榮晴坤，劉世杰，趙 馳，徐培民*

（1.特種重載機(jī)器人安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243000；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243000）

CVT自動(dòng)變速器中，油泵泵蓋（上文稱分油盤）在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生許多加工孔（以上稱待封堵孔）。分油盤上的待封堵孔對(duì)分油盤的功能發(fā)揮并不起任何作用，若不加以封堵則會(huì)導(dǎo)致油泵內(nèi)油液泄露。目前許多工廠采用人工方法進(jìn)行封堵。人工封堵不僅效率低，而且封堵質(zhì)量難以保證。由于不同的CVT自動(dòng)變速箱中分油盤的型號(hào)不同，所以想要設(shè)計(jì)一款通用的封堵設(shè)備是比較困難的。因此，本文結(jié)合市場(chǎng)上分油盤的鋼球壓裝工藝，針對(duì)某系列分油盤，設(shè)計(jì)一款半自動(dòng)鋼球壓裝機(jī)，以提升該系列分油盤的制造水平，從而實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的制造要求[1]。

1 分油盤簡(jiǎn)介及總體設(shè)計(jì)思想

某系列油泵的分油盤的結(jié)構(gòu)與待封堵孔示意圖如圖1所示，其整體呈扁平狀，平放比較穩(wěn)定。該系列分油盤有8個(gè)待封堵孔，孔①②⑦直徑為5.5mm，孔③④⑤⑧直徑為7.5mm，孔⑥直徑為9mm。孔⑧垂直于盤面，其它孔位于盤面內(nèi)?？注邰堍菖c孔⑥⑦分別扎堆排列，最小孔邊距為4mm，最小孔心距為12mm，孔①、孔②在盤面內(nèi)的位置相對(duì)比較孤立。

圖1 分油盤及其待封堵孔示意圖

分油盤鋼球半自動(dòng)壓裝機(jī)模擬人工壓裝工序。無論是人工壓裝還是自動(dòng)壓裝，鋼球壓入待封堵孔時(shí)都會(huì)對(duì)分油盤產(chǎn)生一定的沖擊力。這就需要用特定的定位和夾緊組件先把分油盤安裝到設(shè)備上。之后，專門設(shè)計(jì)的自動(dòng)壓裝組件實(shí)現(xiàn)鋼球的壓裝、完成8個(gè)加工孔的封堵。最后，人工取上加工好的分油盤，換上上一個(gè)未加工的分油盤，再重復(fù)安裝——封堵——拆卸的加工過程，實(shí)現(xiàn)分油盤的連續(xù)批量加工。需方還要求壓裝設(shè)備要具備存儲(chǔ)鋼球及自動(dòng)填料等功能。

2 自動(dòng)壓裝組件的設(shè)計(jì)

自動(dòng)壓裝組件是壓裝設(shè)備的首要核心組件。其設(shè)計(jì)首先要弄清其工作原理，設(shè)想其基本構(gòu)型，再為其選擇合適的動(dòng)力源、針對(duì)待封堵孔的大小和在分油盤上的分布情況選用合適的組件型式、數(shù)量及并合理地在設(shè)備上進(jìn)行布局。

2.1 鋼球壓裝組件壓裝原理及基本構(gòu)型

單一孔的壓裝封堵可分為鋼球自動(dòng)上料和壓入兩個(gè)過程。壓入過程由壓裝組件來完成。原理上，可以仿照槍炮一類器械來設(shè)計(jì)壓裝組件。類似槍管的“導(dǎo)料管”一端封閉，另一端開口，側(cè)壁上開有進(jìn)料口。靠近封閉的一端，導(dǎo)料管內(nèi)裝有動(dòng)力源（氣缸）和壓桿。鋼球由進(jìn)料口自動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)料管中的導(dǎo)料孔。將導(dǎo)料孔對(duì)準(zhǔn)分油盤上待封堵的孔，啟動(dòng)動(dòng)力源。動(dòng)力源推動(dòng)壓桿，壓桿推動(dòng)鋼球，出分油盤壓裝通道，壓入分油盤孔中，實(shí)現(xiàn)封堵。

具體實(shí)現(xiàn)上，“導(dǎo)料管”可能是個(gè)短而粗的柱狀物，動(dòng)力源（氣缸）可能在導(dǎo)料管之外，只要壓桿能伸進(jìn)導(dǎo)料孔內(nèi)頂住鋼球即可。若如此，則短而粗的柱狀導(dǎo)料管蛻化為“壓裝頭”。亦即，此時(shí)壓裝組件大體上由動(dòng)力源、壓桿和壓裝頭三部分組成。在壓裝過程中，還需要實(shí)時(shí)檢測(cè)壓裝力和壓桿行程（壓裝深度）。

導(dǎo)料孔徑需要跟鋼球大小（即待封堵孔徑）和壓桿外徑相適配。所以，前文中提及的3種直徑的待封堵孔至少需要3種規(guī)格的壓裝組件。

單位置壓裝組件如圖2（a）所示。整個(gè)壓裝組件的所有部件都安裝在壓裝組件底板上，大體上由氣缸及其安裝座、浮動(dòng)接頭&導(dǎo)向柱塞及其止轉(zhuǎn)支承塊、鋼球?qū)蛱祝▔貉b頭）及其安裝座這三大部分組成。其中壓裝力傳感器（圖中未標(biāo)識(shí)）裝在浮動(dòng)接頭里，壓裝深度傳感器裝在導(dǎo)向安裝座上。料柱1直接固結(jié)在壓裝頭2上。鋼球從料柱直接進(jìn)入壓裝頭內(nèi)指定位置，可立即直接壓裝。沿著壓桿軸向，中空的導(dǎo)向安裝座3一端固連著壓裝頭2，另一端鑲嵌著支承導(dǎo)向柱塞8的無油襯套（圖中未標(biāo)識(shí)），頂面固連著位移傳感器4，右端固連限位死檔6。限位死檔6限制導(dǎo)向柱塞的極限位置，保護(hù)位移傳感器。導(dǎo)向柱塞的另一端支承在止轉(zhuǎn)支承塊13上。導(dǎo)向柱塞類似于注射器，一頭細(xì)一頭粗。細(xì)的一頭固連著像注射針一樣的壓桿，直接刺向壓裝頭里的鋼球。粗的一頭與氣缸活塞桿的延伸件構(gòu)成浮動(dòng)接頭9，頂面固連著位移傳感器觸點(diǎn)擋塊7。浮動(dòng)接頭跟導(dǎo)向柱塞的粗端用螺栓相固連，并共用一個(gè)止轉(zhuǎn)支承塊13。止轉(zhuǎn)支承塊緊固在壓裝組件底板上，其上表面設(shè)計(jì)有凹槽。接頭座和導(dǎo)向柱塞的粗端底部設(shè)計(jì)有凸緣。凸緣鑲嵌在凹槽里，公母配合，浮動(dòng)接頭（包括里面的力傳感器）及導(dǎo)向柱塞就可以在氣缸推動(dòng)上，在止轉(zhuǎn)支承塊上、在襯套里，沿著壓桿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖2 壓裝組件示意圖

如圖1所示，分油盤總計(jì)有8個(gè)待封堵孔，不光孔徑有差異，且分布在盤上不同部位、不同方向上。為了提高生產(chǎn)效率，8個(gè)孔的封堵過程最好同步進(jìn)行:加工過程分油盤保持不動(dòng)，在工作臺(tái)上固定安裝8個(gè)壓裝組件，同步開始封堵工作。但實(shí)際中分油盤周邊沒有足夠空間來安裝這么多的壓裝組件。這就需要對(duì)扎堆平行排列的兩組待封堵孔⑥⑦與③④⑤對(duì)應(yīng)的壓裝組件進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

特殊設(shè)計(jì)的雙位置與三位置壓裝組件如圖2（c）、圖2（b）所示。雙位置壓裝組件對(duì)應(yīng)的封堵孔⑥⑦鋼球尺寸不一樣，這里將壓裝機(jī)構(gòu)與壓裝頭分離:壓裝頭定位安裝在底板上，內(nèi)部設(shè)計(jì)有兩根不同尺寸的壓桿。壓裝機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)有變位機(jī)構(gòu)。它主要由滑動(dòng)軌道、變位氣缸以及限位緩沖機(jī)構(gòu)組成。變位機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)壓裝機(jī)構(gòu)沿封堵孔排布方向由一個(gè)孔移向另一個(gè)孔，分時(shí)地為兩個(gè)壓桿提供動(dòng)力，完成兩個(gè)孔的鋼球壓裝后再復(fù)位到第一個(gè)孔的位置。三位置壓裝組件由單位置壓裝組件與一個(gè)能夠進(jìn)行兩次變位的二級(jí)變位機(jī)構(gòu)組成，可分時(shí)地依次完成三個(gè)孔的鋼球壓裝。

2.2 鋼球壓裝組件的布局

由第一部分可知，本節(jié)設(shè)想的壓裝方案近似于多孔同步壓裝，生產(chǎn)效率相對(duì)較高。前提是:5個(gè)壓裝組件固定安裝于工作臺(tái)面上，在封堵8個(gè)孔的過程中分油盤保持固定不動(dòng)。但5個(gè)壓裝組件具體在壓裝設(shè)備工作臺(tái)面上如何布局安裝，這不僅與待封堵孔在分油盤上的分布有關(guān)，還與分油盤在加工過程所采取的姿態(tài)有關(guān)。

相對(duì)于分油盤，如圖1所示，由于前7個(gè)孔位于分油盤盤面內(nèi)，故封堵孔①②的兩個(gè)單位置壓裝組件、封堵孔③④⑤的三位置壓裝組件和封堵孔⑥⑦的雙位置壓裝組件均應(yīng)安裝在盤面內(nèi)。封堵孔⑧的單位置壓裝組件應(yīng)垂直于盤面安裝。

經(jīng)查閱資料和參考現(xiàn)有設(shè)備，分油盤在鋼球壓裝設(shè)備上如何放置，需要考慮到分油盤的取放、鋼球壓裝的簡(jiǎn)便性、安全性，當(dāng)然還要考慮鋼球壓裝組件在設(shè)備上布置的合理性和裝配的簡(jiǎn)便性。既然5個(gè)壓裝組件均安裝在工作臺(tái)面上，其中4個(gè)壓裝組件位于盤面內(nèi)，在封堵過程中分油盤保持固定不動(dòng)，故而分油盤最好水平安裝。即:分油盤及加工前7個(gè)孔的壓裝組件均安裝在水平面內(nèi)，工作臺(tái)面之上。加工孔⑧的壓裝組件采用立位安裝，位于鉛垂面內(nèi)，工作臺(tái)面之上。

3 定位與夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鋼球壓入待封堵孔時(shí)會(huì)對(duì)分油盤產(chǎn)生一定的沖擊力。這就需要先把分油盤通過“定位和夾緊”的方式夾持起來，緊固到工作臺(tái)面上，實(shí)現(xiàn)分油盤固定，再行封堵加工，最后拆卸上來，換上另一個(gè)待加工的分油盤。封堵加工時(shí)，分油盤在壓裝設(shè)備上所處的位置可稱之為“壓裝位置”。

欲實(shí)現(xiàn)此功能，需設(shè)計(jì)一定位與夾緊組件，利用分油盤背面以及軸向的螺栓通孔作為一面雙銷定位法的定位面以及定位銷孔。為了分油盤取放方便，采用“彈性伸縮雙位支承方案”，即分油盤及其安裝座（定位件）安裝在一個(gè)鉛垂向可彈性伸縮的支撐筒上。在彈簧的自然伸長狀態(tài)，分油盤及其安裝座處于高處的“取放位置”。等上方的壓緊機(jī)構(gòu)上行壓緊后，分油盤到達(dá)“壓裝位置”并被固定。其具體設(shè)計(jì)和分布如圖3所示。

圖3 定位夾緊組件

按照上述方案，需先設(shè)計(jì)分油盤定位組件。定位銷孔以及定位面的選擇是重中之重，通過觀察圖1中的分油盤結(jié)構(gòu)以及分析分油盤鋼球壓裝工藝可知，分油盤背面屬于精加工面，正面凹凸不平，待封堵孔⑧位于背面。為方便分油盤的夾緊與壓裝，選擇分油盤背面作為定位面，并正面朝上水平放置。這樣，壓緊機(jī)構(gòu)在分油盤正面上方，封堵孔⑧的單位置壓裝組件頭朝上立裝于分油盤上方，組件安裝方便，分油盤取放方便。定位銷孔的選取，采取兩孔與中點(diǎn)連線夾角最大原則，使分油盤定位準(zhǔn)確，取放方便。

4 自動(dòng)填料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為保證分油盤壓裝效率以及減少勞動(dòng)強(qiáng)度，上料系統(tǒng)需要有鋼球儲(chǔ)存以及自動(dòng)填料功能。目前市場(chǎng)上常見的填料方法可以概括為人工、機(jī)械式和電氣式三種。相較于人工式填料的效率低上與價(jià)格高昂的電氣式填料可靠性低，機(jī)械式填料可靠性好、成本低、效率高[3]。

本設(shè)備所涉及的物料只是三種直徑不同的鋼球。相較于其它形狀的物料，鋼球極易在重力作用上向低處滾動(dòng)。所以把料斗架在高處，使料斗底部的出料口高于壓裝頭進(jìn)料口。從出料口到進(jìn)料口的上行通道，需要穿過壓裝組件、定位、夾緊組件。若采用較硬材質(zhì)的材料制作鋼球通道，可能與各組件產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，影響鋼球壓裝。所以，本文采用透明的PVC軟管來制作鋼球通道。這樣的通道能夠根據(jù)生產(chǎn)情況隨意調(diào)節(jié)位置。軟管直徑要大于鋼球球徑，可取鋼球直徑1.5倍左右。但不宜太粗，以防兩個(gè)或多個(gè)鋼球卡在一起，從而堵塞通道。

料斗底部均可設(shè)計(jì)為漏斗狀，上部設(shè)計(jì)成圓柱狀，可儲(chǔ)存大量鋼球。為防止啟動(dòng)壓裝時(shí)，漏斗內(nèi)鋼球因相互擠壓產(chǎn)生的摩擦力與自身重力形成力平衡，導(dǎo)致鋼球卡在出料口處，可在料斗內(nèi)配裝由電機(jī)拖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)攪拌塊，攪動(dòng)鋼球，防止卡球。電機(jī)選取單相異步電機(jī)即可。

具體設(shè)計(jì)如圖4所示，三種直徑鋼球，需三個(gè)料斗。5個(gè)壓裝組件:3個(gè)單位置壓裝組件各需1根軟管，三位置壓裝組件封堵的三個(gè)孔徑相同，只需1根軟管，兩位置壓裝組件封堵的兩個(gè)孔徑不同，需2個(gè)軟管，共需6根PVC軟管。由第2節(jié)可知，直徑5.5mm鋼球的料斗底部需接出3根軟管，7.5mm直徑鋼球的料斗需接出2根軟管，直徑9.0mm鋼球的料斗只需接1根軟管。

圖4 自動(dòng)上料組件

5 整體布局及操作流程

整體布局如圖5所示。定位組件（分油盤安裝座）位于安裝臺(tái)面中間，五組壓裝組件分別對(duì)應(yīng)不同的待封堵孔，分布在定位組件四周及正上方。夾緊組件與自動(dòng)上料組件按照前后順序安裝在定位組件后方。

圖5 分油盤鋼球自動(dòng)壓裝組件結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的分油盤半自動(dòng)鋼球壓裝設(shè)備各組件結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊。分油盤取放、安裝安全方便快捷，壓裝過程可靠省時(shí)。設(shè)備并具有自動(dòng)上料和壓裝力、壓裝深度實(shí)時(shí)檢測(cè)等功能。分油盤支承所采用的“彈性伸縮雙位支承方案”具有獨(dú)創(chuàng)性?，F(xiàn)場(chǎng)試用表明，本文設(shè)計(jì)的分油盤鋼球半自動(dòng)壓裝設(shè)備安裝調(diào)整方便，壓裝效率高且穩(wěn)定，具有一定的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。本文的設(shè)計(jì)思想，可供其它型號(hào)的分油盤鋼球封堵設(shè)備設(shè)計(jì)參考。