李 浩，龐愛民，陳家浩，黃 攀，張 熙

(武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速提升，人們穿衣目的不再僅僅是利用服裝來保護(hù)身體，御寒避暑，適應(yīng)外界環(huán)境氣候的變化，更是為了美化自身和張顯個(gè)性。服飾上各種各樣的繡花起到了良好的裝飾作用，大批量的服飾繡花主要是用電子提花機(jī)加工形成的[1-3]。

某企業(yè)主要生產(chǎn)電子提花機(jī)的某關(guān)鍵組件，在關(guān)鍵組件的裝配中，壓縮彈簧的裝配一直以來都是人工裝配，圖1為待裝配組件的三維建模局部放大圖，每個(gè)彈簧固定槽的預(yù)留尺寸只有3.9 mm。裝配要求將彈簧一端卡入動(dòng)鐵卡爪內(nèi)，另一端卡入關(guān)鍵組件固定槽內(nèi)。裝備過程中壓縮彈簧不允許變形，裝入后的彈簧不允許偏斜。圖2為人工裝配后的合格裝配圖。人工裝配過程中裝配工一手拿彈簧，另一只手將彈簧安裝到固定槽內(nèi)，裝配動(dòng)作雖然簡單，但彈簧尺寸較小，手工抓取彈簧極其不方便，裝配效率低下，且由于個(gè)體性差異和出現(xiàn)的工人循環(huán)工作乏力情況，不能保證裝配的一致性，該工位的自動(dòng)裝配也是關(guān)鍵組件全自動(dòng)化裝配線不可或缺的一環(huán)。實(shí)現(xiàn)該裝配工位的自動(dòng)化可解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率，意義重大[4-5]。

圖1 三維局部放大圖圖2 合格的人工裝配圖

一、全自動(dòng)彈簧裝配機(jī)構(gòu)整體方案

本文設(shè)計(jì)了彈簧的全自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從上料、取料到安裝的全自動(dòng)過程。裝配機(jī)構(gòu)三維模型如圖3所示，由定位系統(tǒng)、送料載物系統(tǒng)、夾裝系統(tǒng)三部分組成。

彈簧裝配機(jī)構(gòu)的工作原理為：當(dāng)流水線上的工裝板輸送到光電開關(guān)位置時(shí)，定位系統(tǒng)收到信號(hào)，抬升氣缸驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)將流水線上的工裝板抬離流水線，動(dòng)鐵導(dǎo)向槽將動(dòng)鐵位置輔助擺正，之后送料系統(tǒng)中振動(dòng)盤、直振工作，通過導(dǎo)軌將彈簧送到載物臺(tái)內(nèi)，旋轉(zhuǎn)氣缸運(yùn)行將載物臺(tái)運(yùn)送至待夾取位置，接著x軸氣缸滑臺(tái)右移，z軸氣缸下降，使彈簧夾爪定位到彈簧位置，然后氣動(dòng)手指驅(qū)動(dòng)夾爪對(duì)彈簧進(jìn)行夾取，z軸氣缸上升，x軸氣缸移動(dòng)到初始位置，z軸氣缸下降，分離氣缸運(yùn)行，仿形壓爪將彈簧壓至固定槽內(nèi)，最后系統(tǒng)復(fù)位。

1.機(jī)架；2.工裝板；3.抬升氣缸與定位平臺(tái)；4.流水線；5.導(dǎo)向槽；6.z軸氣缸；7.氣動(dòng)手指；8.分離氣缸；9.仿形壓爪；10.彈簧夾爪；11.x軸氣缸；12.載物臺(tái)；13.旋轉(zhuǎn)氣缸；14.直振；15.振動(dòng)盤。

二、裝配機(jī)構(gòu)的主要零部件設(shè)計(jì)

(一)無桿氣缸選型

為節(jié)省安裝空間，有足夠的定位精度，裝配便利，x軸移動(dòng)通過無桿氣缸驅(qū)動(dòng)完成[6]。本次設(shè)計(jì)擬選用SMC公司的MY1H型氣缸，滑臺(tái)精度可達(dá)0.05 mm以下。機(jī)架與流水線上工裝板側(cè)面到彈簧固定槽的距離為105 mm，送料載物臺(tái)與工裝板距離為120 mm，在不引起機(jī)械結(jié)構(gòu)干涉，留有足夠可調(diào)節(jié)距離的情況下，選擇行程為300 mm，初步選取型號(hào)為MY1H25-300的無桿氣缸。

氣缸的使用條件為：平均速度νa=200 mm/s，安裝方式為壁面安裝，緩沖為氣緩沖。已知負(fù)載重量w=0.98 kg，負(fù)載的合成重心為x=42 mm，y=64 mm，z=105 mm。氣缸不運(yùn)行時(shí)承受負(fù)載重量及由負(fù)載重量偏心產(chǎn)生的靜力矩，運(yùn)行時(shí)承受運(yùn)行沖擊產(chǎn)生的動(dòng)力矩。載荷分布簡圖如圖4所示。

(a)靜力矩示意圖 (b)動(dòng)力矩示意圖

分別計(jì)算靜、動(dòng)負(fù)載及負(fù)載率。

靜力矩：

M=mg·L

其中：L為到負(fù)載重心的距離；代入對(duì)應(yīng)參數(shù)：

M2=mg·z=0.98×9.8×105×10-3

=1.00842 N·m

M3=mg·x=0.98×9.8×42×10-3

=0.4034 N·m

動(dòng)力矩：

根據(jù)SMC公司提供的技術(shù)資料，mmax=4.5kg，M2max=9 N·m，M3max=2.4 N·m，當(dāng)1.4va=280 mm/s時(shí)，M1Emax=11 N·m，M3Emax=1.8 N·m。

總負(fù)載率：∑φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5=0.22+0.112+0.17+0.086+0.32=0.98<1。

表明總負(fù)載率滿足要求。最終選取SMC-MY1M25-300型號(hào)的無桿氣缸。

(二)夾裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夾裝系統(tǒng)主要包括氣動(dòng)手指的選型及夾爪的設(shè)計(jì)。彈簧夾爪為本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行件，用來完成彈簧的夾取動(dòng)作，夾爪的結(jié)構(gòu)、材料等相關(guān)因素將直接影響彈簧夾取的成功率，是本全自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。由于夾爪只需要夾緊和松開兩個(gè)動(dòng)作，無其他動(dòng)作，本設(shè)計(jì)中采用氣動(dòng)手指驅(qū)動(dòng)方式，相比液壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，該方式具有控制簡單，動(dòng)作延遲低、噪聲小、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[7]。

測得待裝配的圓柱螺旋壓縮彈簧具體參數(shù)為：彈簧絲直徑d=0.2 mm，彈簧外徑D=3.8 mm，彈簧內(nèi)徑D1=3.4 mm，節(jié)距t=1.3 mm，有效圈數(shù)n=7 mm，支撐圈數(shù)n2=2 mm，自由高度H0=nt+(n2-0.5)d=9.4 mm。用彈簧測力計(jì)采取逐差法確定彈簧的彈性系數(shù)K=400，彈簧的壓縮比為30%。選取氣動(dòng)手指為亞德客系列的HFZ16型，手指三維模型如圖5所示。該氣動(dòng)手指在工作氣壓為0.5 MPa，夾持點(diǎn)為10 mm時(shí)的閉合夾持力為17 N，兩側(cè)開閉行程為6 mm，滿足要求。

氣動(dòng)手指到夾持點(diǎn)的距離初選L=8.5 mm，防止定位不準(zhǔn)從而引起夾爪與彈簧干涉。已知工件上彈簧預(yù)留固定槽長度只有3.9 mm，彈簧在工作形變范圍內(nèi)壓縮后的長度最小為 9.4×30%=2.82 mm。為避免彈簧失效，夾爪夾緊狀態(tài)時(shí)將彈簧長度壓縮為3 mm，無桿氣缸的精度在0.05 mm以下，考慮加工誤差與氣缸位移誤差，將彈簧夾爪厚度設(shè)計(jì)為0.35 mm，在側(cè)面開0.05 mm厚的仿形凹槽，有利于彈簧夾取定位和端面固定。夾爪局部放大圖如圖6所示。

圖5 HFZ16型氣動(dòng)手指圖6 夾爪局部放大圖

根據(jù)胡克定律計(jì)算夾爪所受到彈簧的反作用力：

F=K·△x=400×(9.4-3)×10-3=2.56 N

夾取彈簧的時(shí)間為1 s，在夾取過程中夾爪承受的是符合胡克定律從0～2.56 N的線性動(dòng)力，因其厚度只有0.35 mm，夾爪夾取后自身的形變量不能超過0.05 mm。有必要通過SolidWorks軟件(簡稱SW)對(duì)不同材料的夾爪進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，以選取符合要求的夾爪材料。

通過SW插件對(duì)夾爪進(jìn)行線性動(dòng)力分析[8]。導(dǎo)入夾爪的三維建模，加載simulation插件，點(diǎn)擊新算例，選擇線性動(dòng)力-模態(tài)時(shí)間歷史，添加固定夾具在夾爪安裝圓柱孔面，外部載荷定義為線性，時(shí)間為1 s，從0～2.56 N，劃分網(wǎng)格，定義界面如圖7所示。應(yīng)用材料分別為灰鑄鐵、鋁合金、普通碳鋼，運(yùn)算求解結(jié)果如圖8所示。

圖7 定義界面

(a)灰鑄鐵 (b)鋁合金 (c)普通碳鋼

分析結(jié)果顯示，在夾取彈簧過程中，不同材料的夾爪，灰鑄鐵的形變位移為9.473×10-2mm，鋁合金的形變位移量為7.681×10-2mm，普通碳鋼的形變位移量為2.974×10-2mm，普通碳鋼滿足設(shè)計(jì)需求。

夾取動(dòng)作每分鐘要進(jìn)行3次，為避免夾爪在循環(huán)應(yīng)力作用下經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂。通過SW對(duì)夾爪進(jìn)行疲勞壽命分析，對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 疲勞壽命前后對(duì)比圖

由圖9可知生命周期為3.56×105<1×106，需對(duì)夾爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以滿足設(shè)計(jì)需求。添加加強(qiáng)筋之后的局部放大圖如圖10所示，重新對(duì)夾爪進(jìn)行疲勞壽命分析，生命周期達(dá)到1×106，即正常工作下，可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 優(yōu)化后夾爪局部圖

(三)直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

無桿氣缸的總負(fù)載率達(dá)到0.98，有必要加裝直線導(dǎo)軌對(duì)夾裝系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向和承重，以增加氣缸運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和壽命[9]。根據(jù)無桿氣缸的型號(hào)與承重大小方向來確定直線導(dǎo)軌型號(hào)[10]。初選直線導(dǎo)軌型號(hào)為亞德客LRM15N-310AAAH00，導(dǎo)軌行程310 mm，滑塊數(shù)量為1，精度等級(jí)為普通。直線導(dǎo)軌的使用條件：平均速度va=200 mm/s，安裝方式為水平安裝，無預(yù)緊力，每分鐘往返次數(shù)n=6。

由于導(dǎo)軌滑塊在支撐物體質(zhì)量的同時(shí)進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此，其負(fù)載的重心位置、推力作用位置會(huì)因開始、停止過程中伴隨的加速度、減速度的變化等發(fā)生變化?？傌?fù)載P=45 N，該型號(hào)導(dǎo)軌基本額定動(dòng)負(fù)荷C=420 N。

直線導(dǎo)軌的額定壽命為：

其中：根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[11]溫度系數(shù)ft=0.92；負(fù)載系數(shù)fw=1.2；硬度系數(shù)fh=0.9；接觸系數(shù)fc=0.81。代入數(shù)據(jù)：

=1.42×107

額定壽命時(shí)間：

其中：L為額定壽命；es為導(dǎo)軌行程310 mm；n=6為每分鐘往返次數(shù)。代入數(shù)據(jù)：

理想狀態(tài)下按照每日工作時(shí)間為12小時(shí)，壽命可達(dá)14年。

三、機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫仿真與實(shí)現(xiàn)

利用SW對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行三維建模[12]與動(dòng)畫仿真[13]，如圖11所示。搭建如圖12所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行夾裝實(shí)驗(yàn)。通過500次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明該機(jī)構(gòu)在每分鐘夾裝彈簧6次的正常工作頻率下，成功率達(dá)98%，能夠很好地完成彈簧的夾裝任務(wù)。

圖11 機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫仿真圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

四、結(jié)語

基于某企業(yè)裝配線上彈簧的人工裝配現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)該工位的全自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)選擇氣缸作為主要執(zhí)行元件，由振動(dòng)盤及直振配合載物臺(tái)實(shí)現(xiàn)彈簧的自動(dòng)送料，由無桿氣缸及直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)橫移動(dòng)作，由氣動(dòng)手指驅(qū)動(dòng)夾爪完成彈簧的夾取。相較于現(xiàn)今流行的機(jī)械臂與機(jī)器人，全自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，大大降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，且操作難度低，后期維護(hù)調(diào)試方便。搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的可行性，目前該機(jī)構(gòu)已投入企業(yè)裝配線實(shí)際應(yīng)用，且性能可靠，很好地完成了預(yù)期任務(wù)。