朱家誠(chéng)，蔣正順，朱文義

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥　230009)

0　引言

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，如今的中國(guó)已經(jīng)成為名副其實(shí)的汽車產(chǎn)銷大國(guó)，汽車行業(yè)必將是長(zhǎng)期的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。而氣門導(dǎo)管是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的導(dǎo)向裝置，使氣門桿上的熱量經(jīng)氣門導(dǎo)管傳給氣缸蓋[2]。隨著汽車銷售量的不斷增加，氣門導(dǎo)管的需求量也將日益劇增。對(duì)于上料機(jī)，國(guó)外例如瑞士制造的310型可移動(dòng)式皮帶上料機(jī)構(gòu)和美國(guó)的Eimco公司研發(fā)的噴漿式機(jī)械手等發(fā)展方向主要是向食品自動(dòng)化上料方向發(fā)展；國(guó)內(nèi)由于工業(yè)起步較晚，現(xiàn)有的上料機(jī)主要包括螺旋式上料機(jī)、振動(dòng)式上料機(jī)、真空上料機(jī)、鏈斗式上料機(jī)、皮帶上料機(jī)等。由于氣門導(dǎo)管是使用存放盒進(jìn)行存放盒運(yùn)送，并且研制的上料機(jī)要和外本設(shè)備進(jìn)行銜接，因此，這些國(guó)內(nèi)外的上料機(jī)均不能完成氣門導(dǎo)管的上料。而且，氣門導(dǎo)管的加工較為復(fù)雜并且要求精度較高，國(guó)內(nèi)對(duì)于此類產(chǎn)品的上料多半使用人工上料的方式。經(jīng)調(diào)查，多數(shù)氣門導(dǎo)管的生產(chǎn)企業(yè)上料時(shí)所上的料重量達(dá)到25～30kg，對(duì)于大批量加工的過(guò)程，這種上料方式存在以下幾個(gè)問(wèn)題：①氣門導(dǎo)管生產(chǎn)精度要求較高，人工上料容易出現(xiàn)端面損傷等現(xiàn)象，造成次品率升高；②由于氣門導(dǎo)管需求量供不應(yīng)求，此種上料方式工作效率極低，不能滿足現(xiàn)階段對(duì)于氣門導(dǎo)管的大批量需求；③針對(duì)重量高達(dá)25～30kg的一盒料，人工上料勞動(dòng)強(qiáng)度大，且上料的周圍環(huán)境噪聲大，對(duì)工作人員的人體具有一定的傷害。

因此，采用概念設(shè)計(jì)[3](Conceptual Design)制定出氣門導(dǎo)管自動(dòng)上料的新穎方案[4]，并詳細(xì)論證了其方案的可行性，最后通過(guò)對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，設(shè)計(jì)了一種新型的氣門導(dǎo)管自動(dòng)上料機(jī)，其簡(jiǎn)單、安全的按鈕式操作，不但減輕了人工上料的勞動(dòng)強(qiáng)度，還大幅度降低了端面打痕率，較好的解決了工作效率低等問(wèn)題。

1　自動(dòng)上料機(jī)的方案設(shè)計(jì)與分析

首先對(duì)自動(dòng)上料機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)化的功能分析，然后采用自上而下的設(shè)計(jì)方法[5]對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配[6]，最后對(duì)關(guān)鍵部位做形變和強(qiáng)度校核。

1.1　功能的分析與分解

自動(dòng)上料機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能為：滿足高度在1200mm處對(duì)氣門導(dǎo)管進(jìn)行自動(dòng)上料，工作流程如圖1所示。首先人工將車裝盒料推入工作位置，其次要利用機(jī)械手將每盒料提升至一定高度并將其翻轉(zhuǎn)并倒入振動(dòng)料斗中，最后翻轉(zhuǎn)至水平位置并移動(dòng)一段距離將空盒放到預(yù)定的卸貨臺(tái)，其工作示意圖如圖2所示。該機(jī)器創(chuàng)新的設(shè)計(jì)了一種新型上料機(jī)構(gòu)，除了能滿足預(yù)定要求，還可以對(duì)各種重達(dá)30kg左右的工件進(jìn)行上料運(yùn)輸，并且還能保證原工件精度；除此之外，該機(jī)器還具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用方便、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)氣門導(dǎo)管自動(dòng)上料機(jī)的功能結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)了一種新型三自由度的自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，并將其分解為由主機(jī)體機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)等組成。將各子功能的相互關(guān)系確定后，下面進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)構(gòu)思和設(shè)計(jì)。

圖1　工作流程圖

1.2　功能的構(gòu)思與設(shè)計(jì)

1.2.1主機(jī)體機(jī)構(gòu)

圖2　工作示意圖

主機(jī)體是整臺(tái)設(shè)備的外部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，將整個(gè)自動(dòng)上料機(jī)各個(gè)外部功能有序的關(guān)聯(lián)在一起，保證整體動(dòng)作的協(xié)調(diào)性和合理性。既要保證有足夠的空間使設(shè)備的各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作之間互不干涉并且留有余量，又要不影響內(nèi)部各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。綜合以上要求，將主機(jī)體機(jī)構(gòu)使用方鋼進(jìn)行焊接，外部使用蒙皮對(duì)其包裹。它不僅起了一個(gè)整體框架的作用，還包括提升機(jī)構(gòu)安裝板、缺料傳感裝置、卸貨臺(tái)裝置、運(yùn)料車導(dǎo)向裝置等關(guān)鍵部位。

1.2.2上料機(jī)構(gòu)

上料機(jī)構(gòu)包括抓手機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)機(jī)構(gòu)是自動(dòng)上料機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料功能的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。因此，上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)動(dòng)作：機(jī)械手的抓取和機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)。抓手機(jī)構(gòu)采用左右對(duì)稱抓取式結(jié)構(gòu)，運(yùn)用薄型氣缸作為動(dòng)力來(lái)源，直線軸承座來(lái)承受由盒料等所帶來(lái)的徑向力。除此之外，氣缸具有易操作性、輸出力大、動(dòng)作迅速、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足抓手機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)盒料抓取和松開(kāi)功能。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能是帶動(dòng)抓手機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超過(guò)180°的翻轉(zhuǎn)并且將盒料中的氣門導(dǎo)管從出料口中倒入振動(dòng)料斗中。設(shè)計(jì)的新型上料方式完美的解決了由于氣門導(dǎo)管數(shù)量多、重量大而帶來(lái)的端面損傷問(wèn)題，整個(gè)上料機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3　上料機(jī)構(gòu)

抓手機(jī)構(gòu)抓取盒料之后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)。在工作位置標(biāo)準(zhǔn)氣缸會(huì)伸出，帶動(dòng)滑動(dòng)板運(yùn)動(dòng)，氣門導(dǎo)管會(huì)從出料口流出，完成上料。

1.2.3橫移機(jī)構(gòu)

圖4　橫移機(jī)構(gòu)

橫移機(jī)構(gòu)是為了使上料機(jī)構(gòu)完成上料之后將空盒放到卸貨臺(tái)，便于存放盒的循環(huán)使用。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)作要盡量平穩(wěn)且迅速，故采用氣缸作為動(dòng)力來(lái)源。整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.4提升機(jī)構(gòu)

根據(jù)振動(dòng)料斗[7]的高度以及上料機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)角度進(jìn)而確定了提升機(jī)構(gòu)在豎直方向上的行程，便于下一步完成盒料的上料。提升機(jī)構(gòu)的負(fù)載重量約為800N，經(jīng)過(guò)計(jì)算，電機(jī)需要的轉(zhuǎn)子慣量需要滿足JM>1.45×10-4kg·m2，輸出扭矩T0=2.07N·m，額定功率P=81.63W，因此選擇安川Σ7系列的SGM7G-05AFC61伺服電機(jī)，并選擇與之配套的寅通RV50-15的渦輪蝸桿減速器機(jī)。提升結(jié)構(gòu)如圖5所示。

整個(gè)提升機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)及渦輪蝸桿減速機(jī)1帶動(dòng)提升轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)，鏈輪2鏈條4將提升轉(zhuǎn)軸3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為豎直方向的運(yùn)動(dòng)，再加上線性滑動(dòng)單元5進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了帶動(dòng)上料及橫移機(jī)構(gòu)6的縱向運(yùn)動(dòng)。

1.電機(jī)及減速機(jī) 2.鏈輪 3.提升轉(zhuǎn)軸4.鏈條 5.線性滑動(dòng)單元6.上料及橫移機(jī)構(gòu)7.主機(jī)體

圖5提升機(jī)構(gòu)

1.2.5自動(dòng)上料機(jī)整體結(jié)構(gòu)

圖6　自動(dòng)上料機(jī)

經(jīng)過(guò)上述子功能機(jī)構(gòu)的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，運(yùn)用虛擬裝配原理可將其集成設(shè)計(jì)成自動(dòng)上料機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。利用Soliworks建立其三維模型，如圖6所示。滿足上料功能的實(shí)現(xiàn)。

1.3　基于有限元分析的翻轉(zhuǎn)架板形變和強(qiáng)度校核

整個(gè)自動(dòng)上料機(jī)中，運(yùn)動(dòng)發(fā)生較大形變和應(yīng)力集中的是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)架板。針對(duì)翻轉(zhuǎn)架板做形變和強(qiáng)度校核，在Solidworks中完對(duì)翻轉(zhuǎn)架板的參數(shù)化建模，并與ANSYS進(jìn)行無(wú)縫連接，設(shè)置架板有關(guān)材料屬性參數(shù)和受力情況[8]，分析結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖8　翻轉(zhuǎn)架板應(yīng)力云圖

根據(jù)位移和應(yīng)力云圖，可以得到翻轉(zhuǎn)架板的變形主要是發(fā)生在矩形口中部?jī)?nèi)側(cè)，這也與實(shí)際情況吻合，最大變形量為0.929mm，變形量滿足使用要求。而翻轉(zhuǎn)架板的應(yīng)力集中主要是在與軸支架接觸的位置，以及架板前端的通孔附近，最大等效應(yīng)力值為185.69MPa，翻轉(zhuǎn)架板材料為Q235，其屈服強(qiáng)度為235MPa[9]，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，顯然該最大等效應(yīng)力值遠(yuǎn)小于翻轉(zhuǎn)架板的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力滿足條件。

2　自動(dòng)上料機(jī)的控制系統(tǒng)

在工業(yè)控制中，對(duì)控制方案的選擇，一般是在滿足所實(shí)現(xiàn)功能的前提下，遵循“穩(wěn)定、便捷”的原則[10]。結(jié)合項(xiàng)目自身的特點(diǎn)和PLC具有可靠性高、抗干擾性能強(qiáng)、編程方便等優(yōu)點(diǎn)，選用PLC作為控制器。從I/O點(diǎn)數(shù)、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮[11]，最終選用了三菱FX-3U系列的PLC?？刂葡到y(tǒng)執(zhí)行圖如圖9所示。

圖9　控制系統(tǒng)執(zhí)行圖

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控上料機(jī)的狀態(tài)，采用觸摸屏與PLC進(jìn)行雙向通訊[12]，通過(guò)觸摸屏可以設(shè)定工作平臺(tái)在不同工作過(guò)程中提升和翻轉(zhuǎn)的速度和位置，同時(shí)可以將速度和位置在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)[13]。指示燈用于顯示上料機(jī)所處狀態(tài)，當(dāng)亮綠燈時(shí)，此時(shí)上料機(jī)在正常運(yùn)行；亮黃燈時(shí)，表示缺料或設(shè)備沒(méi)有正常運(yùn)行；亮紅燈時(shí)，表示設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，此時(shí)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生急停信號(hào)，切斷動(dòng)力電源，保證設(shè)備的安全。

3　結(jié)論

氣門導(dǎo)管自動(dòng)上料機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于精密工件的自動(dòng)上料，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了企業(yè)的勞動(dòng)力成本，大大提高了工作效率。設(shè)計(jì)的新型上料機(jī)構(gòu)，解決了企業(yè)使用人工上料所面臨的一系列的問(wèn)題，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外的上料機(jī)對(duì)于氣門導(dǎo)管等精密工件上料的空缺，適用性較強(qiáng)，具備一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。雖然該設(shè)備的研制實(shí)現(xiàn)了在精密工件上上料的自動(dòng)化，但是仍存在兩個(gè)主要問(wèn)題：首先是在與企業(yè)生產(chǎn)線的銜接上仍具有一定的問(wèn)題，例如對(duì)于存放盒的處理存在不足；其次是效率方面，由于本臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)的無(wú)心磨床節(jié)拍不高，所以設(shè)計(jì)的速度不是很快，后期對(duì)于不同的設(shè)備還需要設(shè)計(jì)更快的速度，力求實(shí)現(xiàn)在該設(shè)備的人機(jī)控制面板進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修改就能實(shí)現(xiàn)速度的更換以及對(duì)于不同設(shè)備的適用性，解決此問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)于PLC的開(kāi)發(fā)以及程序的修改。

目前，該設(shè)備已經(jīng)研制成功，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，一步步完善了該機(jī)器所面臨的一系列問(wèn)題，并且現(xiàn)在在企業(yè)投入使用，獲得一致好評(píng)。經(jīng)過(guò)協(xié)商，現(xiàn)在進(jìn)入批量化生產(chǎn)。不僅僅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，還為國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化水平做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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(編輯李秀敏)