入壓縮空氣，在真空口形成一定的真空，從而吸附墊片。

圖10 墊片裝配機構組成

圖11 墊片定位移動組件

3.2.4 螺釘旋緊機構

螺釘旋緊機構在工位5和工位6兩處，分別實現(xiàn)車燈柄中正面兩個螺釘和反面一個螺釘旋緊。主要由X向移動組件、Z向移動組件、直柄式氣動螺絲批、螺絲批套、支撐架、支架、送料機和送料管組成，如圖12所示。正面兩個螺釘?shù)陌惭b是由送料機將螺釘經(jīng)過送料管送入螺絲批套，直柄式螺絲批沿X軸方向移動到燈罩孔1的上方，氣動控制直柄式螺絲批的十字批頭沿Z軸方向向下移動并旋轉(zhuǎn)預緊螺釘；然后十字批頭上升再移動到燈罩孔2的上方，同樣方式移動并旋緊螺釘2。反面一個螺釘?shù)陌惭b同樣是由送料機將螺釘經(jīng)過送料管送入螺絲批套，直柄式螺絲批X向移動到車燈柄反面螺孔上方后，Z向下移動并旋轉(zhuǎn)預緊螺釘。

圖12 螺釘旋緊機構組成

3.3 夾具翻轉(zhuǎn)和頂緊裝置

為了安裝車炳反面螺釘，當六位回轉(zhuǎn)夾具臺在工位6處，夾具能翻轉(zhuǎn)180°，因此在工位6處增加了夾具翻轉(zhuǎn)裝置，由旋轉(zhuǎn)氣缸、TN25-10雙軸氣缸、支撐架組成，如圖13所示。氣動控制TN25-10雙軸氣缸向夾具方向移動，使得兩個連接軸插入到夾具端部的連接塊后，氣動控制旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)180°，從而將夾具翻轉(zhuǎn)到反面。同時，為了防止夾具翻轉(zhuǎn)后，車燈柄的下方?jīng)]有定位，六位回轉(zhuǎn)夾具臺工位6扇形槽下方設計了頂緊裝置，由燈柄頂緊塊、TN25-90雙軸氣缸、支撐架組成，如圖11所示。當夾具翻轉(zhuǎn)后，氣動控制TN25-90雙軸氣缸末端軸向上移動，推動燈柄頂緊塊上移并壓緊車燈柄的柄部。

圖13 夾具翻轉(zhuǎn)和頂緊裝置組成

4 控制系統(tǒng)設計

摩托車轉(zhuǎn)向燈自動化裝配工作站采用信捷PLC為控制器組件控制系統(tǒng)。信捷PLC的優(yōu)點是支持幾乎所有的C語言函數(shù)，涉及復雜的數(shù)學運算時優(yōu)勢明顯。在高速脈沖PTO功能方面，每段脈沖只需要設定起始頻率、終止頻率以及脈沖個數(shù)即可確定脈沖段，PTO指令可通過配置表快速完成編程，使脈沖應用變得更加方便、簡單以及人性化。本系統(tǒng)根據(jù)運動控制需求，控制架構如圖14所示。

圖14 控制系統(tǒng)結(jié)構框圖

本系統(tǒng)控制器選用信捷XD5-60T10-E型PLC。配置了光線傳感器，可檢測到燈泡安裝是否正確，當檢測到燈泡不發(fā)光時將不進行后面的裝配步驟，當檢測到燈泡正常發(fā)光時產(chǎn)生的光線，傳感器輸出信號送給PLC；各機械手或執(zhí)行末端配置了對應的位置檢測傳感器，用于檢測機械手或執(zhí)行末端的運動是否已到位。TN25-10雙軸氣缸、燈泡氣夾旋轉(zhuǎn)機械手、燈泡夾放氣缸和直柄螺絲批Z向移動氣缸的動作由輸出擴展模塊XD-E16YR控制，其余氣缸均由步進電機控制，由PLC直接輸出PTO高速脈沖實現(xiàn)動作[12-13]。

5 實踐與應用

該工作站設計后，通過采購、定制和自制相結(jié)合備配了機械零部件、控制元件等，再進行整體的安裝與調(diào)試。安裝關鍵點是六位回轉(zhuǎn)臺上夾具與轉(zhuǎn)盤的位置精度、5個末端執(zhí)行件與回轉(zhuǎn)臺上夾具的位置精度。調(diào)試關鍵點是六位回轉(zhuǎn)臺中分度盤分度誤差的補償、工位1處夾具壓緊燈柄與打開的可靠性、工位2處燈泡上料的位置補償和燈泡、工位3處燈罩的定位及感應和燈泡檢測、工位4處墊片的定位及感應、工位5和工位6處的螺釘安裝穩(wěn)定性。最后進行了單個產(chǎn)品裝配時長測試，得到裝配一個摩托轉(zhuǎn)向燈的平均裝配時長為30 s/個。工作站投入生產(chǎn)后，8 h運行的產(chǎn)量達1 000件，是原來人工的2.5倍，提高了生產(chǎn)效率。同時，也由五人流水線操作縮減為一人操作，大大降低了人工成本，滿足了企業(yè)定制設備的需求。

6 結(jié)束語

本文按摩托車轉(zhuǎn)向燈裝配工序的分解，依次展開了摩托車轉(zhuǎn)向燈裝配系統(tǒng)的結(jié)構主體、末端執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)的設計，形成了一種多工序的自動化裝配工作站。通過產(chǎn)品裝配測試與企業(yè)生產(chǎn)應用，實現(xiàn)了摩托車轉(zhuǎn)向燈的穩(wěn)定裝配，提升了生產(chǎn)效率，減少了人工成本。該自動化裝配工作站具有體積小，重量輕，易于操作等優(yōu)點，為摩托車配件行業(yè)的自動化生產(chǎn)提供了參考。