掛架組裝機(jī)擋圈壓裝機(jī)構(gòu)異響卡頓分析及改良

王 新 劉蔚釗 張中輝

（南京康尼電氣技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210038）

0 引言

掛架組裝機(jī)是南京康尼電氣技術(shù)有限公司為康尼軌道總部生產(chǎn)部門設(shè)計(jì)的塞拉門掛架專用裝配設(shè)備，適用于地鐵車門塞拉門掛架的裝配作業(yè)，能夠代替人工實(shí)現(xiàn)地鐵門、高速列車門上的多種型號(hào)掛架組件全自動(dòng)裝配，并配合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維和遠(yuǎn)程診斷功能。該掛架組裝機(jī)在試生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了擋圈壓裝時(shí)擋圈氣動(dòng)壓頭發(fā)生卡頓并伴隨異響的異常情況，由此判定擋圈壓裝機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障。

1 掛架組裝機(jī)及擋圈壓裝機(jī)構(gòu)工作原理

1.1 掛架組裝機(jī)工作原理

掛架組裝機(jī)由工作站底座、機(jī)器人單元、注脂單元、裝配轉(zhuǎn)盤、擋圈壓裝單元、軸承壓裝單元、軸承供料單元、掛架供料單元、電控系統(tǒng)以及護(hù)欄等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 掛架組裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

供料單元用于提供軸承和掛架的原材料，首先機(jī)器人將掛架放入壓裝區(qū)，壓裝區(qū)配有裝配轉(zhuǎn)盤，由凸輪分割器驅(qū)動(dòng)，有4個(gè)工位，分別是1#上下料工位，用于機(jī)器人上下料；2#擋圈壓裝單元，用于壓裝下?lián)跞Γ?#軸承壓裝單元，用于壓裝直線軸承；4#擋圈壓裝單元，用于壓裝上擋圈。掛架放入裝配轉(zhuǎn)盤后，機(jī)器人抓取軸承，放入注脂單元，進(jìn)行注脂，注脂完成后，機(jī)器人抓取軸承放入3#軸承壓裝單元，等待壓裝。裝配好的掛架會(huì)回轉(zhuǎn)到1#工位，機(jī)器人單元末端治具帶有相機(jī)，可以對(duì)裝配好的掛架進(jìn)行拍照檢測，檢測合格的產(chǎn)品就會(huì)被放入掛架供料單元的空料箱。

1.2 擋圈壓裝機(jī)構(gòu)工作原理

擋圈壓裝機(jī)構(gòu)采用通過錐套將擋圈縮緊并推入內(nèi)孔方式[1]實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓裝，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擋圈壓裝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

首先掛架氣動(dòng)定位壓緊塊7下降并將掛架6定位壓緊；然后擋圈推料機(jī)構(gòu)9將擋圈供料倉8里的最下面一個(gè)擋圈推至擋圈收緊錐套2正上方，如圖2中孔用彈性擋圈10的位置。隨后擋圈氣動(dòng)壓頭1在氣缸的推動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，把孔用彈性擋圈10推入到擋圈收緊錐套2中，孔用彈性擋圈10收緊到一定程度，擋圈氣動(dòng)壓頭1就和擋圈收緊錐套2一起向上運(yùn)動(dòng)，直到擋圈收緊錐套2的上表面與掛架定位工裝5接觸，并抵達(dá)掛架6正下方。擋圈氣動(dòng)壓頭1繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，孔用彈性擋圈10被進(jìn)一步收緊，直至其外徑等于掛架6內(nèi)孔直徑時(shí)，孔用彈性擋圈10會(huì)進(jìn)入掛架6內(nèi)孔。擋圈氣動(dòng)壓頭1行程結(jié)束后，孔用彈性擋圈10正好卡入掛架6的擋圈定位槽。

2 擋圈壓裝機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中的故障情況

結(jié)合掛架組裝機(jī)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況及擋圈壓裝機(jī)工作原理來看，設(shè)備出現(xiàn)異常的主要現(xiàn)象有以下3種：

（1）擋圈壓裝機(jī)構(gòu)在壓裝擋圈時(shí)會(huì)伴隨著“當(dāng)”一聲異響，聲音較大，為非正常壓裝的聲音。

（2）擋圈壓裝機(jī)構(gòu)在壓裝擋圈時(shí)，擋圈壓裝氣缸的行程中后端會(huì)發(fā)生運(yùn)行速度突變，產(chǎn)生卡頓的情況。

（3）在擋圈壓裝機(jī)構(gòu)壓裝擋圈的時(shí)候，擋圈有一定概率無法壓入掛架內(nèi)孔。

3 原因分析

（1）經(jīng)過長時(shí)間觀察和測量，確定異響的主要原因是擋圈壓入掛架卡槽時(shí)與卡槽上邊緣發(fā)生撞擊。另外，氣缸雖為平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)型氣缸，控制回路如圖3所示，但為了保證生產(chǎn)節(jié)拍，無法將氣缸出入口的節(jié)流閥調(diào)節(jié)太小，所以氣缸運(yùn)行速度無法在末端快速降低也是發(fā)生異響的原因之一。

圖3 擋圈壓裝機(jī)構(gòu)氣動(dòng)控制回路

（2）擋圈壓裝氣缸的行程中后端發(fā)生速度突變卡頓，原因之一是因?yàn)榭臻g有限，無法把氣缸缸徑做得很大，導(dǎo)致氣缸推力余量較?。辉蛑菗跞κ站o錐套的表面硬度偏低，導(dǎo)致?lián)跞υ谏闲羞^程中，其兩端的尖點(diǎn)會(huì)將擋圈收緊錐套表面劃傷，導(dǎo)致阻力忽上忽下，從而導(dǎo)致?lián)跞鈩?dòng)壓頭上行運(yùn)動(dòng)發(fā)生卡頓。

（3）對(duì)于擋圈有一定概率無法壓入掛架內(nèi)孔的情況，主要原因是掛架為定型批量產(chǎn)品，但工藝要求比較低，掛架內(nèi)孔公差較大，端面的倒角尺寸無法有效控制，導(dǎo)致?lián)跞M(jìn)入掛架內(nèi)孔的瞬間，有一定概率會(huì)卡在倒角邊緣。

4 處理方法

（1）針對(duì)異響的故障處理方法：

1）調(diào)節(jié)擋圈氣動(dòng)壓頭行程尺寸，保證擋圈氣動(dòng)壓頭最高點(diǎn)與掛架卡槽上邊緣有0.1 mm的間隙，防止擋圈對(duì)掛架卡槽上邊緣形成撞擊，這樣既保護(hù)了掛架卡槽，也有效降低了噪聲。

2）氣缸兩端設(shè)置氣緩沖，緩沖行程為10 mm，緩沖后活塞運(yùn)動(dòng)速度≤0.01 m/s。因額外設(shè)置了末端氣緩沖，所以中間行程的運(yùn)動(dòng)速度可以根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)調(diào)快，以便縮短生產(chǎn)節(jié)拍。

（2）針對(duì)速度突變和卡頓問題，目前缸徑為φ63 mm，因?yàn)榭臻g限制，無法繼續(xù)增加，氣源工作壓力為0.75MPa，為工廠統(tǒng)一要求，也無法繼續(xù)提高，所以氣缸的推力維持原狀。故處理方法是更換擋圈收緊錐套材料，材料由原來的40Cr改為40Crmo，改善熱處理和表面處理工藝，增加滲碳處理，能夠有效提高表面硬度和耐磨性[2]，保證表面硬度不低于HRC55，錐面粗糙度在Ra0.8以內(nèi)，可以有效降低阻力。

（3）針對(duì)掛架端面的倒角導(dǎo)致?lián)跞M(jìn)入掛架內(nèi)孔的問題，文獻(xiàn)[3]提出了擋圈壓裝導(dǎo)向薄壁的結(jié)構(gòu)，本文稱之為“導(dǎo)向唇”，不僅可以有效解決掛架倒角阻滯擋圈的問題，同時(shí)也保護(hù)了內(nèi)表面和倒角面。目前的主要問題是導(dǎo)向唇的厚度不是隨意設(shè)定的，過大容易導(dǎo)致?lián)跞^度壓縮，經(jīng)過測試分析，導(dǎo)向唇的厚度不能超過1 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[4]考慮熱處理后變形影響，加工以及變形累計(jì)公差Δ不超過±0.1 mm。此外，因?yàn)閷?dǎo)向唇薄壁結(jié)構(gòu)比較容易磨損，所以作為易損件要容易更換且成本盡量降低，故將導(dǎo)向唇作為單獨(dú)可拆零件，如圖4所示。擋圈收緊錐套到位后，導(dǎo)向唇的薄壁插入掛架內(nèi)孔，如圖5所示。對(duì)導(dǎo)向唇進(jìn)行有限元受力分析，設(shè)置4個(gè)沉孔為夾具固定位置，薄壁厚度s=0.8 mm，沿薄壁施加f=3 000 N的壓力，經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，薄壁邊緣最大位移量為δ=0.008 781 mm，近似為0.01 mm，如圖6所示。已知裝配同軸度公差為φ=0.05 mm，所以可知最終薄壁最大實(shí)體厚度為t=s+δ+φ+Δ=0.96 mm，滿足不能超過1 mm的使用要求。

圖4 導(dǎo)向唇構(gòu)件示意圖

圖5 導(dǎo)向唇到位后與掛架的相對(duì)位置示意圖

圖6 導(dǎo)向唇受力后的形變分析

5 改進(jìn)后的效果

卡頓異響大多是由阻力異常、行程速度設(shè)置不匹配引起的，經(jīng)過調(diào)整氣缸末端尺寸，增加氣緩沖，提高擋圈收緊錐套強(qiáng)度和硬度，同時(shí)增加有導(dǎo)向作用的導(dǎo)向唇構(gòu)件，改進(jìn)后的擋圈壓裝機(jī)構(gòu)壓裝過程非常順滑，噪聲也很小，壓裝擋圈的成功率提升至100%。

通過改進(jìn)擋圈壓裝機(jī)構(gòu)，設(shè)備的故障時(shí)間大幅縮短，也減少了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)能的影響，實(shí)現(xiàn)了降本增效。同時(shí)，也對(duì)后續(xù)相似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作起到了一定指導(dǎo)作用。

6 結(jié)語

本文介紹了擋圈壓裝機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理，對(duì)其使用過程中出現(xiàn)的異常進(jìn)行了分析和總結(jié)，并提出了針對(duì)性解決方案，對(duì)后續(xù)設(shè)備的維護(hù)以及相似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作可以起到一定指導(dǎo)作用，也極大地提高了設(shè)備穩(wěn)定性和公司生產(chǎn)效益。