周瑞麗，張繼忠，龔玉梅，張輝，金建華

(1.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺州 318000；2.浙江忠華消防器材有限公司，浙江臺州 318000)

0 前言

器頭是滅火器的核心部件，也是滅火器的主要操作機構(gòu)。常用的滅火器器頭主要包括保險裝置、啟動裝置、安全裝置、壓力反應(yīng)裝置、密封裝置和噴射裝置，如圖1所示。器頭的性能直接影響滅火器的使用效能，因此對產(chǎn)品質(zhì)量和裝配工藝要求較高。一方面，像其他閥門類零件一樣主要采用手工裝配方式，不僅裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，且工序較為分散，場地和工位多(見圖2)，生產(chǎn)成本較高，急需進行自動化裝配生產(chǎn)線研發(fā)；另一方面，按照器頭裝配生產(chǎn)線的工藝要求，所設(shè)計的裝配工作站需要完成頂桿總成裝配、彈簧和塑料接頭裝配、接頭與閥體的旋緊、手柄以及保險銷的裝配、保險銷鉚接等工作。在國內(nèi)，一些學(xué)者和企業(yè)已經(jīng)開始進行閥門零件自動化組裝線的研究，但這些研究還停留在理論層面。在器頭自動裝配線的研發(fā)中，還存在著安全銷的定位不準(zhǔn)、上料卡件、壓鉚不嚴等難以突破的技術(shù)瓶頸。

圖1 推車式滅火器器頭總裝圖

圖2 傳統(tǒng)手工裝配生產(chǎn)現(xiàn)場

針對上述問題，運用ECRS(Elimi ate-Combine-Rearrange-Simplify)理論，對裝配各工序內(nèi)容以及相關(guān)作業(yè)動作進行刪減、合并、重組和簡化，設(shè)計了滅火器器頭自動裝配工作站，實現(xiàn)將所有工序集中到一個工位的自動化操作，從而達到穩(wěn)定裝配精度、提高生產(chǎn)質(zhì)量的目的。相比傳統(tǒng)手工裝配，該方案所需工位少且場地更小、裝配效率更高、成本顯著降低。該工藝方案還可以推廣到其他閥門零件的組裝中。

1 自動裝配工作站工作原理

自動裝配工作站采用結(jié)構(gòu)緊湊的轉(zhuǎn)動盤式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)以電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)動圓盤作為工作站主體，沿圓周方向依次均勻設(shè)置器頭放置孔，如圖3所示。器頭放置孔的形狀和尺寸根據(jù)主零件閥體尺寸確定，器頭在工作臺的裝配姿態(tài)根據(jù)工作位置原則確定。在放置孔上安裝定位塊和壓緊板，實現(xiàn)閥體的定位夾緊。根據(jù)裝配順序，在轉(zhuǎn)動盤外圍依次設(shè)置自動上料機構(gòu)、頂桿安裝機構(gòu)、彈簧和塑料接頭安裝機構(gòu)、提把壓把安裝機構(gòu)、自動鉚接機構(gòu)以及自動卸料機構(gòu)。各機構(gòu)具有自動相位定位功能，以保證頂桿、彈簧、塑料件、提把、壓把、鉚接動作的穩(wěn)定性。機構(gòu)的信號與PLC控制單元相連，并由PLC控制單元控制，實現(xiàn)各工序協(xié)調(diào)動作。

圖3 自動裝配工作站布置方案

2 自動裝配工作站機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 自動供料機構(gòu)與卸料機構(gòu)設(shè)計

供料機構(gòu)采用振動盤形式，排列和調(diào)整零件在輸送中的姿態(tài)，通過機架上的轉(zhuǎn)動軸橫臂和氣動夾爪完成抓起和放下動作，并由下方的升降部件和轉(zhuǎn)動部件將器頭放入到器頭放置孔內(nèi)，器頭的定位和夾緊由設(shè)置在器頭孔旁邊的定位塊和壓緊板完成，如圖4所示。卸料機構(gòu)與上料機構(gòu)機械原理相同。

圖4 抓卸料單元結(jié)構(gòu)

2.2 頂桿總成裝配機構(gòu)設(shè)計

裝配頂桿總成時，主要應(yīng)保證頂桿總成自動上料和安裝時能準(zhǔn)確定位。根據(jù)頂桿總成的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計鋼絲振動盤，通過振動調(diào)整頂桿被夾具抓取前的姿態(tài)。抓取時，頂桿密封帽在上方的姿態(tài)比較方便抓取；安裝時，器頭位于頂桿總成上方，所以需要頂桿完成180°的旋轉(zhuǎn)動作才能準(zhǔn)確插入到器頭內(nèi)。因此安裝頂桿總成時，不僅要進行總成的供料、定位，還要完成翻轉(zhuǎn)動作設(shè)計，以及最后實現(xiàn)準(zhǔn)確插入到器頭頂桿孔的動作。

2.3 彈簧、塑料接頭裝配以及旋緊機構(gòu)設(shè)計

彈簧與塑料接頭的裝配主要應(yīng)解決彈簧和塑料接頭的供料方式和定位問題。塑料接頭采用振動盤運送，在振動盤的直線送料器端部設(shè)置阻擋條；彈簧采用輸送管運送，輸送管端部也同樣設(shè)置阻擋條，彈簧送料器末端直接與塑料接頭送料器連接，以保證每次1個接頭輸送到時，1個彈簧落入接頭內(nèi)。然后，將裝配有彈簧的塑料接頭通過十字滑臺運送到旋緊器的上方，由旋緊器的旋轉(zhuǎn)運動和氣缸的向上運動共同作用，使塑料接頭旋入到器頭上，如圖5所示。動作完成后，復(fù)位，開始下一組動作。

圖5 彈簧、塑料接頭裝配以及旋緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.4 手柄及保險銷裝配機構(gòu)設(shè)計

手柄裝配機構(gòu)包括手柄裝配機構(gòu)及保險銷裝配機構(gòu)。如圖6所示，在手柄裝配時，首先由氣缸驅(qū)動氣動夾爪完成夾緊手柄動作后再縮回；接著，由手柄位置校準(zhǔn)氣缸通過齒輪齒條傳動，帶動轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸帶動支撐板向上轉(zhuǎn)動，使手柄位置對準(zhǔn)器頭上相應(yīng)的手柄放置位置，然后氣動夾爪放開，把手柄安裝到器頭上，最后夾爪縮回，再取下一個手柄。保險銷裝配機構(gòu)在手柄放置完后工作，首先安全銷位置校準(zhǔn)氣缸工作，驅(qū)動活塞桿伸出，穿過手柄和器頭的孔，使兩者的孔對準(zhǔn)，這時保險銷供料系統(tǒng)將輸送管內(nèi)的保險銷送入到手柄和器頭的孔內(nèi)，同時氣缸縮回，手柄裝配工作完成，然后循環(huán)進行下一個手柄的裝配。

圖6 手柄、保險銷裝配機構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.5 保險銷自動鉚接機構(gòu)設(shè)計

保險銷自動鉚接機構(gòu)通過設(shè)置在支架內(nèi)側(cè)的鉚接機完成鉚接作業(yè)。如圖7所示，轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動時，鉚接驅(qū)動氣缸工作，使支架上升，當(dāng)轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)過一個工位時，支架下降，這時鉚接機對準(zhǔn)保險銷，進行壓鉚。

圖7 保險銷自動鉚接機構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 動力裝置設(shè)計

為使工作站中各裝配動作節(jié)拍一致，選擇PLC作為整個裝配工作站的控制單元。通過綜合考量裝配動作和尺寸參數(shù)，選擇裝配動力裝置。器頭裝配中涉及到的各機構(gòu)動力元件包括動力氣缸、裝配氣缸和伺服電機。由PLC控制相應(yīng)的電磁閥、傳感器等元件來實現(xiàn)氣缸的前進和后退，保證氣缸和伺服電機間實現(xiàn)工序的層次化推進。圖8所示卸料機構(gòu)，轉(zhuǎn)動部件和升降部件擬采用2個不同氣缸驅(qū)動，移動驅(qū)動氣缸驅(qū)動活塞桿帶動轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)上下運動，轉(zhuǎn)動驅(qū)動氣缸驅(qū)動活塞直線運動，并通過齒輪齒條機構(gòu)轉(zhuǎn)化為齒輪的轉(zhuǎn)動，由此帶動與齒輪同軸的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。

圖8 卸料機構(gòu)結(jié)構(gòu)

4 樣機生產(chǎn)能力試驗結(jié)果

(1)在滿足裝配工藝的前提下，增加了上下料數(shù)量統(tǒng)計、工位故障、產(chǎn)能顯示功能。樣機如圖9所示，采用PLC 控制系統(tǒng)，人機對話觸摸屏操作。工作環(huán)境溫度:5～45 ℃；濕度：10%RH～75%RH；電源：AC220V，50 Hz；壓縮空氣:壓力0.4～0.6 MPa，流量大于400 L/min。

圖9 滅火器器頭裝配工作站

(2)工作站裝配與傳統(tǒng)手工裝配系統(tǒng)對比

自動化裝配工作站在生產(chǎn)節(jié)拍、工位數(shù)等方面與傳統(tǒng)手工裝配對比的結(jié)果見表1。

表1 工作站裝配與傳統(tǒng)手工裝配系統(tǒng)對比結(jié)果

5 結(jié)語

(1)設(shè)計模塊式自動化裝配工作站，以替代現(xiàn)有傳統(tǒng)的手工裝配生產(chǎn)模式，實現(xiàn)高效、正確的零件裝配，提高裝配質(zhì)量穩(wěn)定性，減少工位數(shù)，降低生產(chǎn)成本。

(2)所設(shè)計的工作站中的推桿定位裝置可以實現(xiàn)推桿的精準(zhǔn)定位，解決了安全銷裝配時孔徑稍有錯位就發(fā)生卡機、報警的問題，降低了裝配難度，提高了裝配效率。

(3)模塊式自動化裝配工作站，可以擴展應(yīng)用到其他閥門產(chǎn)品的裝配，為閥門類產(chǎn)品裝配工作站的設(shè)計提供參考。