于復(fù)生 杜桂林 李 濤 李騰飛

(①山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101;②山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250101)

現(xiàn)代生產(chǎn)模式具有小批量、多品種、高質(zhì)量、低成本的特點(diǎn)，這對(duì)制造業(yè)中占很大比例的裝配作業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［1－5］。隨著散熱片需求量增加，為了實(shí)現(xiàn)制造過程中的高效性和穩(wěn)定性，目前人們加大了在其自動(dòng)化裝配開發(fā)領(lǐng)域的投入［6］。南京理工大學(xué)陸寶春研制的散熱器芯子自動(dòng)裝配機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分片并成功應(yīng)用于生產(chǎn)［7－8］;南京工程學(xué)院設(shè)計(jì)的散熱器罩殼加工自動(dòng)機(jī)也實(shí)現(xiàn)了沖壓、切割一體化［9］。

本文提到的典型結(jié)構(gòu)散熱片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前企業(yè)對(duì)該產(chǎn)品的裝配仍然全部采用人工裝配，事故率高、造成眼睛疲勞等問題，不僅影響了生產(chǎn)率，還影響該產(chǎn)品裝配的質(zhì)量，這就迫切需要一種自動(dòng)裝配系統(tǒng)來提高安全性能和生產(chǎn)效率。運(yùn)用功能強(qiáng)大的Solidworks建模軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了該典型結(jié)構(gòu)散熱片的自動(dòng)裝配設(shè)備。

1 自動(dòng)裝配系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 典型結(jié)構(gòu)散熱片介紹

如圖1所示，典型結(jié)構(gòu)散熱片為鋁材，外形為長(zhǎng)方體，壁厚差大，散熱片的齒部很薄，而其根部的板厚度大，頂部有一槽，另外有兩個(gè)小件為焊針，最終的成品散熱片需要將兩焊針插入散熱片頂部槽內(nèi)，在散熱片根部的板上攻上M3的一字排列的3個(gè)螺紋孔。

1.2 散熱片裝配工位布局和技術(shù)要求

如圖2所示，整個(gè)裝配系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)式生產(chǎn)線，共需要8個(gè)工位來完成，每個(gè)工位上都安裝著固定該散熱片的夾具。它的8個(gè)工位分別為:(1)散熱片上料，夾具夾緊散熱片;(2)鉆孔機(jī)構(gòu)在散熱片上鉆3個(gè)一字排列的孔;(3)攻絲機(jī)構(gòu)在鉆好的3個(gè)孔上攻絲;(4)焊針小件的上料和定位;(5)焊針小件插入散熱片槽內(nèi);(6)檢測(cè)裝配是否完成;(7)成品件的下料;(8)清除夾具碎屑。主要設(shè)備如圖3所示。

主要技術(shù)參數(shù):設(shè)備空間限定:2 m×2m ×1 m;單個(gè)零件產(chǎn)出時(shí)間:8 s;作業(yè)形式:自動(dòng)連續(xù)作業(yè);單次可預(yù)置零件數(shù)量:1～1 000;控制形式:PLC控制，人機(jī)界面;其他要求:方便清潔維護(hù)，快拆，設(shè)備的工作;噪聲不超過72 dB。

1.3 轉(zhuǎn)盤和夾具結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)采用凸輪分度器，頂部的轉(zhuǎn)盤上共有8個(gè)工裝，并安裝8個(gè)底座定位裝配夾具，如圖4所示。夾具的設(shè)計(jì)共有5部分組成，分別為左夾塊、右夾塊、底座、導(dǎo)桿和壓縮彈簧。夾具裝配時(shí)，左夾具固定，右夾具在導(dǎo)桿作用下移動(dòng)，利用壓縮彈簧可自動(dòng)夾緊，并有充足的可調(diào)余量;通電后，電動(dòng)機(jī)、減速器帶動(dòng)凸輪分度器轉(zhuǎn)動(dòng)，每8 s一個(gè)工位。

1.4 散熱片上料機(jī)構(gòu)

散熱片的上料采用專用散熱片振動(dòng)盤來完成，然后由散熱片上料機(jī)構(gòu)將散熱片夾取到夾具上。如圖5所示，夾具會(huì)在壓縮彈簧作用下自動(dòng)夾緊散熱片。它的具體控制路線為:轉(zhuǎn)盤在該工位停止，振動(dòng)盤出口有散熱片時(shí)，氣缸6帶動(dòng)氣缸5下降，氣缸5將夾具空間擴(kuò)大，手爪4夾取散熱片后，氣缸3升起，氣缸2伸出，然后氣缸3下降，手爪4松開，將散熱片放在夾具上，完成該動(dòng)作后，所有氣缸返回初始位置，等待轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到下一工位。

1.5 散熱片鉆孔和攻絲機(jī)構(gòu)

散熱片的3個(gè)孔由于是一字排列，且每個(gè)間距是12.5 mm，因此采用齒輪傳動(dòng)的方式，選用5個(gè)齒輪，它的連接方式如圖6所示，所選的5個(gè)齒輪類型相同，中間齒輪為主動(dòng)齒輪，經(jīng)過另外2個(gè)齒輪傳動(dòng)連接后，3個(gè)一字排列，最終傳遞齒輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向都相同。

散熱片鉆孔和攻絲機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，安裝上鉆頭和絲錐便可進(jìn)行加工。

1.6 焊針上料和夾緊機(jī)構(gòu)

焊針的上料采用兩個(gè)專用焊針振動(dòng)盤1，然后由焊針上料機(jī)構(gòu)將2個(gè)焊針同時(shí)夾取到夾具上導(dǎo)向槽內(nèi)，夾緊機(jī)構(gòu)依托導(dǎo)向槽將焊針推入散熱片槽內(nèi)，如圖7所示。它的具體控制路線為:轉(zhuǎn)盤停止時(shí)，兩個(gè)焊針振動(dòng)盤出口有焊針時(shí)，手爪4夾取焊針，氣缸3升起，然后氣缸2伸出，到達(dá)夾具上方后，氣缸3帶動(dòng)夾具下降，手爪松開將焊針放在夾具上導(dǎo)向槽內(nèi)，所有氣缸再次回到初始位置，然后轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)到下一工位，接著氣缸6帶動(dòng)手爪5下降，到達(dá)指定位置后，手指推動(dòng)焊針，將焊針推入散熱片槽內(nèi)，之后所有氣缸再回到初始位置。

1.7 散熱片的下料機(jī)構(gòu)

散熱片的下料，由1個(gè)三自由度機(jī)械手來完成，如圖8所示。轉(zhuǎn)盤停止時(shí)，氣缸2下降，手爪3將成品散熱片夾取，氣缸2升起，氣缸收回，手爪松開將成品散熱片放到指定位置，然后所有氣缸再回到初始位置。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，通過PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝配過程的自動(dòng)控制。采用PLC作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，人機(jī)界面作為上位機(jī)。PLC一方面要對(duì)整個(gè)自動(dòng)裝配過程進(jìn)行控制，另一方面還要與人機(jī)界面進(jìn)行通訊，接收和執(zhí)行操作者發(fā)出的指令。該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

(1)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)由PLC發(fā)出指令控制;(2)電磁閥的關(guān)閉由PLC來實(shí)現(xiàn);(3)氣缸上的傳感器將檢測(cè)信號(hào)傳給PLC從而控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行;(4)和人機(jī)界面的通訊;(5)工作狀態(tài)指示燈由PLC控制。

2.2 系統(tǒng)I/O定義表

根據(jù)控制要求，PLC控制系統(tǒng)輸入信號(hào)有24個(gè)，如表1所示，輸出信號(hào)為15個(gè)，本文選擇一套西門子S7－300PLC來實(shí)現(xiàn)。

3 PLC系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)PLC程序使用STEP7V5.0編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝配系統(tǒng)的控制和過程數(shù)據(jù)初步處理。編寫的程序分為手動(dòng)程序和自動(dòng)程序。手動(dòng)程序主要在安裝調(diào)試和設(shè)備檢修過程中使用，自動(dòng)程序通過控制主程序循環(huán)調(diào)用各裝配子程序來實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝配系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)作，程序流程框圖如圖10所示。

表1 輸入點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

典型結(jié)構(gòu)散熱片自動(dòng)裝配的關(guān)鍵問題是機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和裝配精度的保證，自制夾具利用壓縮彈簧對(duì)散熱片自動(dòng)夾緊、準(zhǔn)確定位，分度轉(zhuǎn)盤利用凸輪分割機(jī)構(gòu)對(duì)每個(gè)工位精確分度。本文設(shè)計(jì)的裝配系統(tǒng)綜合應(yīng)用了PLC系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了典型結(jié)構(gòu)散熱片的自動(dòng)裝配，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝配過程的全自動(dòng)檢測(cè)、控制，提高了該典型結(jié)構(gòu)散熱片自動(dòng)裝配的生產(chǎn)效率，也為同類產(chǎn)品的裝配提供了一些指導(dǎo)。

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