熊四昌，錢忠杰

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310000)

0 引 言

長尾夾由一個彈簧片夾體和兩個較長的尾柄彈簧鋼絲卡構(gòu)成，其作為一種辦公文具，因體積小巧、夾持力強(qiáng)、使用方便而被廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外還未有長尾夾自動裝配系統(tǒng)?？紤]到長尾夾生產(chǎn)附加價值比較低，零件形狀不規(guī)則，投入產(chǎn)出比?。?］，因而調(diào)查發(fā)現(xiàn)長尾夾夾體和尾柄的裝配基本采用人工裝配［2］。人工裝配需要大量的工人做簡單的重復(fù)勞動，長期裝配會導(dǎo)致手指酸痛，已然成為進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，因此市場大量的需求和生產(chǎn)的不平衡性日益突出，迫切需要改善［3-5］。自2003年～2014年關(guān)于長尾夾裝配專利共有17 篇，其中9 篇發(fā)明專利，8 篇實用新型［6］。2014年上海理工大學(xué)發(fā)明的長尾夾裝配裝置也僅是半自動式的裝配機(jī)［7］，而自動裝配生產(chǎn)線幾乎是空白。由上述情況可以看出，對長尾夾自動化裝配系統(tǒng)的研究很有必要。

本研究提出的裝配方式主要采用可規(guī)?；乃窖b配，并對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，運用西門子S7-200 控制器實現(xiàn)長尾夾的準(zhǔn)確、有效裝配。

1 總裝系統(tǒng)的工作原理

長尾夾裝自動裝配機(jī)主要由輸送部件子系統(tǒng)、上料卸料子系統(tǒng)、裝配子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、傳感檢測子系統(tǒng)四大部分組成［8］。其中，輸送部件子系統(tǒng)采用導(dǎo)向法把整列把手及夾體輸入裝配系統(tǒng)，上料卸料子系統(tǒng)包括對夾體的推送夾緊裝置，而推送夾緊裝置則實現(xiàn)未裝配夾體的固定與已裝配夾體的撤除。裝配子系統(tǒng)實現(xiàn)了尾柄與夾體的裝配。最后自動裝配輸出長尾夾。傳感檢測子系統(tǒng)實時檢測裝配過程中出錯情況［9］。其流程如圖1 所示。

圖1 總體裝配流程圖

2 上料卸料同步裝置的設(shè)計

2．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

推送夾緊同步裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。夾緊機(jī)構(gòu)安裝于氣缸運送軌道上，該軌道實現(xiàn)了上料卸料同步工位至裝配工位的運送。頂開機(jī)構(gòu)通過與夾緊機(jī)構(gòu)中滑塊的配合運動，實現(xiàn)對夾緊機(jī)構(gòu)夾緊和松弛，頂開機(jī)構(gòu)的動力由氣缸提供。

圖2 總體示意圖

上料卸料機(jī)構(gòu)如圖3 所示。該機(jī)構(gòu)為長尾夾自動裝配系統(tǒng)的核心之一，其集上料與卸料一體，利用兩塊推板的前后運動，實現(xiàn)對已裝配長尾夾卸料的同時對待裝配夾體的上料，把裝配系統(tǒng)中兩個步驟合二為一。前推板和后推板通過彈簧片相連，整體可在滑軌上滑行，后推板通過氣缸連接件與氣缸相連，以此驅(qū)動上料卸料機(jī)構(gòu)。

圖3 上料卸料機(jī)構(gòu)

前推板后推板如圖4 所示。前推板前段設(shè)計為凹字形，兩塊板之間相互勾連，并有彈簧片兩件在兩板之間，可相對運動，進(jìn)而控制兩者相對位置。該設(shè)計實現(xiàn)當(dāng)氣缸推動后推板時，由于彈簧片的作用前、后兩塊推板同時運動，以及后推板的繼續(xù)運動，完成已裝配夾體的卸料和未裝配夾體的上料。

圖4 前推板后推板

上料卸料推桿如圖5 所示。卸料推桿略長于上料推桿，可讓推送機(jī)構(gòu)單步同時完成上料和卸料的動作，使整個推送機(jī)構(gòu)具有機(jī)構(gòu)緊湊、工作效率高的特點。

圖5 上料卸料推桿

夾緊機(jī)構(gòu)三維圖如圖6 所示。夾緊機(jī)構(gòu)各部件通過螺紋連接，擋塊、前后擋板以及底板連接形成滑行通道，左右滑塊置于通道內(nèi)部，可左、右滑移，并通過導(dǎo)桿和彈簧預(yù)緊，提供給夾體夾持力。底塊中心設(shè)有夾體底臺，用于放置夾體。已裝配好的長尾夾通過貼合的槽被夾持在左、右滑塊以及底臺中。

圖6 夾緊機(jī)構(gòu)三維圖

頂開機(jī)構(gòu)頭部部分如圖7 所示。該楔形頭部B是推送機(jī)構(gòu)的前端，當(dāng)氣缸作用時，將楔形頭部插入左右滑塊與底臺的間隙處，將滑塊頂開，夾緊裝置處于松弛狀態(tài)從而讓卸料與上料動作得以有效實現(xiàn)。當(dāng)氣缸拉動頂開機(jī)構(gòu)向后運動，楔形頭部退回，彈簧作用左、右滑塊重新夾緊，以此完成對夾體的夾緊與松開。

圖7 頂開機(jī)構(gòu)(頭部部分)

2．2 夾緊機(jī)構(gòu)的PLC 控制

控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)調(diào)控制方式，控制系統(tǒng)通過PPI 協(xié)議實現(xiàn)現(xiàn)場控制與遠(yuǎn)程管理的運行模式［10］。上位機(jī)實時監(jiān)控整個自動裝配過程運行狀態(tài)。下位機(jī)為西門子公司的S7-200 系列單片機(jī)，與上位機(jī)通過PC/PPI 電纜相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。S7-200系列單片機(jī)通過中間繼電器驅(qū)動電磁閥，進(jìn)而控制氣缸的動作。自動夾緊過程的控制總構(gòu)成如圖8 所示。

圖8 自動夾緊裝置控制總圖

自動夾緊機(jī)構(gòu)系統(tǒng)上電后，先對整個系統(tǒng)實行復(fù)位操作。使所有機(jī)構(gòu)全處于初始位置，而后按下開始開關(guān)，系統(tǒng)運行。當(dāng)夾體夾緊機(jī)構(gòu)運送到位，氣缸伸出，推動頂開機(jī)構(gòu)頂出，使夾緊機(jī)構(gòu)處于松弛狀態(tài)，夾體上料，上料到位，氣缸縮回，等待下一次夾體夾緊機(jī)構(gòu)運送到位。系統(tǒng)控制流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)控制流程圖

3 上料卸料同步裝置的仿真

3．1 氣缸運動數(shù)學(xué)模型的建立

該設(shè)計采用的氣缸為雙作用，即有兩個腔室，首先建立模型如圖10 所示。

圖10 氣缸動力學(xué)建模

根據(jù)恒定氣源壓力向有限容積絕熱充氣過程的熱力學(xué)分析［11］，得出如下能量方程:

kRTSdM=Vdp+kpdV

Qm1=dM/dt

代入可得:

式中:p1—進(jìn)氣腔1 中的絕對壓力，K—空氣絕熱比，R—干空氣的氣體常數(shù)，TS—氣源溫度，Qm1—氣源經(jīng)進(jìn)氣通道進(jìn)入進(jìn)氣腔1 的質(zhì)量流量，A1—進(jìn)氣腔側(cè)活塞作用面積，X10—活塞起始坐標(biāo)，X—活塞位移。

同理可得出排氣腔的方程為:

式中:T2—排氣腔2 中的溫度，;p2—排氣腔2 中的空氣絕對壓力;S—氣缸行程;A2—排氣腔側(cè)面活塞面積;X20—活塞終止坐標(biāo);Qm2—氣源經(jīng)進(jìn)氣通道進(jìn)入排氣腔2 的質(zhì)量流量;

根據(jù)牛頓第二定律，得活塞運動規(guī)律方程:

式中:M—活塞及氣缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，F(xiàn)—氣缸推動是所受到的負(fù)載。

上述公式中存在Qm1和Qm2，其數(shù)值用流量公式計算為:

式中:Ae—進(jìn)、排氣管道系統(tǒng)有效面積，m2;b—臨界壓力比;TS—管系的上游溫度，K;ps，pe—管路的上游壓力和下游壓力，Pa。

3．2 氣缸運動仿真模型建立

上述式(1～6)為氣缸傳動系統(tǒng)的動特性數(shù)學(xué)模型，將式(5，6)代入式(2，3)，隨后在Simulink 平臺上搭建模型［12］，對于氣流聲速段和非聲速段的條件選擇，和微分方程的約束條件，都是采用Simulink 平臺上Switch 開關(guān)實現(xiàn)的。先給出運動仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真運動參數(shù)表

其中，因裝配機(jī)構(gòu)和上料卸料機(jī)構(gòu)的F，M 和推出距離X 不相同，故本研究在計算式區(qū)別代入。特別指出p1和p2后標(biāo)有仿真確定，其意思是p1和p2的值分別賦予101 325～202 650(單位:Pa);101 325～303 975(單位:Pa);101 325～405 300(單位:Pa)等值，再將其代入仿真模型，對比得出的最優(yōu)值。在此不作對比，直接給出最優(yōu)值。

對于上料卸料機(jī)構(gòu)，其分為3 個階段，第一階段和第二階段由于前推板和后推板一起向前運動，故M =2．6 kg，而第三階段時，前推板被固定不動，則機(jī)構(gòu)M變?yōu)楹笸瓢遒|(zhì)量，故M=1．5 kg，即:

對于負(fù)載力，3 個階段各部相同，第一階段0 ＜X≤0．025，負(fù)載力為推動前推板后推板運動的力，安裝在氣缸上后，實測F =8 N，第二階段0．025 ＜X≤0．031，前推板頂開機(jī)構(gòu)頂入夾緊機(jī)構(gòu)，由靜力分析得出第二階段F 為20 N，此處簡化為F 從8 N 線性上升至20 N。而第三階段0．031 ＜X≤0．041，靜力學(xué)分析得F 最終為57 N，此處依舊簡化F 從20 N 線性上升至57 N，即:

將M 和F 代入仿真模型得出上料卸料氣缸運動特性的仿真圖，即上料卸料氣缸進(jìn)氣腔1 和排氣腔2的壓力變化曲線如圖11 所示。

圖11 上料卸料氣缸腔室氣壓曲線(進(jìn)氣腔1，排氣腔2)

從圖11 中的0．10 s～0．12 s 期間，上料卸料排氣腔的氣壓有所下降，其原因為上料卸料機(jī)構(gòu)運動時，卸料完成后有一定的質(zhì)量變化和阻力變化，這些變化影響機(jī)構(gòu)的速度，進(jìn)而最終導(dǎo)致排氣腔1 壓縮速度減小，氣壓下降。上料卸料氣缸活塞位移曲線如圖12 所示。

圖12 上料卸料氣缸活塞位移曲線

以上對上料卸料氣缸仿真可知氣缸最大推力F =30 N，氣缸正好推出到位時速度V =0．43 m/s，氣缸氣動至到位的時間為t=0．12 s。

至此仿真完成，得出以下兩個結(jié)論:

(1)在工作氣壓為0．2 MPa 的狀態(tài)下，上料卸料機(jī)構(gòu)的運動仿真曲線最優(yōu)(根據(jù)推出時間、速度等因素確定)

(2)動態(tài)仿真時間和速度表如表2 所示。

表2 動態(tài)仿真數(shù)據(jù)

3．3 上料卸料裝置的效率

根據(jù)表2 動態(tài)仿真數(shù)據(jù)顯示的上料卸料機(jī)構(gòu)的推出時間得出的上料卸料機(jī)構(gòu)完成運動的理論用時(此處因氣缸運動速度快，故推出和縮回時間假設(shè)相同)如表3 所示。

表3 運動機(jī)構(gòu)的理論用時

實際裝配系統(tǒng)的夾體裝配參考仿真數(shù)據(jù)，采用工作壓力為0．2 MPa，實驗證明在該壓力驅(qū)動下可以實現(xiàn)各個機(jī)構(gòu)的運動。進(jìn)而由于考慮到機(jī)器的穩(wěn)定性和裝配的正確性，在步驟與步驟之間預(yù)留了一定的時間，以便各個步驟運動完全到位，時間的控制可在PLC 程序中調(diào)試，并列出實驗數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 上料卸料中停時間與成功率的關(guān)系

從表4 中可以得出預(yù)留時間為0．45 s 時已能達(dá)到裝配要求，故穩(wěn)定上料卸料時間為0．693 s。

4 結(jié)束語

本研究對水平式長尾夾自動裝配系統(tǒng)中的上料卸料機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和研究，創(chuàng)造性地設(shè)計了高效率的上料卸料機(jī)構(gòu)，并用Simulink 仿真工具得出在工作氣壓為0．2 MPa 的狀態(tài)下，上料卸料機(jī)構(gòu)的運動仿真曲線最優(yōu)。

實驗結(jié)果表明，從原有人工上料卸料提升至80個/min 左右，該水平式上料卸料同步機(jī)構(gòu)大大提升了長尾夾整體裝配速度，并且由于水平的可延伸擴(kuò)展性，可以將單個裝配機(jī)以一個單元的形式與多個裝配機(jī)串聯(lián)組合形成一個6 組甚至更大的裝配系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，夾持力穩(wěn)定，失誤率低，可以被有效推廣。

但上料卸料機(jī)構(gòu)還需與其他機(jī)構(gòu)間的相互協(xié)調(diào)完成整個裝配過程，還需進(jìn)一步調(diào)整并提高設(shè)備的制造精度和結(jié)構(gòu)的可靠性。

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