謝　偉，李文望，袁利祥，王　翔，蔡正明

(1.廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024；2.廈門(mén)精奧自動(dòng)化科技有限公司，福建 廈門(mén) 361022)

齒輪軸主要用于力的傳動(dòng)，應(yīng)用范圍廣、需求量大。目前，國(guó)內(nèi)外的齒輪軸主要通過(guò)人工進(jìn)行裝配，存在生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、裝配質(zhì)量難以保證以及生產(chǎn)成本高等問(wèn)題[1]。應(yīng)用裝配自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)齒輪軸的全自動(dòng)化裝配，不僅能夠提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，而且對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本效果顯著[2-3]。雖然部分企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行半自動(dòng)化的生產(chǎn)，出現(xiàn)了齒輪軸自動(dòng)裝配機(jī)，但是其自動(dòng)裝配的程度較低，許多關(guān)鍵工位仍然需要人工組裝，其可靠性、效率以及質(zhì)量難以保證，而且在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度方面效果不明顯[4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于齒輪軸自動(dòng)裝配的研究及相關(guān)文獻(xiàn)較為匱乏，因此對(duì)于齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)具有重要的意義。根據(jù)生產(chǎn)要求，本文設(shè)計(jì)了一種齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，通過(guò)改善裝配質(zhì)量以及避免人為差錯(cuò)現(xiàn)象來(lái)提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1　齒輪軸構(gòu)成及傳統(tǒng)裝配流程

齒輪軸組件由上下摩擦片、輸出軸、齒輪4個(gè)零件構(gòu)成。磨檫片有個(gè)方形孔槽，對(duì)其找位后裝入輸出軸中，齒輪軸組件有上下兩個(gè)摩擦片，中間為齒輪。傳統(tǒng)手工裝配流程為：(1)人工將齒輪軸裝入隨行工裝夾具上定位；(2)人工將下摩擦片裝到齒輪軸上；(3)人工進(jìn)行摩擦片涂油脂；(4)人工將齒輪裝入到齒輪軸上；(5)人工裝配上摩擦片；(6)利用設(shè)備手動(dòng)鉚壓；(7)人工將其放入到相關(guān)獨(dú)立設(shè)備跑和；(8)完成跑和，取出成品。齒輪軸裝配體及爆炸圖如圖1所示。

1.2　齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)整體布局

圖2為自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的整體布局。齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)盤(pán)式12工位加直線(xiàn)式撥叉布局，圓周上面均布12個(gè)工位，每個(gè)工位上都安裝有固定輸出軸的工裝。

自動(dòng)化裝配動(dòng)作順序有如下14個(gè)主要步驟。(1)輸出軸上料。輸出軸通過(guò)振動(dòng)盤(pán)一豎一出振到分料位上，由輸出軸上料機(jī)械手搬運(yùn)到轉(zhuǎn)盤(pán)工裝固定位置完成上料，與此同時(shí)檢測(cè)齒輪軸是否裝配到位。(2)摩擦片上料。摩擦片通過(guò)振動(dòng)盤(pán)一橫一出振到分料位上，經(jīng)過(guò)渡工位旋轉(zhuǎn)找位再由摩擦片上料機(jī)械手上料，安裝到輸出軸上。(3)檢測(cè)摩擦片是否安裝到位。接觸桿接觸摩擦片，通過(guò)對(duì)射光纖檢測(cè)摩擦片是否安裝到位。(4)涂油脂。涂油脂機(jī)構(gòu)在摩擦片上涂一層油脂。(5)齒輪上料。齒輪通過(guò)振動(dòng)盤(pán)經(jīng)由直振料道一橫一出振到分料機(jī)構(gòu)上，經(jīng)由高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)確認(rèn)齒輪正反面，如為正面無(wú)需180°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，否則需經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)再安裝到輸出軸上。(6)檢測(cè)齒輪安裝到位。通過(guò)彈性探針檢測(cè)齒輪是否安裝到位。(7)涂油脂：涂油脂機(jī)構(gòu)涂油脂。(8)上摩擦片上料。摩擦片通過(guò)振動(dòng)盤(pán)一橫一出振到分料工位，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)找位機(jī)構(gòu)找位之后，再通過(guò)上料機(jī)械手安裝到輸出軸上。(9)摩擦片檢測(cè)。 通過(guò)反射光纖檢測(cè)摩擦片是否安裝到位。(10)過(guò)渡移栽。經(jīng)由過(guò)渡工位將齒輪軸移栽到跑和機(jī)構(gòu)進(jìn)行跑和。(11)不良品下料。不良品經(jīng)由機(jī)械手抓取到不良品盒。(12)鉚壓。對(duì)裝配體進(jìn)行鉚壓。(13)齒輪軸跑和。產(chǎn)品鉚壓完成后，進(jìn)行跑和。(14)成品下料。成品經(jīng)由機(jī)械手抓取下料。

1.3　自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

圖3是裝配系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。12個(gè)隨行工裝均勻分布在轉(zhuǎn)盤(pán)上，分度裝置和轉(zhuǎn)盤(pán)連接。機(jī)架支撐整個(gè)裝配體，機(jī)架采用50 mm×50 mm方管焊接而成，主要支撐著各工位機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)(分度裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)和隨行夾具)和撥叉機(jī)構(gòu)。齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　齒輪軸自動(dòng)化裝系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)Table 1　Main technical parameters of gear shaft automatic assembly system

2　關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型

由分度裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)和隨行工裝等組成的旋轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)是該自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，隨行工裝與轉(zhuǎn)盤(pán)以定位槽及定位銷(xiāo)定位，并配以2個(gè)螺絲固聯(lián)；由于凸輪分割器精度已經(jīng)很高，因此由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.1　隨行工裝夾具的設(shè)計(jì)

采用如圖4所示的隨行工裝對(duì)工件進(jìn)行定位裝夾是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與高效化的裝配要求。文中齒輪軸的底面和圓柱側(cè)面作為定位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)隨行夾具，保證輸出軸在夾具上的正確位置。該工裝采用彈壓式，便于輸出軸的安裝及拆卸。此外，對(duì)于輸出軸臺(tái)階單獨(dú)設(shè)計(jì)了工裝塊B，便于輸出軸的固定。

由于隨行工裝夾具具有多個(gè)機(jī)構(gòu)上料裝配的功能，因此，工裝夾具在裝配工藝中起著承載、定位的重要功能。轉(zhuǎn)盤(pán)的直徑為400 mm，其他相關(guān)的裝配機(jī)構(gòu)要在轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的裝配功能，工裝夾具的好壞顯得至關(guān)重要。如果采用電木夾具，其加工精度最高只能達(dá)到0.1 mm。對(duì)齒輪軸的裝配要求而言，該精度無(wú)法滿(mǎn)足工件的定位精度要求。本文采用Cr12作為夾具材料，表面經(jīng)過(guò)發(fā)黑處理，加工精度可達(dá)0.02 mm，滿(mǎn)足了工件定位要求。

2.2　凸輪分割器和電動(dòng)機(jī)的選型

齒輪軸的裝配過(guò)程中對(duì)工件的位置精度要求較高，不僅對(duì)夾具裝夾精度要求高，還要求轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)動(dòng)作準(zhǔn)確、傳動(dòng)平穩(wěn)、分度精度高，因此選擇凸輪分割器作為分度裝置[5-6]。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，分割器選型的原始參數(shù)如表2所示。

表2　凸輪分割器原始參數(shù)Table 2　Original parameters of CAM separator selection

凸輪分割器的選型計(jì)算較為復(fù)雜，因?yàn)槠邢?，且許多廠(chǎng)商也提供相關(guān)的技術(shù)服務(wù)，所以對(duì)于相關(guān)計(jì)算不作過(guò)多闡述。本文選擇了費(fèi)格森凸輪分割器，具體型號(hào)為4DF12-120-SGN-1R±15，電動(dòng)機(jī)選用成鋼電機(jī)，具體型號(hào)為5IK90RGU-CF-5GU3-180。這款型號(hào)的分割器為弧面凸輪分割器，具有較高的運(yùn)動(dòng)精度，凸輪輪廓的設(shè)計(jì)制造相當(dāng)復(fù)雜，但是其承載能力較大，廣泛應(yīng)用于負(fù)載過(guò)重的場(chǎng)合。

3　關(guān)鍵工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　摩擦片上料工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摩擦片為一圓片，中心有一個(gè)類(lèi)似長(zhǎng)條孔的槽口，厚度為0.4 mm。由于摩擦片尺寸規(guī)格較小，進(jìn)行安裝時(shí)必須進(jìn)行找位，這就導(dǎo)致自動(dòng)化實(shí)施的困難性加大。對(duì)摩擦片上料，目前企業(yè)普遍采用人工分離摩擦片，然后進(jìn)行找位裝配。但是采用人工操作存在的問(wèn)題是摩擦片分片麻煩、找位作業(yè)枯燥、人工成本高而且效率無(wú)法保證，因此，需要自動(dòng)化生產(chǎn)代替人工操作。摩擦片具體尺寸如圖5所示。

摩擦片要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料必須克服兩個(gè)問(wèn)題，一是摩擦片規(guī)格太小，二是必須先進(jìn)行找位操作。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，對(duì)摩擦片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料功能進(jìn)行分析，得出如下的4個(gè)步驟。(1)出料。由于摩擦片的外形比較規(guī)則，對(duì)此可以采用振動(dòng)盤(pán)出料，但是對(duì)于摩擦片的出料方向無(wú)法一次到位。(2)分料。摩擦片經(jīng)由直振軌道至分料位，分料后便于機(jī)械手的抓取。(3)摩擦片找位。摩擦片經(jīng)移載機(jī)構(gòu)抓取到找位機(jī)構(gòu)，進(jìn)行定位。(4)機(jī)械手抓取上料。機(jī)械手抓取找位后的摩擦片，直接與輸出軸進(jìn)行裝配。本摩擦片上料工位的工序裝配動(dòng)作多，要求裝配過(guò)程分選正確，裝料定位位置準(zhǔn)確，精度及可靠性要求高，是整個(gè)裝配系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵。

基于上述齒輪軸上料過(guò)程分析，設(shè)計(jì)如圖6所示的摩擦片振動(dòng)盤(pán)出料、旋轉(zhuǎn)找位以及自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)。摩擦片經(jīng)振動(dòng)盤(pán)一橫一出振出到直線(xiàn)軌道，再經(jīng)由分料位分料，分料后機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)抓取過(guò)渡到旋轉(zhuǎn)找位機(jī)構(gòu)，經(jīng)找位后再次有機(jī)械上料機(jī)構(gòu)抓取上料，進(jìn)行裝配。

設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的就是旋轉(zhuǎn)找位機(jī)構(gòu)，如果摩擦片的位置出了問(wèn)題，那么后續(xù)的動(dòng)作都會(huì)被延誤，而且這個(gè)位置的精度要求高，否則無(wú)法裝配到輸出軸里面。此外，由于摩擦片本身的尺寸規(guī)格小，對(duì)于機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)的要求較高，手指設(shè)計(jì)既要抓取牢固，又要高精度。手指的設(shè)計(jì)依靠摩擦片的外圓面進(jìn)行限位，與此同時(shí)對(duì)于摩擦片的上表面進(jìn)行限位，通過(guò)手指缸的動(dòng)作，能夠限制6個(gè)自由度，滿(mǎn)足限位要求?？紤]到手指需要與摩擦片頻繁接觸，容易發(fā)生磨損，所以選擇Cr12為材料，進(jìn)行表面發(fā)黑處理，相對(duì)應(yīng)的尺寸公差為±0.05 mm，保證摩擦片夾取過(guò)程中的定位精度。

3.2　齒輪上料工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒輪上料機(jī)構(gòu)如圖7所示。齒輪的尺寸較小，并且齒輪的上下兩面有所區(qū)別，需要進(jìn)行辨別。采用手工操作的方法裝配齒輪，一方面，由于齒輪的尺寸較小，裝配較為困難，并且要進(jìn)行正反面的識(shí)別；另一方面，人工成本高，效率低下。鑒于以上人工裝配的不足，考慮利用振動(dòng)盤(pán)振動(dòng)出料，齒輪出料后，其正反面具有一定的高度差，通過(guò)氣缸動(dòng)作直接進(jìn)行檢測(cè)，判斷正反面是否正確，如不正確則旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是通過(guò)氣缸帶動(dòng)直齒條動(dòng)作，使得相配合的轉(zhuǎn)軸發(fā)生180°轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)齒輪的旋轉(zhuǎn)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析齒輪軸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，完成了齒輪軸自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型，解決了摩擦片上料、齒輪上料及裝配困難的問(wèn)題，最終設(shè)計(jì)出齒輪軸自動(dòng)裝配系統(tǒng)。其中，彈壓式隨行工裝的設(shè)計(jì)對(duì)于齒輪軸的固定效果明顯，而且保證了其表面的質(zhì)量與裝配精度，便于拆裝。此外，關(guān)鍵工位中旋轉(zhuǎn)找位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及齒輪正反面檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于齒輪軸的精準(zhǔn)裝配也起了至關(guān)重要的作用。通過(guò)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)進(jìn)行齒輪軸的生產(chǎn)，不僅效率得到極大的提高，滿(mǎn)足企業(yè)的大批量生產(chǎn)需求，而且裝配質(zhì)量比傳統(tǒng)人工裝配更為可靠，為企業(yè)節(jié)省了投資成本。

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