周瑞麗,張繼忠,龔玉梅,張輝,金建華
(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江臺(tái)州 318000;2.浙江忠華消防器材有限公司,浙江臺(tái)州 318000)
器頭是滅火器的核心部件,也是滅火器的主要操作機(jī)構(gòu)。常用的滅火器器頭主要包括保險(xiǎn)裝置、啟動(dòng)裝置、安全裝置、壓力反應(yīng)裝置、密封裝置和噴射裝置,如圖1所示。器頭的性能直接影響滅火器的使用效能,因此對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和裝配工藝要求較高。一方面,像其他閥門類零件一樣主要采用手工裝配方式,不僅裝配質(zhì)量不穩(wěn)定,且工序較為分散,場地和工位多(見圖2),生產(chǎn)成本較高,急需進(jìn)行自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線研發(fā);另一方面,按照器頭裝配生產(chǎn)線的工藝要求,所設(shè)計(jì)的裝配工作站需要完成頂桿總成裝配、彈簧和塑料接頭裝配、接頭與閥體的旋緊、手柄以及保險(xiǎn)銷的裝配、保險(xiǎn)銷鉚接等工作。在國內(nèi),一些學(xué)者和企業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)行閥門零件自動(dòng)化組裝線的研究,但這些研究還停留在理論層面。在器頭自動(dòng)裝配線的研發(fā)中,還存在著安全銷的定位不準(zhǔn)、上料卡件、壓鉚不嚴(yán)等難以突破的技術(shù)瓶頸。
圖1 推車式滅火器器頭總裝圖
圖2 傳統(tǒng)手工裝配生產(chǎn)現(xiàn)場
針對(duì)上述問題,運(yùn)用ECRS(Elimi ate-Combine-Rearrange-Simplify)理論,對(duì)裝配各工序內(nèi)容以及相關(guān)作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行刪減、合并、重組和簡化,設(shè)計(jì)了滅火器器頭自動(dòng)裝配工作站,實(shí)現(xiàn)將所有工序集中到一個(gè)工位的自動(dòng)化操作,從而達(dá)到穩(wěn)定裝配精度、提高生產(chǎn)質(zhì)量的目的。相比傳統(tǒng)手工裝配,該方案所需工位少且場地更小、裝配效率更高、成本顯著降低。該工藝方案還可以推廣到其他閥門零件的組裝中。
自動(dòng)裝配工作站采用結(jié)構(gòu)緊湊的轉(zhuǎn)動(dòng)盤式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤作為工作站主體,沿圓周方向依次均勻設(shè)置器頭放置孔,如圖3所示。器頭放置孔的形狀和尺寸根據(jù)主零件閥體尺寸確定,器頭在工作臺(tái)的裝配姿態(tài)根據(jù)工作位置原則確定。在放置孔上安裝定位塊和壓緊板,實(shí)現(xiàn)閥體的定位夾緊。根據(jù)裝配順序,在轉(zhuǎn)動(dòng)盤外圍依次設(shè)置自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、頂桿安裝機(jī)構(gòu)、彈簧和塑料接頭安裝機(jī)構(gòu)、提把壓把安裝機(jī)構(gòu)、自動(dòng)鉚接機(jī)構(gòu)以及自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)。各機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)相位定位功能,以保證頂桿、彈簧、塑料件、提把、壓把、鉚接動(dòng)作的穩(wěn)定性。機(jī)構(gòu)的信號(hào)與PLC控制單元相連,并由PLC控制單元控制,實(shí)現(xiàn)各工序協(xié)調(diào)動(dòng)作。
圖3 自動(dòng)裝配工作站布置方案
供料機(jī)構(gòu)采用振動(dòng)盤形式,排列和調(diào)整零件在輸送中的姿態(tài),通過機(jī)架上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸橫臂和氣動(dòng)夾爪完成抓起和放下動(dòng)作,并由下方的升降部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件將器頭放入到器頭放置孔內(nèi),器頭的定位和夾緊由設(shè)置在器頭孔旁邊的定位塊和壓緊板完成,如圖4所示。卸料機(jī)構(gòu)與上料機(jī)構(gòu)機(jī)械原理相同。
圖4 抓卸料單元結(jié)構(gòu)
裝配頂桿總成時(shí),主要應(yīng)保證頂桿總成自動(dòng)上料和安裝時(shí)能準(zhǔn)確定位。根據(jù)頂桿總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)鋼絲振動(dòng)盤,通過振動(dòng)調(diào)整頂桿被夾具抓取前的姿態(tài)。抓取時(shí),頂桿密封帽在上方的姿態(tài)比較方便抓?。话惭b時(shí),器頭位于頂桿總成上方,所以需要頂桿完成180°的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作才能準(zhǔn)確插入到器頭內(nèi)。因此安裝頂桿總成時(shí),不僅要進(jìn)行總成的供料、定位,還要完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作設(shè)計(jì),以及最后實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確插入到器頭頂桿孔的動(dòng)作。
彈簧與塑料接頭的裝配主要應(yīng)解決彈簧和塑料接頭的供料方式和定位問題。塑料接頭采用振動(dòng)盤運(yùn)送,在振動(dòng)盤的直線送料器端部設(shè)置阻擋條;彈簧采用輸送管運(yùn)送,輸送管端部也同樣設(shè)置阻擋條,彈簧送料器末端直接與塑料接頭送料器連接,以保證每次1個(gè)接頭輸送到時(shí),1個(gè)彈簧落入接頭內(nèi)。然后,將裝配有彈簧的塑料接頭通過十字滑臺(tái)運(yùn)送到旋緊器的上方,由旋緊器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和氣缸的向上運(yùn)動(dòng)共同作用,使塑料接頭旋入到器頭上,如圖5所示。動(dòng)作完成后,復(fù)位,開始下一組動(dòng)作。
圖5 彈簧、塑料接頭裝配以及旋緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
手柄裝配機(jī)構(gòu)包括手柄裝配機(jī)構(gòu)及保險(xiǎn)銷裝配機(jī)構(gòu)。如圖6所示,在手柄裝配時(shí),首先由氣缸驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)夾爪完成夾緊手柄動(dòng)作后再縮回;接著,由手柄位置校準(zhǔn)氣缸通過齒輪齒條傳動(dòng),帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)支撐板向上轉(zhuǎn)動(dòng),使手柄位置對(duì)準(zhǔn)器頭上相應(yīng)的手柄放置位置,然后氣動(dòng)夾爪放開,把手柄安裝到器頭上,最后夾爪縮回,再取下一個(gè)手柄。保險(xiǎn)銷裝配機(jī)構(gòu)在手柄放置完后工作,首先安全銷位置校準(zhǔn)氣缸工作,驅(qū)動(dòng)活塞桿伸出,穿過手柄和器頭的孔,使兩者的孔對(duì)準(zhǔn),這時(shí)保險(xiǎn)銷供料系統(tǒng)將輸送管內(nèi)的保險(xiǎn)銷送入到手柄和器頭的孔內(nèi),同時(shí)氣缸縮回,手柄裝配工作完成,然后循環(huán)進(jìn)行下一個(gè)手柄的裝配。
圖6 手柄、保險(xiǎn)銷裝配機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
保險(xiǎn)銷自動(dòng)鉚接機(jī)構(gòu)通過設(shè)置在支架內(nèi)側(cè)的鉚接機(jī)完成鉚接作業(yè)。如圖7所示,轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),鉚接驅(qū)動(dòng)氣缸工作,使支架上升,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)過一個(gè)工位時(shí),支架下降,這時(shí)鉚接機(jī)對(duì)準(zhǔn)保險(xiǎn)銷,進(jìn)行壓鉚。
圖7 保險(xiǎn)銷自動(dòng)鉚接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
為使工作站中各裝配動(dòng)作節(jié)拍一致,選擇PLC作為整個(gè)裝配工作站的控制單元。通過綜合考量裝配動(dòng)作和尺寸參數(shù),選擇裝配動(dòng)力裝置。器頭裝配中涉及到的各機(jī)構(gòu)動(dòng)力元件包括動(dòng)力氣缸、裝配氣缸和伺服電機(jī)。由PLC控制相應(yīng)的電磁閥、傳感器等元件來實(shí)現(xiàn)氣缸的前進(jìn)和后退,保證氣缸和伺服電機(jī)間實(shí)現(xiàn)工序的層次化推進(jìn)。圖8所示卸料機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)動(dòng)部件和升降部件擬采用2個(gè)不同氣缸驅(qū)動(dòng),移動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)活塞桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)活塞直線運(yùn)動(dòng),并通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng),由此帶動(dòng)與齒輪同軸的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖8 卸料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
(1)在滿足裝配工藝的前提下,增加了上下料數(shù)量統(tǒng)計(jì)、工位故障、產(chǎn)能顯示功能。樣機(jī)如圖9所示,采用PLC 控制系統(tǒng),人機(jī)對(duì)話觸摸屏操作。工作環(huán)境溫度:5~45 ℃;濕度:10%RH~75%RH;電源:AC220V,50 Hz;壓縮空氣:壓力0.4~0.6 MPa,流量大于400 L/min。
圖9 滅火器器頭裝配工作站
(2)工作站裝配與傳統(tǒng)手工裝配系統(tǒng)對(duì)比
自動(dòng)化裝配工作站在生產(chǎn)節(jié)拍、工位數(shù)等方面與傳統(tǒng)手工裝配對(duì)比的結(jié)果見表1。
表1 工作站裝配與傳統(tǒng)手工裝配系統(tǒng)對(duì)比結(jié)果
(1)設(shè)計(jì)模塊式自動(dòng)化裝配工作站,以替代現(xiàn)有傳統(tǒng)的手工裝配生產(chǎn)模式,實(shí)現(xiàn)高效、正確的零件裝配,提高裝配質(zhì)量穩(wěn)定性,減少工位數(shù),降低生產(chǎn)成本。
(2)所設(shè)計(jì)的工作站中的推桿定位裝置可以實(shí)現(xiàn)推桿的精準(zhǔn)定位,解決了安全銷裝配時(shí)孔徑稍有錯(cuò)位就發(fā)生卡機(jī)、報(bào)警的問題,降低了裝配難度,提高了裝配效率。
(3)模塊式自動(dòng)化裝配工作站,可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他閥門產(chǎn)品的裝配,為閥門類產(chǎn)品裝配工作站的設(shè)計(jì)提供參考。