阻尼器衬垫自动装配装置研制_王松.pdf

0 引言阻尼器为专用设备关键零部件,专用设备装配时,需要在阻尼器外圈装配衬垫,配合电机和阻尼器法兰用于专用设备的密封。目前的衬垫装配为操作人员手工装配,存在劳动强度大、生产效率低的问题。本文设计了一套阻尼器衬垫自动装配装置,实现了阻尼器和阻尼器衬垫的自动装配。1 衬垫手工装配过程分析阻尼器衬垫自动装配装置研制王松,运玉兴,吴伯昊,李超(中核（天津）机械有限公司,天津 300300)作者简介：王松，硕士研究生，研究方向为机械制造及自动化。目前,手工装配衬垫流程如图1所示。操作人员拿取阻尼器及衬垫,把衬垫套到阻尼器上,双掌抵住阻尼器顶部,四指向上拉衬垫,直至衬垫到达装配位置。当前的装配流程存在以下问题：（1）耗时较长。对操作人员手工装配衬垫进行了测时,测时结果为阻尼器衬垫手工装配平均所用工时为 20.14 s。（2）劳动强度大。衬垫装配过程中会向外扩张,并且与阻尼器表面摩擦,在扩张力和摩擦力的综合作用下,导致装配作业劳动强度比较大。同时在阻尼器内腔中有阻尼油,装配过程中阻尼油不能洒落,更增加了衬垫装配难度。2 总体方案该项目目标为：研制一台阻尼衬垫自动压装装置,实现阻尼器、衬垫压装过程中的自动上料,阻尼器、衬垫的自动压装,装配体的自动下料。对项目目标进行分解,可以得到需要完成的动作分别为：阻尼器上料,衬垫上料,阻尼器、衬垫压装,装配体下料。设计流程如图 2 所示,从需要完成的动作出发,对阻尼器衬垫自动压装装置进行方案设计,可以得到该装置主要由阻尼器上料结构、衬垫上料结构、压装结构、下料结构四部分组成。图 1 衬垫手工装配过程目前阻尼器和衬垫的装配为手工装配,存在劳动强度大、生产效率低的问题。为解决该问题,研制一套阻尼器衬垫自动装配装置,实现了阻尼器和衬垫的自动上料及装配。62科技视界Science&Technology Vision NEW THEORY OF SCIENCE&TECHNOLOGY科技新论3 结构设计3.1 阻尼器上料结构阻尼器为柱状结构,外形规则,可以采用常规上料结构,并且阻尼器中有阻尼油,上料过程需要保持平稳。根据应用场景,选择传送带上料。使用传送带对阻尼器上料时,需要操作人员把阻尼器摆放在传送带上。人工摆放阻尼器存在两个问题：（1）人工摆放阻尼器不能保证阻尼器在传送带上位于同一条直线上。（2）人工摆放阻尼器不能保证每个相邻阻尼器之间距离相同,如图 3 所示。自动装配时阻尼器到达固定位置,才能在不引入视觉的情况下进行抓取。针对问题（1）,设计了 V 形导向结构,使位于传送带边缘的阻尼器能够沿 V 形块边缘移动到传送带中心。针对问题（2）,引入了传感器,以保证阻尼器到达抓取位置后,传送带才停止转动。通过 V 形导向结构及传感器使阻尼器可以到达预定装配位置,如图 4 所示。3.2 衬垫上料结构衬垫为环形零件,形状规则,材质为橡胶,容易粘连。根据衬垫的材料特性选择弹夹式上料。弹夹式上料原理为,把需要装配零件码放在料仓中,在重力或推力作用下零件向下移动,气缸带动推板把底层零件推到工作位置,气缸带动推板收回,上层零件向下移动,完成一次上料。衬垫上料结构如图 5 所示。料塔支座和气缸安装在底座上,料塔支座前方有方形槽,作业时衬垫可以从槽中推出。推片连接在气缸上,料塔通过销轴 1 连接图 2 总体方案设计流程图 3 人工摆放阻尼器示意图图 4 阻尼器上料结构图图 5 衬垫上料结构图63科技视界Science&Technology Vision NEW THEORY OF SCIENCE&TECHNOLOGY科技新论在料塔支座上,并且可以绕销轴 1 转动,销轴 2 可插拔,穿过料塔支座及料塔。上料过程为：操作人员拔出销轴 2,把料塔绕销轴 1 旋转 180,将衬垫套在料塔上,套满后把料塔旋转 180,使其回到初始位置,橡胶衬垫在重力作用下落到底座顶面上,把销轴 2 插回孔中,防止作业时料塔绕销轴 1 转动。该结构主要有 2 个设计点。（1）料塔与推片的仿形结构。料塔与推片分别于衬垫内圈、外圈形状相同,料塔尺寸略小于衬垫内圈,保证衬垫落料时不会卡住,推片尺寸等于衬垫外圈直径。由于衬垫为橡胶材质,质地较软,推片与料塔的仿形结构最大限度地保证了衬垫上料时不会发生变形。（2）销轴 2 防止料塔作业时转动,料塔底面与底座顶面距离为衬垫厚度+1mm。作业时位于底层的衬垫被推片向前推出,相邻的衬垫虽然与底层衬垫粘连,但由于料塔的固定相邻的衬垫无法向前移动,伴随着推片前推两个衬垫被逐渐分开,并且在销轴 2 的固定下料塔不会发生转动。通过该结构解决了橡胶衬垫材质软和相邻衬垫易粘连的问题,成功实现了衬垫上料。3.3 压装结构阻尼器本身就带有导向锥形面结构,可以与衬垫直接进行压装。由图 1 可知阻尼器锥形面上粗下细,压装时需要翻转阻尼器,但是阻尼器内腔中有阻尼油,翻转后阻尼油会洒落。并且由于压装时需要对零件进行定位,常规压装方法都是零件不动,压头直接下压衬垫,下压过程中衬垫扩张不会受到限制。反之如果衬垫固定,下压零件,在压装过程中衬垫会向外扩张,衬垫的定位结构会限制衬垫扩张。采用反向思维设计,把衬垫放于阻尼器下方,并且选择了衬垫固定,零件下压的压装方式。这种压装方案下需要解决的主要问题为压装过程中衬垫定位装置限制衬垫扩张。为解决此问题,设计了弹性定位结构,该结构既可以实现衬垫定位,又可以随着衬垫的扩张而扩张。弹性定位结构如图 6所示,由三个完全相同的独立结构组成,每个独立结构都由定位体、滑台、弹簧、光杠、底座几部分组成。以其中一独立结构为例,定位体装在滑台上,可以随滑台沿光杠滑动,滑台后方装有弹簧。非压装作业时,滑台在弹簧的推力作用下紧贴底座,三个定位体组成的定位圆与衬垫外径相同（稍大）,对衬垫进行定位。压装作业时,随着衬垫的扩张,滑台压迫弹簧向后移动,定位体向后移动,三个定位体组成的定位圆直径变大,不限制衬垫的扩张。压装完成后,衬垫被取走,弹性定位结构恢复为初始状态。图 6 弹性定位结构图64科技视界Science&Technology Vision NEW THEORY OF SCIENCE&TECHNOLOGY科技新论衬垫压装过程只有两个工作位置,考虑到结构简单、价格便宜两个方面,选择气缸作为驱动元件。为保证压装过程的平稳,选择了三杆气缸。选择气缸缸径主要取决于所需要的工作压力。因为衬垫为橡胶材质,受力时为非线性变形,无法进行精确理论计算,所以通过试验测量所需要的工作压力。选取一块平板,在平板上开孔,衬垫放置在孔上,阻尼放入衬垫内,阻尼上方放置一块平板,在平板上放置重物直至衬垫压装到位,对阻尼上方平板及重物进行称重并记录。随机选取了 10 个衬垫进行试验,能够使衬垫压装到位的重物质量如表 1 所示。为保证每个衬垫都能压装到位,选取最重质量19.93 kg,折合压力为195 N,考虑到压装时定位结构带来的阻力,工作压力乘以 1.2 的系数,经计算工作压力为 234 N。表 1 衬垫压装重物质量记录表序号12345678910重量/kg16.5315.2814.9618.9216.6519.9316.4814.3317.1619.51 现场气源为 0.6 Mpa,查阅不同缸径与气源压力下气缸工作压力表。根据现场气源及工作压力 234 N,选取缸径25 mm 三轴气缸。阻尼器衬垫装配位置到阻尼器底部距离为 42.4 mm,因此阻尼器下压距离必须大于 42.4 mm,阻尼器抓取后距离定位块高度选为 20 mm。查阅气缸标准行程表,选取 75 mm 行程。3.4 下料结构装配完衬垫后,仍然抓取阻尼器下料,因此下料结构与阻尼器上料结构相同,选择传送带即可。每装配完一个衬垫,气动手爪抓取阻尼器放置在下料传送带上,传送带步进 75 mm（阻尼器装配完衬垫最大直径处为70 mm）。并且在传送带末端装有传感器,当传感器感应到阻尼器后,说明下料传送带已经放满,整个装置停止运行,操作人员把装配完衬垫的阻尼器取下后,装置重复开始作业。下料结构如图 7 所示。图 7 下料结构图65科技视界Science&Technology Vision NEW THEORY OF SCIENCE&TECHNOLOGY科技新论3.5 整体结构阻尼衬垫自动压装装置整体结构图如图 8 所示。装配作业流程如下。（1）操作人员拔出销轴 2,把料塔绕销轴1旋转180,使料塔向上,将衬垫套在料塔上,套满后把料塔旋转 180,使其回到初始位置,衬垫在重力作用下落到底座顶面上,把销轴 2 插回孔中,防止装配作业时料塔绕销轴 1 转动。（2）操作人员阻尼器码放在上料传送带上,传送带码放满后,按下装置运行键。（3）上料传送带运转,阻尼器接触到限位体 V 形面,随着上料传送带运转,V 形面把阻尼器位置逐渐调整到传送带中心,上料传感器感应到阻尼器后上料传送带停止运行,阻尼器到达预定抓取位置。（4）伺服电机丝杠带动三杆气缸到达抓取位置,三杆气缸带动气动手爪向下移动,到达设定高度后（设定高度由三杆气缸行程进行调节）,气动手爪闭合,抓取阻尼器,三杆气缸向上收回。（5）双杆气缸向前伸出,通过推片推动橡胶衬垫向前移动,落入弹性定位结构中心圆中。（6）伺服电机丝杠带动三杆气缸到达压装位置,三杆气缸向下伸出,带动气动手爪抓取阻尼器向下穿入衬垫中,继续向下直至衬垫装配到位。（7）装配完成后,伺服电机丝杠带动三杆气缸到达下料位置,三杆气缸向下伸出,气动手爪张开,把阻尼器放在下料传送带上,传送带步进,完成一次装配。4 效果验证通过 5 组每组 20 个工件,对衬垫的安装时间及安装效果进行测试,得出该装置平均安装时间为 11.6 s,装配效率提升了 42.4%。并且 5 组衬垫压装全部到位,合格率为 100%。5 结语本文研制了一台阻尼器衬垫自动装配装置,该装置通过阻尼器上料结构、衬垫上料结构、压装结构、下料结构配合PLC 控制实现了阻尼器衬垫的自动上料及装配。该装置的成功应用解决了手工操作过程中劳动强度大、生产效率低的问题,使工作效率提高了 42.4%,大幅降低了劳动强度。参考文献：1 闻邦椿.机械设计手册第 5 版.M北京：机械工业出版社,2013.关键词：衬垫；阻尼器；自动装配装置图 8 整体结构图66科技视界Science&Technology Vision NEW THEORY OF SCIENCE&TECHNOLOGY科技新论