朱克明

(常熟長城軸承有限公司，江蘇 常熟 215500)

1 羅拉軸承

羅拉軸承主要用于紡織機中，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。羅拉軸承中滾針和保持架組件的自動裝配一直是個難題。由于滾針軸承的種類和規(guī)格繁多，滾針和保持架組件的規(guī)格也各不相同，因此在其制造過程中很難用通用的自動裝配線來解決問題。以往羅拉軸承滾針和保持架組件主要依靠人工裝配，勞動強度大，生產(chǎn)效率不高。因此，設(shè)計了滾針自動裝配機，以提高該工序的生產(chǎn)能力。

2 自動裝配機總體設(shè)計

設(shè)計的滾針自動裝配機采用立式裝針方式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝配基本過程為：人工將滾針軸承的保持架以直立狀態(tài)放置于工作平臺上，滾針由振動料斗組經(jīng)傳輸管道定向進(jìn)入滾針配置盤；當(dāng)工作平臺進(jìn)入裝針位置時，配置盤內(nèi)處于圓周均布狀態(tài)的滾針對應(yīng)排列在保持架外圓各窗孔外沿；然后電動機帶動凸輪推套旋轉(zhuǎn)，依次將滾針推入保持架內(nèi)，完成滾針和保持架的自動裝配；隨后工作平臺下降，人工取下滾針保持架組件，同時放置下一個保持架。

1—保持架;2—定位器;3—油嘴;4—外圈;5—內(nèi)圈;6—滾針

1—振動料斗組；2—滾針輸送管道；3—滾針配置盤；4—凸輪推套；5—保持架；6—工作平臺

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計

為實現(xiàn)設(shè)計方案，滾針自動裝配機采用3大機構(gòu)和1套控制系統(tǒng)，即滾針自動上料及分配機構(gòu)、保持架上下料機構(gòu)、滾針推進(jìn)機構(gòu)和協(xié)調(diào)整個自動裝配動作的控制系統(tǒng)。

滾針自動上料及分配機構(gòu)的作用是將配套的滾針(本例為Φ2 mm×9.8 mm)采用一定的方式引導(dǎo)進(jìn)入保持架各對應(yīng)窗孔位置，滾針的連續(xù)輸送、定向排列和有序進(jìn)入是關(guān)鍵。設(shè)計中考慮以振動料斗組、輸送管道和滾針配置盤為主體的自動上料及分配機構(gòu)來協(xié)同實現(xiàn)滾針連續(xù)輸送至保持架固定位置并對應(yīng)排列的功能[1]。其中，振動料斗組數(shù)量的設(shè)置需考慮保持架所需的滾針數(shù)量以及單個振動料斗本身所設(shè)計的滾針通道數(shù)，本例中使用了3個振動料斗完成滾針沿保持架全周的對應(yīng)排列。

保持架上下料機構(gòu)主要由工作平臺和直線運動機構(gòu)構(gòu)成。設(shè)計的工作平臺由氣動系統(tǒng)控制，實現(xiàn)保持架自動進(jìn)入和退出滾針裝配位置；保持架放置部件利用了保持架內(nèi)徑上的定位結(jié)構(gòu)(圖3)。當(dāng)保持架在工作平臺上準(zhǔn)確定位后進(jìn)入裝配位置，就能使?jié)L針在圍繞保持架外徑的各個窗孔準(zhǔn)確就位，等待推進(jìn)機構(gòu)將滾針壓入保持架。

圖3 保持架上下料機構(gòu)中的定位原理

滾針推進(jìn)機構(gòu)主要由凸輪推套和電動機傳動機構(gòu)組成。當(dāng)凸輪推套由電動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，凸輪推進(jìn)曲線依據(jù)一定規(guī)律圍繞保持架外圈旋轉(zhuǎn)，依次將滾針推入保持架各窗孔內(nèi)[2-3]。凸輪推進(jìn)曲線的輪廓設(shè)計需考慮保持架的材料特性和滾針與窗孔間的裝配間隙，由此確定滾針連續(xù)或間歇推進(jìn)的運動方式。本例中羅拉軸承一般采用聚酰胺(尼龍)保持架，其推進(jìn)過程可以由凸輪輪廓曲線的凸緣在推套轉(zhuǎn)動時將滾針依次連續(xù)推進(jìn)；而當(dāng)滾針軸承采用鋼制保持架時，可通過凸輪凸緣逐漸變化的間隙尺寸和控制凸緣數(shù)量的設(shè)計，使?jié)L針按照一定運動方式依次進(jìn)入保持架。

4 關(guān)鍵部件主要設(shè)計參數(shù)的確定

4.1 滾針上料及分配機構(gòu)

滾針上料裝置采用了自動定向的振動式料斗裝置，該裝置在送料及定向的過程中，沒有機械運動的定向攪拌、撞擊及強烈的摩擦作用，工作平穩(wěn)。由于需要滾針在輕微的、有一定規(guī)律振動中完成輸送和定向，故在設(shè)計中需要關(guān)注以下幾方面。

4.1.1 電磁振動器的振動頻率與振幅

電磁振動器的頻率通過其線圈接入經(jīng)過半波整流的交流電，使其振動頻率降低為市電頻率的一半。試驗表明，此時振動節(jié)奏分明，更易保證料道運動的加速度，同時有利于滾針向上滑行，從而保證較高的送料效率。需要注意的是，選用的整流二極管應(yīng)具有較大的耐壓值和允許通過的電流值，以保證工作可靠性。

結(jié)合滾針的規(guī)格，電磁振動器的振幅一般控制為0.5 mm左右，也可通過試驗并調(diào)節(jié)振動器的鐵芯和銜鐵間隙至合適值來滿足要求。

4.1.2 支撐彈簧的選用

支撐彈簧一般可由類比法采用板彈簧并獲得其相應(yīng)的截面積參數(shù)。支撐彈簧的傾斜角Ψ取決于螺旋料道的振動升角β，且與其固定點的分布圓直徑2R和料斗的中徑Dm有關(guān)。結(jié)合滾針規(guī)格通過試驗，確定β和Ψ的值分別為20°和21°。

4.1.3 圓盤料斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)

螺旋料斗升角α影響滾針傳輸?shù)钠骄俣?，α一般?°～5°，設(shè)計中取α=2°。

料道螺旋升距t的取值應(yīng)保證兩層料道間滾針不能直立通過，升距計算式為

t=1.6L+S，

(1)

式中：L為工件在料道上的長度，mm；S為料道板的厚度，mm。結(jié)合本例滾針長度，考慮到傳輸時的排列間隙，取t=28 mm。

螺旋料道的中徑Dm與α和t有關(guān)，即

Dm=t/(πtanα)，

(2)

將取得t和α值代入，計算后取Dm=260 mm。

4.2 滾針推進(jìn)機構(gòu)

4.2.1 推進(jìn)力的分析計算

如圖4a所示，當(dāng)滾針受推進(jìn)力Fg時，保持架窗孔將受到擴(kuò)張力Fz，當(dāng)Fg取合適值時，滾針就被壓入保持架窗孔內(nèi)。如圖4b所示，當(dāng)以滾針為研究對象時，設(shè)Fg為推進(jìn)力，F(xiàn)n為保持架窗孔的反力。Fn分解為水平方向的Fnx和垂直方向的Fny2個分力，其中Fnx的反力即為擴(kuò)張力Fz，可以依據(jù)保持架材料特性和幾何尺寸求出。

圖4 滾針推進(jìn)力的計算

(3)

式中：R為滾針半徑；l為保持架窗孔寬度。

4.2.2 凸輪推套推進(jìn)曲線及轉(zhuǎn)速的確定

設(shè)計的凸輪推套輪廓曲線如圖5所示，其中凸輪推套內(nèi)徑及凸緣部分的尺寸需要考慮滾針在窗孔中的位置從而確定推進(jìn)距離δ及回轉(zhuǎn)間隙。凸輪輪廓中凸緣數(shù)量的設(shè)置可以根據(jù)保持架材料特性和推進(jìn)運動的方式確定。

1—滾針排列位置；2—滾針推入位置； 3—保持架；4—凸輪推套

凸輪推套轉(zhuǎn)速的確定需要考慮滾針從振動料斗下落至保持架窗孔并完成沿外圓周均布的時間及推進(jìn)時間等因素。當(dāng)已知滾針的直徑、長度及全周分布數(shù)時，設(shè)滾針下落時做初速為零的勻加速運動，則凸輪盤的角速度ω為

(4)

式中：t1為滾針下落的時間；t2為滾針圓周均布的時間；t3為凸輪推套將單個滾針壓入的時間；θ為保持架上相鄰兩滾針中心線的夾角。

4.3 控制系統(tǒng)

依據(jù)滾針自動裝配機的工作時序設(shè)計控制系統(tǒng)，控制原理如圖6所示。其中，保持架工作平臺采用氣動驅(qū)動方式，同時考慮了以固定轉(zhuǎn)位進(jìn)入滾針放置位置；當(dāng)振動料斗啟動并確定滾針已進(jìn)入放置狀態(tài)時，滾針下料機構(gòu)開啟并控制下料時間；推套電動機啟動，旋轉(zhuǎn)一周后停止；保持架平臺返回取放位置。整個系統(tǒng)采用PLC控制，其中設(shè)置了相關(guān)的位置及時間傳感器。

圖6 滾針自動裝配機的控制原理

5 結(jié)束語

設(shè)計的羅拉軸承滾針自動裝配機在實踐中已取得初步成效。當(dāng)滾針直徑和數(shù)量在一定范圍內(nèi)變化時，只需調(diào)整輸送管道、滾針配置盤、工作平臺的定位圓柱及凸輪推套的尺寸，就可以應(yīng)用于同類軸承相近參數(shù)的滾針保持架組件的自動裝配。下一步可以從保持架的自動取放入手，構(gòu)造整個滾針保持架組件的全自動裝配線，從而更大程度上實現(xiàn)滾針軸承的裝配自動化。