液壓鉸鏈鉸杯自動上料機構(gòu)設(shè)計

摘要：鉸杯上料是液壓鉸鏈生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，但由于其體積較大且形狀不規(guī)則，導(dǎo)致其裝配過程仍依靠人工來完成，對此設(shè)計了一種鉸杯自動上料機構(gòu)以代替人工上料。鉸杯上料機構(gòu)主要由上料機構(gòu)與裝配機構(gòu)兩部分組成，實現(xiàn)了兜仔的自動上料、自動分料及向治具上自動安放的功能。通過對裝配機構(gòu)進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，找出系統(tǒng)固有頻率，驗證了外界激振頻率不會引起系統(tǒng)共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。其結(jié)構(gòu)簡單且工作穩(wěn)定，現(xiàn)階段已應(yīng)用于液壓鉸鏈生產(chǎn)線中。其裝配方法適用于其他型號的鉸鏈，具有較強的通用性，值得推廣。

關(guān)鍵詞：液壓鉸鏈；送料機構(gòu)；裝配機構(gòu)；模態(tài)分析

中圖分類號：TH162；TH122 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.003

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0014-09

Abstract：The hinge cup assembly is an essential step"in the production process of hydraulic hinge. However， due"to its large volume and irregular shape， the assembly process still depends on manual labor. Therefore， a kind of hinge cup assembly mechanism is designed to replace manual assembly. The hinge cup assembly mechanism is mainly composed of the feeding mechanism and the assembly mechanism， which realizes the functions of automatic feeding， automatic distributing and automatic placement onto"the fixture. Through the modal analysis and harmonic response analysis of the assembly mechanism， the natural frequency of the system is identified， and it is verified that the external excitation frequency will not cause the system resonance， which"results"in structural damage."The"structure is simple and stable， and it has been applied to the hydraulic hinge production line at this stage. The assembly method is suitable for other types of hinges， showing"strong versatility， and is worthy of promotion.

Key words：hydraulic hinge；feeding mechanism；assembly mechanism；modal analysis

液壓鉸鏈是應(yīng)用于門板類家具的重要五金連接件，由于具有良好的緩沖能力，因此自其問世以來便是應(yīng)用最為廣泛的鉸鏈產(chǎn)品[1-3]。

液壓鉸鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要鉸杯、直臂組件、U型針、四孔以及緩沖器組件所構(gòu)成。其中鉸杯作為裝配的首到工序，由于其體積加大且形狀較為特殊，現(xiàn)階段對其裝配還主要依靠手工來完成，不僅導(dǎo)致效率低下、生產(chǎn)成本高，且存在一定的安全隱患[4-5]；此外，這也制約了液壓鉸鏈實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。對此，設(shè)計了一種液壓鉸鏈鉸杯裝配機構(gòu)，應(yīng)用于所研發(fā)的液壓鉸鏈裝配線上，以實現(xiàn)鉸杯的自動化裝配。

1 液壓鉸鏈鉸杯裝配機構(gòu)總體概述

本文所研究的鉸杯結(jié)構(gòu)如圖2所示，其最大尺寸為62.5×38.3×14.4 mm，其兩側(cè)對稱開有圓形通孔，中心通過沖壓工藝開設(shè)有形狀不規(guī)則的凹槽。裝配過程中，隨行夾具首先由傳輸機構(gòu)輸送至鉸杯裝配機構(gòu)下方，要求通過裝配機構(gòu)將鉸杯豎直安放至隨行夾具中，從而為后續(xù)零部件的裝配做準備。

考慮到鉸杯機構(gòu)較為復(fù)雜，為實現(xiàn)其自動化裝配，在設(shè)計過程中，設(shè)計了送料機構(gòu)以實現(xiàn)鉸杯的自動化輸送工作；設(shè)計了鉸杯裝配機構(gòu)以實現(xiàn)鉸杯的逐一定位分離，以及向隨行夾具上的安放工作[6-7]。其整體裝配圖如圖3所示，機構(gòu)選用了PLC作為控制系統(tǒng)，選用了震動盤作為鉸杯的篩選上料裝置，并采用了電機和氣缸作為機構(gòu)的驅(qū)動元件。

2"鉸杯送料機構(gòu)

考慮到鉸杯體積較大且兩側(cè)的壁厚較薄，若采用直振進行振動傳輸，不僅傳輸效率低下，且容易使相鄰鉸杯之間發(fā)生重疊影響裝配[8]，對此鉸杯送料機構(gòu)采用了振動盤與輸送帶結(jié)合的方式來實現(xiàn)零件的篩選和輸送，如圖4所示。送料過程中，鉸杯首先由振動盤篩選使其按統(tǒng)一的朝向流入輸送帶，并由輸送帶將其輸送至鉸杯裝配機構(gòu)的上料槽之中，從而實現(xiàn)上料。

3 鉸杯裝配機構(gòu)

由送料機構(gòu)輸送的鉸杯需要經(jīng)過逐一定位、分離才可進行裝配[9-10]，對此鉸杯裝配機構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計了定位裝置用來實現(xiàn)鉸杯的逐一分離、定位以及夾持[11-12]；設(shè)計了裝配裝置用來按壓鉸杯，實現(xiàn)其豎直向下的裝配。

3.1"定位裝置

定位裝置如圖5所示，主要由上料槽、推料氣缸、推桿、傳感器、彈簧以及滑塊組成。上料槽中心開有相互垂直的凹槽，其中一側(cè)凹槽與傳送帶相對接，以實現(xiàn)鉸杯向上料槽上的輸送；另一側(cè)凹槽上安裝有推桿和推料氣缸，以實現(xiàn)鉸杯上料后的逐一分離；此外，在凹槽交匯處的前端還開有豎直朝向的方形通孔，以實現(xiàn)鉸杯的垂直出料。

工作過程中，由送料機構(gòu)傳輸?shù)你q杯可沿上料槽上的凹槽橫向流入上料槽，直至鉸杯與凹槽內(nèi)壁相抵停止運動，從而實現(xiàn)上料后的初步定位；隨后由推桿推動鉸杯，使其沿凹槽內(nèi)壁移動至方形通孔上方，從而將輸送的鉸杯的逐一定位分離，并為后續(xù)的下壓出料做準備。在設(shè)計過程中，為了實現(xiàn)對鉸杯上料情況的檢測，在上料槽上鉸杯移動的終點位置安裝了傳感器；此外，為了避免鉸杯上料時位置出現(xiàn)偏移，在上料槽上鉸杯后側(cè)對應(yīng)位置還增加了磁鐵以吸附鉸杯。

考慮到鉸杯裝配時需要沿上料槽通孔垂直下料，為了確保鉸杯能夠在通孔上方移動到位，而不會受重力下落滑出；同時也為了對分離后的鉸杯實現(xiàn)定位，對此在方形通孔兩側(cè)設(shè)置了一種可自動開合的滑塊結(jié)構(gòu)。其滑塊結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由滑塊1、滑塊2、彈簧以及固定板構(gòu)成，滑塊1與滑塊2均對稱設(shè)計有兩個，分別安裝在上料槽兩側(cè)通孔之中，其后側(cè)通過彈簧與固定板相連接；滑塊2前端設(shè)置有斜面，用來將鉸杯兩側(cè)托起；滑塊1前端設(shè)置有梯形凹槽，側(cè)面安裝有磁鐵，用來夾持和吸附鉸杯，以防止其發(fā)生上下轉(zhuǎn)動。

工作過程中，鉸杯首先沿滑塊2移動至通孔上方；隨后通過鉸杯前端圓弧面將滑塊1撐開并卡入滑塊2之中，從而實現(xiàn)鉸杯逐一分離后的托起、夾持和定位。

3.1.1"自動開合滑塊結(jié)構(gòu)受力分析

滑塊是鉸杯定位、支撐和下料的重要零件，其有兩種工況，一是鉸杯靜置于滑塊斜面上，此時滑塊受鉸杯重力與彈簧的彈力的作用；二是氣缸將鉸杯壓入定位裝置，此時滑塊受鉸杯重力、彈簧彈力和氣缸推力的作用。該結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，取其中一邊進行受力分析，結(jié)構(gòu)受力圖如圖7所示。

式中：為滑塊與鉸杯之間的摩擦力；θ為滑塊斜面與水平面的夾角，根據(jù)實際情況取60°；為鉸杯對滑塊的法向壓力；為氣缸對鉸杯的壓力；m為鉸杯的質(zhì)量，為16.3g；g為重力加速度；為鉸杯與滑塊斜面之間的滑動摩擦系數(shù)，取0.3；為彈簧壓縮力。

3.1.2"彈簧的選型與計算

彈簧是開合機構(gòu)中的重要零件，彈簧設(shè)計的優(yōu)劣決定著鉸杯定位的準確性和裝配過程的流暢性，故對彈簧進行詳細設(shè)計。初選氣缸缸徑為16 mm，經(jīng)查閱手冊得其輸出力為100.5"N。結(jié)合式（1）～（3）可得工況一的最小彈簧壓縮力為0.34 N，工況二的最大彈簧壓縮力為217.5 N，故彈簧壓縮力0.34 N≤≤217.5 N。

綜合考慮彈簧受力情況及尺寸大小，選擇彈簧＝100 N，最大變形λmax＝10 mm，彈簧直徑為[13-14]：

式中：d為彈簧直徑；K為彈簧的曲度系數(shù)；C為彈簧旋繞比，初選C＝5.5；τp為許用切應(yīng)力，彈簧選用60Si2Mn，查詢標準GB/T 23935-200[18]可知τp＝420 N/mm2。

K的計算如下：

K約為1.28，代入式（4）可得彈簧直徑d約為2.07"mm，取整為2"mm。

彈簧有效圈數(shù)計算如下：

式中：n為彈簧有效圈數(shù)；G為彈簧切變模量；D為彈簧中徑，；k為彈簧剛度。

求得n＝11.9。

彈簧通過拉桿安裝在開合機構(gòu)上，拉桿直徑為9 mm，因此彈簧內(nèi)徑為9 mm。由上述計算可知，彈簧設(shè)計參數(shù)如表1所示。

3.2"裝配裝置

裝配裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由安裝板、下壓氣缸、導(dǎo)柱以及導(dǎo)桿所構(gòu)成，安裝板安裝在機架大板上的支撐柱上，其下側(cè)固定有定位裝置；側(cè)面豎直安裝有下壓氣缸和導(dǎo)柱。考慮到鉸杯凹槽底面較為平整，因此裝配時采用了下壓鉸杯凹槽的方式進行出料。裝配過程中，由下壓氣缸驅(qū)動導(dǎo)柱按壓鉸杯，使鉸杯從滑塊中推出并落入下方的夾具之中，從而實現(xiàn)鉸杯向治具上的最終裝配。

在實際裝配過程中，由于上料槽與下方夾具之間存在較大間隙，當鉸杯從定位裝置推出時容易在豎直方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而造成鉸杯裝配不到位，對此在導(dǎo)柱兩側(cè)又增加了導(dǎo)桿，用來對鉸杯輔助定位。在鉸杯裝配時，導(dǎo)柱會隨導(dǎo)桿進行下移，并提前穿入鉸杯的兩側(cè)通孔中，從而在鉸杯下落途中實現(xiàn)對其定位，避免了鉸杯在下落途中姿態(tài)發(fā)生改變。

4"裝配裝置模態(tài)分析

模態(tài)參數(shù)主要包括系統(tǒng)的固有頻率、模態(tài)振型及阻尼比；當系統(tǒng)的固有頻率與外界激勵頻率接近時，系統(tǒng)可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致機構(gòu)發(fā)生破壞，從而影響設(shè)備正常使用[15-16]。在鉸杯裝配機構(gòu)中，鉸杯的自動上料、送料功能是通過振動盤和直震器完成，在工作過程中系統(tǒng)不可避免會產(chǎn)生一定頻率的振動，為了防止由于機構(gòu)共振產(chǎn)生的裝配失敗和機構(gòu)損壞問題，對裝配裝置進行模態(tài)分析。模態(tài)分析步驟如圖9所示。

4.1"簡化數(shù)模

裝配裝置整體結(jié)構(gòu)如3.2節(jié)所示，在UG中完成其三維數(shù)模的建立，為了便于模型網(wǎng)格劃分，首先忽略圓角、倒角、銷孔及部分不影響有限元模型主要特征的凸臺、凹槽；然后刪除模型中的螺栓，在有限元模型的建立過程中使用約束替代；最后將不影響機構(gòu)強度的修飾特征進行簡化，以減小模型的計算量。

4.2"定義材料屬性

合理的材料選擇能提高零件強度、減小制造成本，提高機構(gòu)可靠性。假設(shè)材料密度均勻，機加工件大部分采用45#鋼，作為驅(qū)動裝置的氣缸缸體為鋁合金，活塞桿為不銹鋼，作為導(dǎo)向裝置的線規(guī)與滑塊為不銹鋼材質(zhì)。相關(guān)材料屬性如表2所示。

4.3"劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格質(zhì)量決定著模型計算精度及計算速度，對與較為規(guī)則的零件采用六面體單元、使用結(jié)構(gòu)或者掃掠技術(shù)劃分；對于較為復(fù)雜的零件采用四面體單元、使用自由技術(shù)劃分，網(wǎng)格劃分后的模型如圖10所示，共有單元442"804個，節(jié)點104"156個。

4.4"約束及邊界條件設(shè)置

根據(jù)機構(gòu)實際運動情況將螺栓連接處的接觸關(guān)系設(shè)置為綁定約束，具有相對運動的表面接觸關(guān)系設(shè)置為“表面與表面接觸”，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3；裝配裝置通過立柱安裝在機架上，故固定約束立柱與支撐板連接處的六個自由度。

4.5"結(jié)果分析

由模態(tài)理論可知，在裝配裝置的各階振型中，低階振型決定了上料裝置振動的具體參量，故模態(tài)分析提取前六階固有振型進行動態(tài)特性分析。前六階模態(tài)分析云圖如圖11所示；階數(shù)、頻率和振型特點如表3所示，根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知，裝配機構(gòu)的前六階頻率為11～35"Hz。

5"裝配裝置諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)是指當隨時間變化的周期性載荷作用在機構(gòu)中時，機構(gòu)會產(chǎn)生持續(xù)性的周期性響應(yīng)[17]。為進一步保證裝配機構(gòu)不會因為外界振動而引起共振，對裝配機構(gòu)進行諧響應(yīng)分析，通過分析不同頻率載荷下機構(gòu)的位移響應(yīng)值曲線確定機構(gòu)的共振頻率。

裝配裝置在自動上料機構(gòu)中的工作狀態(tài)是導(dǎo)柱對鉸杯的循環(huán)壓入，近似機構(gòu)受到簡諧載荷的作用；此外，在導(dǎo)柱壓入過程中彈簧的循環(huán)伸縮也會對機構(gòu)產(chǎn)生簡諧載荷的作用。因此，在前述模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用模態(tài)疊加法對機構(gòu)進行諧響應(yīng)分析，研究其在簡諧載荷的作用下機構(gòu)的位移響應(yīng)特性。

因為本課題只研究機構(gòu)某點對頻率的敏感性，故施加的周期性載荷在合適的范圍即可，經(jīng)研究確定，在導(dǎo)柱底面中心建立參考點1，然后將導(dǎo)柱底面耦合在參考點1上，如圖12所示。

首先在參考點1上施加方向為x向（彈簧伸縮方向）、大小為217.5"N的簡諧載荷，掃頻頻率為0～50"Hz，步長為1"Hz。求解結(jié)束后得到裝配機構(gòu)x向頻率－振幅響應(yīng)曲線和y向頻率－振幅響應(yīng)曲線，如圖13（a）（b）所示，由圖可得，裝配機構(gòu)在簡諧載荷作用下固有頻率為28.79"Hz的4階振型或50"Hz時，機構(gòu)將產(chǎn)生最大位移變形。

然后在參考點1上施加方向為z向（導(dǎo)柱壓入產(chǎn)品方向）、大小為100"N的簡諧載荷，掃頻頻率為0～50"Hz，步長為1"Hz。求解結(jié)束后得到裝配機構(gòu)z向頻率－振幅響應(yīng)曲線，如圖13（c）所示，由圖可得，裝配機構(gòu)在簡諧載荷作用下固有頻率為28.79"Hz的4階振型時，機構(gòu)將產(chǎn)生最大位移變形。

綜上所述，裝配機構(gòu)發(fā)生共振時的頻率與模態(tài)分析中的固有頻率一致，且對28.79"Hz附近的振動最為敏感，此頻率下機構(gòu)中的導(dǎo)柱零件會出現(xiàn)位移的最大峰值，為保障裝配機構(gòu)在自動上料過程中能正常工作，應(yīng)該盡量避免該頻率附近的振動產(chǎn)生。直震器和振動盤的調(diào)頻范圍為40～120"Hz，根據(jù)樣機調(diào)試結(jié)果，此次設(shè)計將其頻率調(diào)制60"Hz，前6階模態(tài)頻率遠離外界激勵頻率，機構(gòu)不會因為外界激勵發(fā)生共振破壞。

6"結(jié)語

本文設(shè)計了一種能夠應(yīng)用于液壓緩沖鉸鏈生產(chǎn)線的鉸杯裝配機構(gòu)，機構(gòu)解決了鉸杯的自動化上料、自動化定位以及自動化安放等難題，實現(xiàn)了液壓鉸鏈中鉸杯的自動化上料。通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)結(jié)果找出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共振頻率，保證了該機構(gòu)不會因為外界激勵發(fā)生共振。該機構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉、工作穩(wěn)定，而且具有一定的通用性，現(xiàn)已應(yīng)用于多種型號的膠裝裝配線制中，因此具有一定的推廣價值。

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