滅火器器頭裝配工作站研究與設(shè)計(jì)

周瑞麗，張繼忠，龔玉梅，張輝，金建華

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000；2.浙江忠華消防器材有限公司，浙江臺(tái)州 318000)

0 前言

器頭是滅火器的核心部件，也是滅火器的主要操作機(jī)構(gòu)。常用的滅火器器頭主要包括保險(xiǎn)裝置、啟動(dòng)裝置、安全裝置、壓力反應(yīng)裝置、密封裝置和噴射裝置，如圖1所示。器頭的性能直接影響滅火器的使用效能，因此對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和裝配工藝要求較高。一方面，像其他閥門(mén)類(lèi)零件一樣主要采用手工裝配方式，不僅裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，且工序較為分散，場(chǎng)地和工位多(見(jiàn)圖2)，生產(chǎn)成本較高，急需進(jìn)行自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線研發(fā)；另一方面，按照器頭裝配生產(chǎn)線的工藝要求，所設(shè)計(jì)的裝配工作站需要完成頂桿總成裝配、彈簧和塑料接頭裝配、接頭與閥體的旋緊、手柄以及保險(xiǎn)銷(xiāo)的裝配、保險(xiǎn)銷(xiāo)鉚接等工作。在國(guó)內(nèi)，一些學(xué)者和企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行閥門(mén)零件自動(dòng)化組裝線的研究，但這些研究還停留在理論層面。在器頭自動(dòng)裝配線的研發(fā)中，還存在著安全銷(xiāo)的定位不準(zhǔn)、上料卡件、壓鉚不嚴(yán)等難以突破的技術(shù)瓶頸。

圖1 推車(chē)式滅火器器頭總裝圖

圖2 傳統(tǒng)手工裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

針對(duì)上述問(wèn)題，運(yùn)用ECRS(Elimi ate-Combine-Rearrange-Simplify)理論，對(duì)裝配各工序內(nèi)容以及相關(guān)作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行刪減、合并、重組和簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了滅火器器頭自動(dòng)裝配工作站，實(shí)現(xiàn)將所有工序集中到一個(gè)工位的自動(dòng)化操作，從而達(dá)到穩(wěn)定裝配精度、提高生產(chǎn)質(zhì)量的目的。相比傳統(tǒng)手工裝配，該方案所需工位少且場(chǎng)地更小、裝配效率更高、成本顯著降低。該工藝方案還可以推廣到其他閥門(mén)零件的組裝中。

1 自動(dòng)裝配工作站工作原理

自動(dòng)裝配工作站采用結(jié)構(gòu)緊湊的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)作為工作站主體，沿圓周方向依次均勻設(shè)置器頭放置孔，如圖3所示。器頭放置孔的形狀和尺寸根據(jù)主零件閥體尺寸確定，器頭在工作臺(tái)的裝配姿態(tài)根據(jù)工作位置原則確定。在放置孔上安裝定位塊和壓緊板，實(shí)現(xiàn)閥體的定位夾緊。根據(jù)裝配順序，在轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外圍依次設(shè)置自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、頂桿安裝機(jī)構(gòu)、彈簧和塑料接頭安裝機(jī)構(gòu)、提把壓把安裝機(jī)構(gòu)、自動(dòng)鉚接機(jī)構(gòu)以及自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)。各機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)相位定位功能，以保證頂桿、彈簧、塑料件、提把、壓把、鉚接動(dòng)作的穩(wěn)定性。機(jī)構(gòu)的信號(hào)與PLC控制單元相連，并由PLC控制單元控制，實(shí)現(xiàn)各工序協(xié)調(diào)動(dòng)作。

圖3 自動(dòng)裝配工作站布置方案

2 自動(dòng)裝配工作站機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)供料機(jī)構(gòu)與卸料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

供料機(jī)構(gòu)采用振動(dòng)盤(pán)形式，排列和調(diào)整零件在輸送中的姿態(tài)，通過(guò)機(jī)架上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸橫臂和氣動(dòng)夾爪完成抓起和放下動(dòng)作，并由下方的升降部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件將器頭放入到器頭放置孔內(nèi)，器頭的定位和夾緊由設(shè)置在器頭孔旁邊的定位塊和壓緊板完成，如圖4所示。卸料機(jī)構(gòu)與上料機(jī)構(gòu)機(jī)械原理相同。

圖4 抓卸料單元結(jié)構(gòu)

2.2 頂桿總成裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝配頂桿總成時(shí)，主要應(yīng)保證頂桿總成自動(dòng)上料和安裝時(shí)能準(zhǔn)確定位。根據(jù)頂桿總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)鋼絲振動(dòng)盤(pán)，通過(guò)振動(dòng)調(diào)整頂桿被夾具抓取前的姿態(tài)。抓取時(shí)，頂桿密封帽在上方的姿態(tài)比較方便抓??；安裝時(shí)，器頭位于頂桿總成上方，所以需要頂桿完成180°的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作才能準(zhǔn)確插入到器頭內(nèi)。因此安裝頂桿總成時(shí)，不僅要進(jìn)行總成的供料、定位，還要完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作設(shè)計(jì)，以及最后實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確插入到器頭頂桿孔的動(dòng)作。

2.3 彈簧、塑料接頭裝配以及旋緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈簧與塑料接頭的裝配主要應(yīng)解決彈簧和塑料接頭的供料方式和定位問(wèn)題。塑料接頭采用振動(dòng)盤(pán)運(yùn)送，在振動(dòng)盤(pán)的直線送料器端部設(shè)置阻擋條；彈簧采用輸送管運(yùn)送，輸送管端部也同樣設(shè)置阻擋條，彈簧送料器末端直接與塑料接頭送料器連接，以保證每次1個(gè)接頭輸送到時(shí)，1個(gè)彈簧落入接頭內(nèi)。然后，將裝配有彈簧的塑料接頭通過(guò)十字滑臺(tái)運(yùn)送到旋緊器的上方，由旋緊器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和氣缸的向上運(yùn)動(dòng)共同作用，使塑料接頭旋入到器頭上，如圖5所示。動(dòng)作完成后，復(fù)位，開(kāi)始下一組動(dòng)作。

圖5 彈簧、塑料接頭裝配以及旋緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.4 手柄及保險(xiǎn)銷(xiāo)裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

手柄裝配機(jī)構(gòu)包括手柄裝配機(jī)構(gòu)及保險(xiǎn)銷(xiāo)裝配機(jī)構(gòu)。如圖6所示，在手柄裝配時(shí)，首先由氣缸驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)夾爪完成夾緊手柄動(dòng)作后再縮回；接著，由手柄位置校準(zhǔn)氣缸通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)支撐板向上轉(zhuǎn)動(dòng)，使手柄位置對(duì)準(zhǔn)器頭上相應(yīng)的手柄放置位置，然后氣動(dòng)夾爪放開(kāi)，把手柄安裝到器頭上，最后夾爪縮回，再取下一個(gè)手柄。保險(xiǎn)銷(xiāo)裝配機(jī)構(gòu)在手柄放置完后工作，首先安全銷(xiāo)位置校準(zhǔn)氣缸工作，驅(qū)動(dòng)活塞桿伸出，穿過(guò)手柄和器頭的孔，使兩者的孔對(duì)準(zhǔn)，這時(shí)保險(xiǎn)銷(xiāo)供料系統(tǒng)將輸送管內(nèi)的保險(xiǎn)銷(xiāo)送入到手柄和器頭的孔內(nèi)，同時(shí)氣缸縮回，手柄裝配工作完成，然后循環(huán)進(jìn)行下一個(gè)手柄的裝配。

圖6 手柄、保險(xiǎn)銷(xiāo)裝配機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.5 保險(xiǎn)銷(xiāo)自動(dòng)鉚接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)銷(xiāo)自動(dòng)鉚接機(jī)構(gòu)通過(guò)設(shè)置在支架內(nèi)側(cè)的鉚接機(jī)完成鉚接作業(yè)。如圖7所示，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鉚接驅(qū)動(dòng)氣缸工作，使支架上升，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)工位時(shí)，支架下降，這時(shí)鉚接機(jī)對(duì)準(zhǔn)保險(xiǎn)銷(xiāo)，進(jìn)行壓鉚。

圖7 保險(xiǎn)銷(xiāo)自動(dòng)鉚接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

為使工作站中各裝配動(dòng)作節(jié)拍一致，選擇PLC作為整個(gè)裝配工作站的控制單元。通過(guò)綜合考量裝配動(dòng)作和尺寸參數(shù)，選擇裝配動(dòng)力裝置。器頭裝配中涉及到的各機(jī)構(gòu)動(dòng)力元件包括動(dòng)力氣缸、裝配氣缸和伺服電機(jī)。由PLC控制相應(yīng)的電磁閥、傳感器等元件來(lái)實(shí)現(xiàn)氣缸的前進(jìn)和后退，保證氣缸和伺服電機(jī)間實(shí)現(xiàn)工序的層次化推進(jìn)。圖8所示卸料機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)部件和升降部件擬采用2個(gè)不同氣缸驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)活塞桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)活塞直線運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)與齒輪同軸的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 卸料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

4 樣機(jī)生產(chǎn)能力試驗(yàn)結(jié)果

(1)在滿足裝配工藝的前提下，增加了上下料數(shù)量統(tǒng)計(jì)、工位故障、產(chǎn)能顯示功能。樣機(jī)如圖9所示，采用PLC 控制系統(tǒng)，人機(jī)對(duì)話觸摸屏操作。工作環(huán)境溫度:5～45 ℃；濕度：10%RH～75%RH；電源：AC220V，50 Hz；壓縮空氣:壓力0.4～0.6 MPa，流量大于400 L/min。

圖9 滅火器器頭裝配工作站

(2)工作站裝配與傳統(tǒng)手工裝配系統(tǒng)對(duì)比

自動(dòng)化裝配工作站在生產(chǎn)節(jié)拍、工位數(shù)等方面與傳統(tǒng)手工裝配對(duì)比的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 工作站裝配與傳統(tǒng)手工裝配系統(tǒng)對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

(1)設(shè)計(jì)模塊式自動(dòng)化裝配工作站，以替代現(xiàn)有傳統(tǒng)的手工裝配生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)高效、正確的零件裝配，提高裝配質(zhì)量穩(wěn)定性，減少工位數(shù)，降低生產(chǎn)成本。

(2)所設(shè)計(jì)的工作站中的推桿定位裝置可以實(shí)現(xiàn)推桿的精準(zhǔn)定位，解決了安全銷(xiāo)裝配時(shí)孔徑稍有錯(cuò)位就發(fā)生卡機(jī)、報(bào)警的問(wèn)題，降低了裝配難度，提高了裝配效率。

(3)模塊式自動(dòng)化裝配工作站，可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他閥門(mén)產(chǎn)品的裝配，為閥門(mén)類(lèi)產(chǎn)品裝配工作站的設(shè)計(jì)提供參考。