張新聚 李亞男

摘要：針對當(dāng)前摩托車單向器組件主要采用手工裝配、裝配效率低、隨機(jī)性大、無法對裝配過程實(shí)現(xiàn)有效管理控制的情況，為了易于對零件裝配過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和提高生產(chǎn)效率，開發(fā)了一種智能摩托車單向器自動裝配機(jī)。介紹了摩托車單向器自動裝配機(jī)的上料系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和落料系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了設(shè)備的氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)組成單向器的5種零件自動上料和裝配，同時降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，生產(chǎn)效率提高約50%。其氣動系統(tǒng)噪音小、工作可靠，可應(yīng)用于摩托車單向器的大批量生產(chǎn)。研究結(jié)果可為其他相似異形零件自動裝配機(jī)的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化技術(shù)；摩托車單向器；自動裝配機(jī)；智能；氣動系統(tǒng)；PLC

中圖分類號：TP271文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx03009

摩托車是現(xiàn)代生活中常用的交通工具之一。在東南亞一些國家，擁有摩托車是當(dāng)?shù)鼐用裆钯|(zhì)量和收入提高的一個重要標(biāo)志，摩托車的社會需求量巨大。摩托車單向器又稱超越離合器，是摩托車的一個主要部件。超越離合器的功能是當(dāng)按下起動按鈕時，起動電機(jī)的動力通過超越離合器傳遞給曲軸，進(jìn)而帶動發(fā)動機(jī)點(diǎn)火。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速逐步提高到一定程度后，發(fā)動機(jī)就會與起動機(jī)脫開，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，驅(qū)動摩托車運(yùn)動，而起動電機(jī)空轉(zhuǎn)進(jìn)而停止工作，以免起動電機(jī)被發(fā)動機(jī)反拖而損壞[1]。

第3期張新聚，等：摩托車單向器自動裝配機(jī)氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)河北工業(yè)科技第35卷當(dāng)前，還沒有針對摩托車單向器的全自動生產(chǎn)設(shè)備，單向器裝配主要采用手工方式，生產(chǎn)效率低，操作工人勞動強(qiáng)度大，企業(yè)勞動成本高，并且無法對零件裝配過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。因此，開發(fā)摩托車單向器自動裝配機(jī)是相關(guān)加工企業(yè)的迫切要求，可明顯提高企業(yè)設(shè)備信息化和自動化水平，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。本文主要對自動裝配機(jī)的氣動系統(tǒng)進(jìn)行研究，該部分是自動裝配機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

1裝配機(jī)工作原理和主要結(jié)構(gòu)組成

1.1裝配機(jī)工作原理

裝配機(jī)所裝配的摩托車單向器的主要零件如圖1所示，包括（從左到右）：1個星輪、3個彈簧、3個銷柱、1個金屬墊片和1個橡膠套，共計(jì)5種9個零件，裝配機(jī)需要將此9個零件組裝為一個完整的部件。

摩托車單向器自動裝配機(jī)是一個典型的機(jī)、電、氣一體化設(shè)備，采用PLC作為核心控制元件，協(xié)調(diào)整機(jī)各個執(zhí)行部件進(jìn)行工作。該設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括自動上料系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、落料系統(tǒng)、工位轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等?？紤]到需要在星輪上連續(xù)裝配其他8個零件，裝配精度要求較高，總體設(shè)計(jì)時將加工工位設(shè)置為環(huán)形布置形式，即將8個加工工位均布在直徑為700 mm的鋁合金圓盤上，在8個加工工位設(shè)置相同的星輪夾具，實(shí)現(xiàn)星輪在8個工位上一致準(zhǔn)確定位。為保證8個星輪夾具轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確，工位轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用了凸輪分割器模塊，分割器的定位分割精度為±30 s，同時，轉(zhuǎn)位迅捷，有利于生產(chǎn)率的提高。

該設(shè)備所組裝零件都是單個異形件，自動裝配時，需要按照特定的方位將各零件定時輸送到加工工位。摩托車單向器的5種零件都采用北京易方達(dá)公司生產(chǎn)的振動料盤自動上料，通過振動料盤的剔除、矯正機(jī)構(gòu)，可使零件在振動料盤出口按既定方位單個輸出。為確保零件準(zhǔn)確平穩(wěn)到達(dá)加工工位，在彈簧、星輪、橡膠套和墊片振動料盤后端加裝了直線料道。在直線料道輸入端安裝光電傳感器或光纖傳感器，檢測直線料道上的零件是否達(dá)到要求的數(shù)量。未達(dá)到數(shù)量要求時，振動料盤持續(xù)工作供料；達(dá)到數(shù)量要求時，料盤停止供料，減小上料振動對設(shè)備裝配過程的影響[2-4]。

1.2裝配系統(tǒng)與落料系統(tǒng)

裝配系統(tǒng)是摩托車單向器自動裝配機(jī)的核心執(zhí)行模塊，分為彈簧/銷柱裝配模塊和墊片/橡膠套裝配模塊。落料系統(tǒng)是將裝配好的單向器組件從墊片/橡膠套裝配工位轉(zhuǎn)移到成品容器，該模塊與墊片/塑膠套裝配模塊配合工作，共同完成單向器的落料動作。

彈簧/銷柱裝配模塊如圖3所示，1個單向器需要裝配3對具有預(yù)緊力的彈簧和銷柱。

首先，銷柱通過振動料盤和不銹鋼圓管軌道，按照直立方位輸送到銷柱推桿前端，由于銷柱上下端部是球面形式，為保證銷柱在推桿前端的直立狀態(tài)，在銷柱推桿前端粘結(jié)了1塊磁石，通過磁力使銷柱保持直立狀態(tài)；其次，彈簧通過其上料機(jī)構(gòu)按照既定方位到達(dá)彈簧推桿前方，通過氣缸將其向前推動并與銷柱壓縮在一塊，銷柱推桿通過氣缸將第1組彈簧、銷柱推送到星輪第1個凹槽上方；最后，通過下壓氣缸，將其裝配到星輪第1個凹槽中，完成第1組彈簧、銷柱的裝配。

第2、第3組彈簧、銷柱裝配與第1組彈簧、銷柱裝配相類似，不同的是這2組彈簧、銷柱到達(dá)星輪上方后，需要步進(jìn)電機(jī)通過同步帶帶動心軸，進(jìn)而帶動彈簧、銷柱分別轉(zhuǎn)動150°和270°，到達(dá)星輪第2和第3個凹槽上方后，壓入星輪相應(yīng)凹槽。

墊片/橡膠套裝配模塊如圖4所示。墊片和塑膠套分別通過振動盤和直線料道輸送至裝配工位， 電磁機(jī)械手下插到塑膠套中，帶動塑膠套橫移到墊片上方，然后通過電磁機(jī)械手吹氣結(jié)構(gòu)，

將塑膠套落料至墊片孔中；電磁鐵機(jī)械手通電，通過磁力吸附墊片/橡膠套組件，利用氣缸動力將其一并輸送至星輪上方，壓入星輪，完成整個裝配工作。最后，電磁鐵機(jī)械手上移，帶動整個單向器組件到達(dá)落料模塊的落料槽上方，實(shí)現(xiàn)落料。

2氣動回路設(shè)計(jì)

摩托車單向器各個零件質(zhì)量都較小，非常適合采用氣動系統(tǒng)提供動力。設(shè)備各主要工藝動作，如星輪進(jìn)入轉(zhuǎn)位夾具動作、彈簧/銷柱裝配模塊動作、墊片/橡膠套裝配模塊動作、落料模塊動作等，都采用氣動系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動。根據(jù)計(jì)算，氣動系統(tǒng)主回路氣壓采用045 MPa，氣動元件主要采用亞德客產(chǎn)品[5-8]。

2.1彈簧/銷柱裝配模塊（二工位）氣動回路設(shè)計(jì)

該回路所要完成的工藝動作是將上料系統(tǒng)分別輸出的彈簧、銷柱組合在一起，在二者具有一定預(yù)緊力的情況下，裝配到星輪凹槽中[9-12]。

2.1.1彈簧/銷柱裝配模塊氣缸選型

由于彈簧和銷柱的外形尺寸很小，所以在選用氣缸時主要根據(jù)運(yùn)動的方式選擇氣缸類型。本模塊中選擇雙軸氣缸，這種氣缸具有良好的導(dǎo)向性。本模塊中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動行程≤50 mm，載荷小，所以擬選用缸內(nèi)徑為6 mm的雙軸氣缸，該氣缸在不同氣壓下的理論輸出力大小也不相同，如表1所示。

氣動系統(tǒng)主回路氣壓采用0.45 MPa，根據(jù)表1可得壓側(cè)輸出力大小為25.45 N，拉側(cè)輸出力大小為14.15 N，均滿足推動零件所需推力的要求。在該工位所選用的氣缸型號如表2所示。

本模塊中工藝動作順序?yàn)閺椈缮狭蠚飧淄屏稀獜椈珊弯N柱上料氣缸進(jìn)行推料—彈簧上料氣缸退回—彈簧和銷柱上料氣缸退回—下壓氣缸下壓—下壓氣缸退回。該工位氣動回路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.2墊片/橡膠套裝配模塊（三工位）氣動回路設(shè)計(jì)

該回路所要完成的工藝動作是將上料系統(tǒng)分別輸出的墊片、橡膠套組合在一起，然后通過電磁機(jī)械手將其一并裝入星輪中，最后，電磁機(jī)械手與落料模塊配合，完成單向器組件的落料。

2.2.1墊片/橡膠套裝配模塊及落料模塊氣缸選型

由于墊片和塑膠套的質(zhì)量很小，所以在本模塊中選用氣缸類型時，主要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的平穩(wěn)性和位移的準(zhǔn)確性。本模塊中選擇的氣缸種類為雙軸氣缸和滑臺氣缸，這兩種氣缸均具有良好的導(dǎo)向性。本模塊中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動行程≤100 mm，所以擬選擇缸內(nèi)徑為6 mm或10 mm的雙軸氣缸及行程為100 mm的滑臺氣缸。氣缸在不同氣壓下理論輸出力的大小如表3所示。

由于氣動系統(tǒng)主回路氣壓采用0.45 MPa，根據(jù)表1可得缸內(nèi)徑為6 mm雙軸氣缸壓側(cè)輸出力大小為25.45 N，拉側(cè)輸出力大小為14.15 N。根據(jù)表3可得缸徑為10 mm的雙軸氣缸壓側(cè)輸出力為70.7 N，拉側(cè)輸出力為65.35 N；缸徑為10 mm的滑臺氣缸輸出力為55.3 N，均滿足該工位氣缸推動零件運(yùn)動所需推力的要求。該工位選用的氣缸型號如表4所示。

2.2.2墊片/橡膠套裝配模塊及落料模塊氣動回路圖

該模塊執(zhí)行的工藝動作是：墊片、橡膠套分別由上料機(jī)構(gòu)將工件按照指定方位輸送到裝配工位，橡膠套真空吸盤機(jī)械手抓取振動上料機(jī)構(gòu)輸送到位的橡膠套，橡膠套移位氣缸帶動吸盤機(jī)械手上升，移位到墊片上方，真空吸盤反向吹氣，橡膠套落料，吸盤機(jī)械手返回抓取下一個零件，電磁吸盤機(jī)械手被墊片移位氣缸帶動至墊片孔上端，電磁吸盤機(jī)械手將橡膠套壓進(jìn)墊片孔中，同時，電磁吸盤機(jī)械手上電，抓取墊片、橡膠套通過墊片移位氣缸移位到星輪夾具上方，星輪夾具中已有裝配好3組彈簧、銷柱的星輪，將墊片、橡膠套一塊壓進(jìn)星輪，電磁吸盤機(jī)械手復(fù)位，完成單向器裝配，同時落料模塊移位氣缸帶動落料槽移位至電磁吸盤機(jī)械手下端，電磁鐵斷電，單向器組件落料至落料槽，完成單向器的落料。其氣動回路設(shè)計(jì)如圖6所示[13-15]。

3結(jié)語

對摩托車單向器自動裝配機(jī)的氣動系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了單向器組件裝配的效率，完成了摩托車單向器自動裝配機(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)加工，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了安裝調(diào)試和試加工。

由于彈簧/銷柱裝配模塊需要裝配3對彈簧、銷柱，進(jìn)行3次循環(huán)，所以氣缸工藝動作總數(shù)為18次，加上步進(jìn)電機(jī)帶動心軸進(jìn)行轉(zhuǎn)位，該模塊所用時間為20 s。墊片/橡膠套裝配模塊及落料模塊氣缸工藝動作數(shù)為12次，所用時間為12 s。經(jīng)過樣機(jī)試生產(chǎn)，彈簧/銷柱裝配模塊是該設(shè)備占用時間最長工藝環(huán)節(jié)，為20 s，樣機(jī)生產(chǎn)率為3個/min，遠(yuǎn)高于人工效率2個/min，摩托車單向器裝配效率提高約50%。這說明本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足單向器零件的自動上料，完成單向器的自動裝配工藝動作；通過對氣缸氣壓值的實(shí)驗(yàn)研究，得出實(shí)驗(yàn)氣缸的壓力和拉力能夠滿足零件進(jìn)退所需；通過分析裝配與落料模塊的工藝動作和時間發(fā)現(xiàn)，該套設(shè)備能夠滿足單向器組件的裝配要求，氣動系統(tǒng)噪音小、工作可靠，為摩托車單向器的大批量生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

設(shè)備開發(fā)的不足之處是彈簧/銷柱裝配工位工藝動作較多，工藝時間長，影響了整機(jī)的生產(chǎn)效率。未來設(shè)備升級改造時，可將現(xiàn)有的彈簧/銷柱裝配工位增加為3個，每個彈簧/銷柱裝配工位只裝配1對彈簧、銷柱，同時，可省去該工位心軸的旋轉(zhuǎn)工藝動作，進(jìn)一步提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。

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