郤智強(qiáng)，史振國(guó)，梁寶英

(1.山西大同大學(xué)研究生院，山西大同 037003；2.山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同 037003)

隨著工業(yè)生產(chǎn)線自動(dòng)化程度越來(lái)越高，制造業(yè)智能化升級(jí)改造勢(shì)在必行。生產(chǎn)實(shí)際中，薄壁襯套被廣泛使用，其與工件襯套孔一般為過(guò)盈配合，壓裝時(shí)容易發(fā)生變形，目前薄壁襯套裝配仍為人工作業(yè)或半自動(dòng)化作業(yè)，薄壁襯套和工件上料仍為人工作業(yè)，這種人工裝配或半自動(dòng)裝配不僅裝配效率低，裝配質(zhì)量差，而且智能化程度低，勞動(dòng)力成本高等。為了加快裝配車(chē)間升級(jí)改造，提出一種薄壁襯套的智能壓裝機(jī)，實(shí)現(xiàn)了襯套上料、移送、工件上料和定位以及襯套壓裝等全程智能化作業(yè)，并且可一次壓裝四個(gè)襯套，不僅提高襯套裝配效率和裝配質(zhì)量，而且提高智能化程度，可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

1 薄壁襯套智能壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工藝方案設(shè)計(jì)

薄壁襯套智能壓裝機(jī)工藝流程，見(jiàn)圖1。

圖1 壓裝機(jī)工藝流程圖

1.2 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

薄壁襯套智能壓裝機(jī)主要由機(jī)械部分、液壓控制部分和電氣控制部分組成。襯套抓取、壓裝以及工件定位由液壓缸提供動(dòng)力，襯套上料、移送和工件上料由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，PLC作為控制器[3-4]。

1.3 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

薄壁襯套智能壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖2，主要由主機(jī)架、襯套上料裝置、抓取裝置、壓裝裝置、移送裝置、工件送料裝置和定位裝置等組成。主機(jī)架主要由2根槽鋼支撐立柱，1根槽鋼橫梁組成。

圖2 襯套智能壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.1 抓取裝置

抓取裝置和壓裝裝置和為同一裝置，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2（a）、（b），主要包括1 個(gè)液壓缸、1 個(gè)連接架、4 個(gè)壓頭、2個(gè)限位組件和1塊限位板，其中液壓缸中活塞桿與連接架通過(guò)螺紋連接，并依靠螺母鎖住；限位板用來(lái)防止活塞桿和連接架的轉(zhuǎn)動(dòng)，其固定在液壓缸缸蓋上；2 個(gè)限位組件對(duì)稱(chēng)固定在連接架上，每個(gè)限位組件上的軸承可沿限位板移動(dòng)，起到導(dǎo)向和限位作用；壓頭用來(lái)抓取襯套，4 個(gè)壓頭分別固定在連接架上，壓頭采用鋼珠式結(jié)構(gòu)，每個(gè)壓頭上均安裝2 個(gè)鋼球，其由1 根彈簧連接，抓取時(shí)依靠鋼球和襯套內(nèi)孔之間摩擦力抓取襯套；當(dāng)抓取裝置到達(dá)壓裝工位時(shí)，將襯套壓裝到工件襯套孔中[5]。

1.3.2 襯套移送裝置

襯套移送裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2（a）、（b），其主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠組件、燕尾槽組件、T 型板等組成，其中步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，滾珠絲桿組件固定在主機(jī)架橫梁上方，燕尾槽組件固定在主機(jī)架橫梁下方，起到導(dǎo)向作用；T 型板一端通過(guò)螺釘固定在滾珠絲杠組件中螺母上，另一端與燕尾槽組件中滑塊通過(guò)過(guò)盈配合緊固在一起，燕尾槽組件中滑塊與液壓缸缸底通過(guò)連接法蘭固定在一起。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母帶動(dòng)T 型板移動(dòng)，從而帶動(dòng)燕尾槽組件中滑塊、液壓缸以及壓頭一起移動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)抓取裝置在抓取工位和壓裝工位之間的變換。

1.3.3 襯套上料裝置

襯套上料裝置見(jiàn)圖2（a）、（c)，其主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠組件、底座、線軌、滑塊和襯套儲(chǔ)料板等組成，步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠組件中絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接，絲杠由2 盤(pán)軸承和2 個(gè)軸承座支撐，2 個(gè)軸承座、2 條線軌分別固定在底座上，底座固定在工作臺(tái)上；襯套儲(chǔ)料板通過(guò)螺釘與螺母連接，在螺母下方安裝2 個(gè)滑塊，滑塊與線軌配合；襯套儲(chǔ)料板上按每4個(gè)一組焊接10組定位套，用于定位襯套，襯套裝在定位套中，4 個(gè)定位套的排列與工件襯套孔排列相同。當(dāng)滾珠絲杠在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母帶動(dòng)襯套儲(chǔ)料板沿線軌移動(dòng)，從而將一組襯套送到抓取工位，即可實(shí)現(xiàn)襯套間歇上料。

1.3.4 工件上料裝置和定位裝置

工件上料裝置主要包括工作臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、鏈傳動(dòng)、滾子、工裝板等，見(jiàn)圖2（a）、（c)，2個(gè)電機(jī)對(duì)稱(chēng)安裝在工作臺(tái)左右兩側(cè)，每個(gè)電機(jī)連接1個(gè)鏈傳動(dòng)，2個(gè)從動(dòng)鏈輪軸上各安裝1 個(gè)滾子和2 個(gè)鏈輪，在工作臺(tái)臺(tái)面左右兩側(cè)各安裝若干根軸，每根軸上均安裝1個(gè)滾子，每相鄰兩根軸上安裝1 個(gè)鏈傳動(dòng)，工件固定在工裝板上方，工裝板放在滾子上方，步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，通過(guò)鏈傳動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)傳遞給滾子，工裝板在與轉(zhuǎn)動(dòng)滾子之間摩擦力作用下將其送到壓裝位置。

工件定位裝置主要依靠安裝在工作臺(tái)上2 個(gè)阻擋油缸定位，當(dāng)工件到達(dá)工裝位置時(shí)，2 個(gè)阻擋油缸動(dòng)作，將工件定位。

1.4 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)原理，見(jiàn)圖3，可實(shí)現(xiàn)襯套的抓取、壓裝和工件的定位。電磁閥換向閥5 控制抓取裝置中液壓缸7 上升或下降，電磁閥換向閥9 控制阻擋油缸11、12的伸出和回縮，液壓缸中活塞桿伸出或回縮速度均由相應(yīng)節(jié)流閥來(lái)控制，溢流閥4 起到安全保護(hù)作用[6-7]。

圖3 智能壓裝機(jī)液壓控制系統(tǒng)原理圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC硬件電路的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要包括操作面板、PLC 控制器、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、電磁閥和中間繼電器以及位置傳感器等。操作控制面板采用觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；PLC控制器根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、中間繼電器動(dòng)作，然后再由驅(qū)動(dòng)器、中間繼電器分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和液壓缸電磁閥工作，從而實(shí)現(xiàn)襯套的上料、抓取、移送、工件上料和定位以及襯套壓裝等工序。PLC控制系統(tǒng)原理，見(jiàn)圖4。

圖4 PLC控制系統(tǒng)原理

該壓裝機(jī)設(shè)置4 個(gè)控制按鈕，分別實(shí)現(xiàn)“啟動(dòng)”“停止”“復(fù)位”“急停按鈕”功能，在壓裝機(jī)在工作時(shí)，系統(tǒng)有10 個(gè)數(shù)字信號(hào)送給PLC，共需要14 個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入端口[8]。

PLC 控制3 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)方向、行程和速度，控制2 個(gè)電控直流電流24V 電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿的伸縮，3 個(gè)信號(hào)燈，需要10 個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出端口和3 高速脈沖量輸出端口。本文選用S7-200(CPU226，另加模擬量模塊)型的PLC 作為控制核心。I/O地址分配，見(jiàn)表1[9]。

表1 I/O地址分配表

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用程序控制流程圖（主程序）和順序功能圖（子程序）相結(jié)合的方法。襯套的上料、抓取、移送、工件上料和定位、襯套壓裝等動(dòng)作是重復(fù)進(jìn)行，這6 個(gè)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為6 個(gè)子程序模塊，在需要時(shí)調(diào)用。

采用PLC 程序設(shè)計(jì)，根據(jù)襯套智能壓裝機(jī)工藝流程，設(shè)計(jì)PLC 程序設(shè)計(jì)流程框圖，見(jiàn)圖5。系統(tǒng)選自動(dòng)控制，壓裝機(jī)從原點(diǎn)開(kāi)始，自動(dòng)完成一個(gè)工作循環(huán)過(guò)程，循環(huán)次數(shù)設(shè)定10次[10]。

圖5 壓裝機(jī)控制系統(tǒng)流程框圖

3 結(jié)論

薄壁襯套智能壓裝機(jī)是集機(jī)械、液壓、PLC 控制化作業(yè)，不僅解決了襯套人工裝配效率低、裝配質(zhì)量差的問(wèn)題，而且提高智能化程度，操作方便，設(shè)備工作穩(wěn)定，運(yùn)行良好，控制精度高和易于維護(hù)和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，市場(chǎng)前景廣闊。