謝 偉,李文望,袁利祥,王 翔,蔡正明
(1.廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,福建 廈門(mén) 361024;2.廈門(mén)精奧自動(dòng)化科技有限公司,福建 廈門(mén) 361022)
齒輪軸主要用于力的傳動(dòng),應(yīng)用范圍廣、需求量大。目前,國(guó)內(nèi)外的齒輪軸主要通過(guò)人工進(jìn)行裝配,存在生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、裝配質(zhì)量難以保證以及生產(chǎn)成本高等問(wèn)題[1]。應(yīng)用裝配自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)齒輪軸的全自動(dòng)化裝配,不僅能夠提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量,而且對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本效果顯著[2-3]。雖然部分企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行半自動(dòng)化的生產(chǎn),出現(xiàn)了齒輪軸自動(dòng)裝配機(jī),但是其自動(dòng)裝配的程度較低,許多關(guān)鍵工位仍然需要人工組裝,其可靠性、效率以及質(zhì)量難以保證,而且在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度方面效果不明顯[4]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于齒輪軸自動(dòng)裝配的研究及相關(guān)文獻(xiàn)較為匱乏,因此對(duì)于齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)具有重要的意義。根據(jù)生產(chǎn)要求,本文設(shè)計(jì)了一種齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng),通過(guò)改善裝配質(zhì)量以及避免人為差錯(cuò)現(xiàn)象來(lái)提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境。
齒輪軸組件由上下摩擦片、輸出軸、齒輪4個(gè)零件構(gòu)成。磨檫片有個(gè)方形孔槽,對(duì)其找位后裝入輸出軸中,齒輪軸組件有上下兩個(gè)摩擦片,中間為齒輪。傳統(tǒng)手工裝配流程為:(1)人工將齒輪軸裝入隨行工裝夾具上定位;(2)人工將下摩擦片裝到齒輪軸上;(3)人工進(jìn)行摩擦片涂油脂;(4)人工將齒輪裝入到齒輪軸上;(5)人工裝配上摩擦片;(6)利用設(shè)備手動(dòng)鉚壓;(7)人工將其放入到相關(guān)獨(dú)立設(shè)備跑和;(8)完成跑和,取出成品。齒輪軸裝配體及爆炸圖如圖1所示。
圖2為自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的整體布局。齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)盤(pán)式12工位加直線(xiàn)式撥叉布局,圓周上面均布12個(gè)工位,每個(gè)工位上都安裝有固定輸出軸的工裝。
自動(dòng)化裝配動(dòng)作順序有如下14個(gè)主要步驟。(1)輸出軸上料。輸出軸通過(guò)振動(dòng)盤(pán)一豎一出振到分料位上,由輸出軸上料機(jī)械手搬運(yùn)到轉(zhuǎn)盤(pán)工裝固定位置完成上料,與此同時(shí)檢測(cè)齒輪軸是否裝配到位。(2)摩擦片上料。摩擦片通過(guò)振動(dòng)盤(pán)一橫一出振到分料位上,經(jīng)過(guò)渡工位旋轉(zhuǎn)找位再由摩擦片上料機(jī)械手上料,安裝到輸出軸上。(3)檢測(cè)摩擦片是否安裝到位。接觸桿接觸摩擦片,通過(guò)對(duì)射光纖檢測(cè)摩擦片是否安裝到位。(4)涂油脂。涂油脂機(jī)構(gòu)在摩擦片上涂一層油脂。(5)齒輪上料。齒輪通過(guò)振動(dòng)盤(pán)經(jīng)由直振料道一橫一出振到分料機(jī)構(gòu)上,經(jīng)由高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)確認(rèn)齒輪正反面,如為正面無(wú)需180°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn),否則需經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)再安裝到輸出軸上。(6)檢測(cè)齒輪安裝到位。通過(guò)彈性探針檢測(cè)齒輪是否安裝到位。(7)涂油脂:涂油脂機(jī)構(gòu)涂油脂。(8)上摩擦片上料。摩擦片通過(guò)振動(dòng)盤(pán)一橫一出振到分料工位,經(jīng)由旋轉(zhuǎn)找位機(jī)構(gòu)找位之后,再通過(guò)上料機(jī)械手安裝到輸出軸上。(9)摩擦片檢測(cè)。 通過(guò)反射光纖檢測(cè)摩擦片是否安裝到位。(10)過(guò)渡移栽。經(jīng)由過(guò)渡工位將齒輪軸移栽到跑和機(jī)構(gòu)進(jìn)行跑和。(11)不良品下料。不良品經(jīng)由機(jī)械手抓取到不良品盒。(12)鉚壓。對(duì)裝配體進(jìn)行鉚壓。(13)齒輪軸跑和。產(chǎn)品鉚壓完成后,進(jìn)行跑和。(14)成品下料。成品經(jīng)由機(jī)械手抓取下料。
圖3是裝配系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。12個(gè)隨行工裝均勻分布在轉(zhuǎn)盤(pán)上,分度裝置和轉(zhuǎn)盤(pán)連接。機(jī)架支撐整個(gè)裝配體,機(jī)架采用50 mm×50 mm方管焊接而成,主要支撐著各工位機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)(分度裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)和隨行夾具)和撥叉機(jī)構(gòu)。齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 齒輪軸自動(dòng)化裝系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of gear shaft automatic assembly system
由分度裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)和隨行工裝等組成的旋轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)是該自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,隨行工裝與轉(zhuǎn)盤(pán)以定位槽及定位銷(xiāo)定位,并配以2個(gè)螺絲固聯(lián);由于凸輪分割器精度已經(jīng)很高,因此由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
采用如圖4所示的隨行工裝對(duì)工件進(jìn)行定位裝夾是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與高效化的裝配要求。文中齒輪軸的底面和圓柱側(cè)面作為定位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)隨行夾具,保證輸出軸在夾具上的正確位置。該工裝采用彈壓式,便于輸出軸的安裝及拆卸。此外,對(duì)于輸出軸臺(tái)階單獨(dú)設(shè)計(jì)了工裝塊B,便于輸出軸的固定。
由于隨行工裝夾具具有多個(gè)機(jī)構(gòu)上料裝配的功能,因此,工裝夾具在裝配工藝中起著承載、定位的重要功能。轉(zhuǎn)盤(pán)的直徑為400 mm,其他相關(guān)的裝配機(jī)構(gòu)要在轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的裝配功能,工裝夾具的好壞顯得至關(guān)重要。如果采用電木夾具,其加工精度最高只能達(dá)到0.1 mm。對(duì)齒輪軸的裝配要求而言,該精度無(wú)法滿(mǎn)足工件的定位精度要求。本文采用Cr12作為夾具材料,表面經(jīng)過(guò)發(fā)黑處理,加工精度可達(dá)0.02 mm,滿(mǎn)足了工件定位要求。
齒輪軸的裝配過(guò)程中對(duì)工件的位置精度要求較高,不僅對(duì)夾具裝夾精度要求高,還要求轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)動(dòng)作準(zhǔn)確、傳動(dòng)平穩(wěn)、分度精度高,因此選擇凸輪分割器作為分度裝置[5-6]。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案,分割器選型的原始參數(shù)如表2所示。
表2 凸輪分割器原始參數(shù)Table 2 Original parameters of CAM separator selection
凸輪分割器的選型計(jì)算較為復(fù)雜,因?yàn)槠邢?,且許多廠(chǎng)商也提供相關(guān)的技術(shù)服務(wù),所以對(duì)于相關(guān)計(jì)算不作過(guò)多闡述。本文選擇了費(fèi)格森凸輪分割器,具體型號(hào)為4DF12-120-SGN-1R±15,電動(dòng)機(jī)選用成鋼電機(jī),具體型號(hào)為5IK90RGU-CF-5GU3-180。這款型號(hào)的分割器為弧面凸輪分割器,具有較高的運(yùn)動(dòng)精度,凸輪輪廓的設(shè)計(jì)制造相當(dāng)復(fù)雜,但是其承載能力較大,廣泛應(yīng)用于負(fù)載過(guò)重的場(chǎng)合。
摩擦片為一圓片,中心有一個(gè)類(lèi)似長(zhǎng)條孔的槽口,厚度為0.4 mm。由于摩擦片尺寸規(guī)格較小,進(jìn)行安裝時(shí)必須進(jìn)行找位,這就導(dǎo)致自動(dòng)化實(shí)施的困難性加大。對(duì)摩擦片上料,目前企業(yè)普遍采用人工分離摩擦片,然后進(jìn)行找位裝配。但是采用人工操作存在的問(wèn)題是摩擦片分片麻煩、找位作業(yè)枯燥、人工成本高而且效率無(wú)法保證,因此,需要自動(dòng)化生產(chǎn)代替人工操作。摩擦片具體尺寸如圖5所示。
摩擦片要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料必須克服兩個(gè)問(wèn)題,一是摩擦片規(guī)格太小,二是必須先進(jìn)行找位操作。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題,對(duì)摩擦片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料功能進(jìn)行分析,得出如下的4個(gè)步驟。(1)出料。由于摩擦片的外形比較規(guī)則,對(duì)此可以采用振動(dòng)盤(pán)出料,但是對(duì)于摩擦片的出料方向無(wú)法一次到位。(2)分料。摩擦片經(jīng)由直振軌道至分料位,分料后便于機(jī)械手的抓取。(3)摩擦片找位。摩擦片經(jīng)移載機(jī)構(gòu)抓取到找位機(jī)構(gòu),進(jìn)行定位。(4)機(jī)械手抓取上料。機(jī)械手抓取找位后的摩擦片,直接與輸出軸進(jìn)行裝配。本摩擦片上料工位的工序裝配動(dòng)作多,要求裝配過(guò)程分選正確,裝料定位位置準(zhǔn)確,精度及可靠性要求高,是整個(gè)裝配系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵。
基于上述齒輪軸上料過(guò)程分析,設(shè)計(jì)如圖6所示的摩擦片振動(dòng)盤(pán)出料、旋轉(zhuǎn)找位以及自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)。摩擦片經(jīng)振動(dòng)盤(pán)一橫一出振出到直線(xiàn)軌道,再經(jīng)由分料位分料,分料后機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)抓取過(guò)渡到旋轉(zhuǎn)找位機(jī)構(gòu),經(jīng)找位后再次有機(jī)械上料機(jī)構(gòu)抓取上料,進(jìn)行裝配。
設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的就是旋轉(zhuǎn)找位機(jī)構(gòu),如果摩擦片的位置出了問(wèn)題,那么后續(xù)的動(dòng)作都會(huì)被延誤,而且這個(gè)位置的精度要求高,否則無(wú)法裝配到輸出軸里面。此外,由于摩擦片本身的尺寸規(guī)格小,對(duì)于機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)的要求較高,手指設(shè)計(jì)既要抓取牢固,又要高精度。手指的設(shè)計(jì)依靠摩擦片的外圓面進(jìn)行限位,與此同時(shí)對(duì)于摩擦片的上表面進(jìn)行限位,通過(guò)手指缸的動(dòng)作,能夠限制6個(gè)自由度,滿(mǎn)足限位要求??紤]到手指需要與摩擦片頻繁接觸,容易發(fā)生磨損,所以選擇Cr12為材料,進(jìn)行表面發(fā)黑處理,相對(duì)應(yīng)的尺寸公差為±0.05 mm,保證摩擦片夾取過(guò)程中的定位精度。
齒輪上料機(jī)構(gòu)如圖7所示。齒輪的尺寸較小,并且齒輪的上下兩面有所區(qū)別,需要進(jìn)行辨別。采用手工操作的方法裝配齒輪,一方面,由于齒輪的尺寸較小,裝配較為困難,并且要進(jìn)行正反面的識(shí)別;另一方面,人工成本高,效率低下。鑒于以上人工裝配的不足,考慮利用振動(dòng)盤(pán)振動(dòng)出料,齒輪出料后,其正反面具有一定的高度差,通過(guò)氣缸動(dòng)作直接進(jìn)行檢測(cè),判斷正反面是否正確,如不正確則旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是通過(guò)氣缸帶動(dòng)直齒條動(dòng)作,使得相配合的轉(zhuǎn)軸發(fā)生180°轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)齒輪的旋轉(zhuǎn)。
本文通過(guò)分析齒輪軸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),完成了齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型,解決了摩擦片上料、齒輪上料及裝配困難的問(wèn)題,最終設(shè)計(jì)出齒輪軸自動(dòng)裝配系統(tǒng)。其中,彈壓式隨行工裝的設(shè)計(jì)對(duì)于齒輪軸的固定效果明顯,而且保證了其表面的質(zhì)量與裝配精度,便于拆裝。此外,關(guān)鍵工位中旋轉(zhuǎn)找位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及齒輪正反面檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于齒輪軸的精準(zhǔn)裝配也起了至關(guān)重要的作用。通過(guò)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)進(jìn)行齒輪軸的生產(chǎn),不僅效率得到極大的提高,滿(mǎn)足企業(yè)的大批量生產(chǎn)需求,而且裝配質(zhì)量比傳統(tǒng)人工裝配更為可靠,為企業(yè)節(jié)省了投資成本。
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