朱克明

(常熟長(zhǎng)城軸承有限公司，江蘇 常熟 215500)

1 羅拉軸承

羅拉軸承主要用于紡織機(jī)中，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。羅拉軸承中滾針和保持架組件的自動(dòng)裝配一直是個(gè)難題。由于滾針軸承的種類和規(guī)格繁多，滾針和保持架組件的規(guī)格也各不相同，因此在其制造過(guò)程中很難用通用的自動(dòng)裝配線來(lái)解決問(wèn)題。以往羅拉軸承滾針和保持架組件主要依靠人工裝配，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率不高。因此，設(shè)計(jì)了滾針自動(dòng)裝配機(jī)，以提高該工序的生產(chǎn)能力。

2 自動(dòng)裝配機(jī)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的滾針自動(dòng)裝配機(jī)采用立式裝針?lè)绞剑Y(jié)構(gòu)如圖2所示。裝配基本過(guò)程為：人工將滾針軸承的保持架以直立狀態(tài)放置于工作平臺(tái)上，滾針由振動(dòng)料斗組經(jīng)傳輸管道定向進(jìn)入滾針配置盤；當(dāng)工作平臺(tái)進(jìn)入裝針位置時(shí)，配置盤內(nèi)處于圓周均布狀態(tài)的滾針對(duì)應(yīng)排列在保持架外圓各窗孔外沿；然后電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪推套旋轉(zhuǎn)，依次將滾針推入保持架內(nèi)，完成滾針和保持架的自動(dòng)裝配；隨后工作平臺(tái)下降，人工取下滾針保持架組件，同時(shí)放置下一個(gè)保持架。

1—保持架;2—定位器;3—油嘴;4—外圈;5—內(nèi)圈;6—滾針

1—振動(dòng)料斗組；2—滾針輸送管道；3—滾針配置盤；4—凸輪推套；5—保持架；6—工作平臺(tái)

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，滾針自動(dòng)裝配機(jī)采用3大機(jī)構(gòu)和1套控制系統(tǒng)，即滾針自動(dòng)上料及分配機(jī)構(gòu)、保持架上下料機(jī)構(gòu)、滾針推進(jìn)機(jī)構(gòu)和協(xié)調(diào)整個(gè)自動(dòng)裝配動(dòng)作的控制系統(tǒng)。

滾針自動(dòng)上料及分配機(jī)構(gòu)的作用是將配套的滾針(本例為Φ2 mm×9.8 mm)采用一定的方式引導(dǎo)進(jìn)入保持架各對(duì)應(yīng)窗孔位置，滾針的連續(xù)輸送、定向排列和有序進(jìn)入是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)中考慮以振動(dòng)料斗組、輸送管道和滾針配置盤為主體的自動(dòng)上料及分配機(jī)構(gòu)來(lái)協(xié)同實(shí)現(xiàn)滾針連續(xù)輸送至保持架固定位置并對(duì)應(yīng)排列的功能[1]。其中，振動(dòng)料斗組數(shù)量的設(shè)置需考慮保持架所需的滾針數(shù)量以及單個(gè)振動(dòng)料斗本身所設(shè)計(jì)的滾針通道數(shù)，本例中使用了3個(gè)振動(dòng)料斗完成滾針沿保持架全周的對(duì)應(yīng)排列。

保持架上下料機(jī)構(gòu)主要由工作平臺(tái)和直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。設(shè)計(jì)的工作平臺(tái)由氣動(dòng)系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)保持架自動(dòng)進(jìn)入和退出滾針裝配位置；保持架放置部件利用了保持架內(nèi)徑上的定位結(jié)構(gòu)(圖3)。當(dāng)保持架在工作平臺(tái)上準(zhǔn)確定位后進(jìn)入裝配位置，就能使?jié)L針在圍繞保持架外徑的各個(gè)窗孔準(zhǔn)確就位，等待推進(jìn)機(jī)構(gòu)將滾針壓入保持架。

圖3 保持架上下料機(jī)構(gòu)中的定位原理

滾針推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要由凸輪推套和電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)凸輪推套由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪推進(jìn)曲線依據(jù)一定規(guī)律圍繞保持架外圈旋轉(zhuǎn)，依次將滾針推入保持架各窗孔內(nèi)[2-3]。凸輪推進(jìn)曲線的輪廓設(shè)計(jì)需考慮保持架的材料特性和滾針與窗孔間的裝配間隙，由此確定滾針連續(xù)或間歇推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式。本例中羅拉軸承一般采用聚酰胺(尼龍)保持架，其推進(jìn)過(guò)程可以由凸輪輪廓曲線的凸緣在推套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將滾針依次連續(xù)推進(jìn)；而當(dāng)滾針軸承采用鋼制保持架時(shí)，可通過(guò)凸輪凸緣逐漸變化的間隙尺寸和控制凸緣數(shù)量的設(shè)計(jì)，使?jié)L針按照一定運(yùn)動(dòng)方式依次進(jìn)入保持架。

4 關(guān)鍵部件主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

4.1 滾針上料及分配機(jī)構(gòu)

滾針上料裝置采用了自動(dòng)定向的振動(dòng)式料斗裝置，該裝置在送料及定向的過(guò)程中，沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的定向攪拌、撞擊及強(qiáng)烈的摩擦作用，工作平穩(wěn)。由于需要滾針在輕微的、有一定規(guī)律振動(dòng)中完成輸送和定向，故在設(shè)計(jì)中需要關(guān)注以下幾方面。

4.1.1 電磁振動(dòng)器的振動(dòng)頻率與振幅

電磁振動(dòng)器的頻率通過(guò)其線圈接入經(jīng)過(guò)半波整流的交流電，使其振動(dòng)頻率降低為市電頻率的一半。試驗(yàn)表明，此時(shí)振動(dòng)節(jié)奏分明，更易保證料道運(yùn)動(dòng)的加速度，同時(shí)有利于滾針向上滑行，從而保證較高的送料效率。需要注意的是，選用的整流二極管應(yīng)具有較大的耐壓值和允許通過(guò)的電流值，以保證工作可靠性。

結(jié)合滾針的規(guī)格，電磁振動(dòng)器的振幅一般控制為0.5 mm左右，也可通過(guò)試驗(yàn)并調(diào)節(jié)振動(dòng)器的鐵芯和銜鐵間隙至合適值來(lái)滿足要求。

4.1.2 支撐彈簧的選用

支撐彈簧一般可由類比法采用板彈簧并獲得其相應(yīng)的截面積參數(shù)。支撐彈簧的傾斜角Ψ取決于螺旋料道的振動(dòng)升角β，且與其固定點(diǎn)的分布圓直徑2R和料斗的中徑Dm有關(guān)。結(jié)合滾針規(guī)格通過(guò)試驗(yàn)，確定β和Ψ的值分別為20°和21°。

4.1.3 圓盤料斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)

螺旋料斗升角α影響滾針傳輸?shù)钠骄俣?，α一般?°～5°，設(shè)計(jì)中取α=2°。

料道螺旋升距t的取值應(yīng)保證兩層料道間滾針不能直立通過(guò)，升距計(jì)算式為

t=1.6L+S，

(1)

式中：L為工件在料道上的長(zhǎng)度，mm；S為料道板的厚度，mm。結(jié)合本例滾針長(zhǎng)度，考慮到傳輸時(shí)的排列間隙，取t=28 mm。

螺旋料道的中徑Dm與α和t有關(guān)，即

Dm=t/(πtanα)，

(2)

將取得t和α值代入，計(jì)算后取Dm=260 mm。

4.2 滾針推進(jìn)機(jī)構(gòu)

4.2.1 推進(jìn)力的分析計(jì)算

如圖4a所示，當(dāng)滾針受推進(jìn)力Fg時(shí)，保持架窗孔將受到擴(kuò)張力Fz，當(dāng)Fg取合適值時(shí)，滾針就被壓入保持架窗孔內(nèi)。如圖4b所示，當(dāng)以滾針為研究對(duì)象時(shí)，設(shè)Fg為推進(jìn)力，F(xiàn)n為保持架窗孔的反力。Fn分解為水平方向的Fnx和垂直方向的Fny2個(gè)分力，其中Fnx的反力即為擴(kuò)張力Fz，可以依據(jù)保持架材料特性和幾何尺寸求出。

圖4 滾針推進(jìn)力的計(jì)算

(3)

式中：R為滾針半徑；l為保持架窗孔寬度。

4.2.2 凸輪推套推進(jìn)曲線及轉(zhuǎn)速的確定

設(shè)計(jì)的凸輪推套輪廓曲線如圖5所示，其中凸輪推套內(nèi)徑及凸緣部分的尺寸需要考慮滾針在窗孔中的位置從而確定推進(jìn)距離δ及回轉(zhuǎn)間隙。凸輪輪廓中凸緣數(shù)量的設(shè)置可以根據(jù)保持架材料特性和推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的方式確定。

1—滾針排列位置；2—滾針推入位置； 3—保持架；4—凸輪推套

凸輪推套轉(zhuǎn)速的確定需要考慮滾針從振動(dòng)料斗下落至保持架窗孔并完成沿外圓周均布的時(shí)間及推進(jìn)時(shí)間等因素。當(dāng)已知滾針的直徑、長(zhǎng)度及全周分布數(shù)時(shí)，設(shè)滾針下落時(shí)做初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)，則凸輪盤的角速度ω為

(4)

式中：t1為滾針下落的時(shí)間；t2為滾針圓周均布的時(shí)間；t3為凸輪推套將單個(gè)滾針壓入的時(shí)間；θ為保持架上相鄰兩滾針中心線的夾角。

4.3 控制系統(tǒng)

依據(jù)滾針自動(dòng)裝配機(jī)的工作時(shí)序設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，控制原理如圖6所示。其中，保持架工作平臺(tái)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，同時(shí)考慮了以固定轉(zhuǎn)位進(jìn)入滾針?lè)胖梦恢?；?dāng)振動(dòng)料斗啟動(dòng)并確定滾針已進(jìn)入放置狀態(tài)時(shí)，滾針下料機(jī)構(gòu)開啟并控制下料時(shí)間；推套電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，旋轉(zhuǎn)一周后停止；保持架平臺(tái)返回取放位置。整個(gè)系統(tǒng)采用PLC控制，其中設(shè)置了相關(guān)的位置及時(shí)間傳感器。

圖6 滾針自動(dòng)裝配機(jī)的控制原理

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的羅拉軸承滾針自動(dòng)裝配機(jī)在實(shí)踐中已取得初步成效。當(dāng)滾針直徑和數(shù)量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，只需調(diào)整輸送管道、滾針配置盤、工作平臺(tái)的定位圓柱及凸輪推套的尺寸，就可以應(yīng)用于同類軸承相近參數(shù)的滾針保持架組件的自動(dòng)裝配。下一步可以從保持架的自動(dòng)取放入手，構(gòu)造整個(gè)滾針保持架組件的全自動(dòng)裝配線，從而更大程度上實(shí)現(xiàn)滾針軸承的裝配自動(dòng)化。