汽車座椅保持架滾珠自動裝配系統(tǒng)設(shè)計

     隨著經(jīng)濟的發(fā)展，為了適應(yīng)越來越激烈的市場競爭，許多企業(yè)把產(chǎn)品生產(chǎn)模式由大批量的單一品種的流水線生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟K化的柔性自動化生產(chǎn)。而隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車零部件的生產(chǎn)效率問題愈發(fā)突出，其中最耗時的一道工藝過程便是裝配。保持架作為汽車座椅導(dǎo)軌滑塊中的核心部件，生產(chǎn)工序簡單，使用量巨大。目前在國內(nèi)汽車座椅保持架的裝配工作基本上由人工完成，由于裝配工作是一個繁瑣機械的、重復(fù)性很強的工作，操作工長時間重復(fù)一個動作，非常容易疲勞，從而對勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品合格率產(chǎn)生不利影響；此外，勞動力的大量使用還會增加生產(chǎn)成本。國外的自動裝配設(shè)備也有其不足的一面，比如裝配沖擊大、維護費用高、成本高，這對于追求低成本的中小企業(yè)來說并不是很適用。因此，如何利用現(xiàn)有的自動化技術(shù)設(shè)計一套高效的自動裝配裝置就顯得愈發(fā)重要。

    1 自動裝配系統(tǒng)的工作原理

    滾珠自動裝配系統(tǒng)主要由零件輸送子系統(tǒng)、上料卸料子系統(tǒng)、裝配沖壓子系統(tǒng)以及控制檢測子系統(tǒng)等4大部分組成。根據(jù)滾珠自動裝配系統(tǒng)的4大組成模塊，本文設(shè)計了如圖1所示的保持架滾珠自動裝配裝置的總體機械結(jié)構(gòu)，其根據(jù)工序要求主要分為4個工位，按照電動推桿所在位置區(qū)分，4個工位及其功能分別為：1）工位一，鈑金件送料；2）工位二，滾珠送料；3）工位三，沖壓；4）工位四，推出。

     

    圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

    具體的操作流程為：操作工將待加工保持架鈑金件和滾珠放入對應(yīng)的振動盤里，按下振動盤的啟動鍵，振動盤開始工作，當(dāng)看到有工件和滾珠被送到輸料管末端位置時，按下設(shè)備工作臺的啟動鍵，電動機和4個工位處的推桿同時開始它們各自的工作。工位一處的推桿將工件推入夾具中；工位二處的推桿將抽板推至與夾具滾珠通道對應(yīng)處，以便將滾珠送入夾具中；工位三處的推桿推動沖壓頭，完成滾珠與工件的裝配；工位四處的推桿將夾具中完成裝配的工件推出夾具送入成品通道。動作完成后推桿收回， 當(dāng)所有推桿都回位后， 電動機開始旋轉(zhuǎn)， 回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)30°， 進入下一個工作節(jié)拍。

    在工廠里，工人主要靠手將鈑金件反扣至散布滾珠的工作臺上，然后用小木錘將滾珠敲進鈑金件。這個工作重復(fù)性、機械性高，工人很容易疲勞，并因此降低工作效率及成品率。如果按照人工加工的方法，使用機械完成整個過程，就可以大大提高工作效率及成品率。

    使用沖壓頭、夾具相互配合完成滾珠裝配工作的具體流程及工位如下：

    首先，將鈑金件送到夾具下方，保證鈑金件上的槽與夾具上的孔同軸線，完成后將滾珠落入夾具上對應(yīng)的孔中（如圖2（a）所示）。在送料工位中，滾珠在自身重力作用下，落在鈑金件的槽中心，此時滾珠、鈑金件對應(yīng)槽、夾具對應(yīng)孔以及用于沖壓的沖壓頭四者共軸線。為了保證滾珠能夠落在適當(dāng)位置，在設(shè)計時，夾具上的孔徑略大于滾珠及沖壓頭直徑，當(dāng)滾珠落下時會在自身重力作用下落入夾具槽中，并能保證較高的同軸度。此外在設(shè)備控制中，沖壓頭采用行程控制，當(dāng)沖壓頭到達預(yù)設(shè)高度時，將會停止沖壓，沖壓高度由工件高度計算得出（如圖2（b）所示）。

     

    圖2 功能實現(xiàn)示意圖

    2 關(guān)鍵部件設(shè)計

    設(shè)備配備一套柔性工裝以實現(xiàn)不同型號工件的裝配，該工裝主要包括柔性夾具、柔性滾珠送料裝置和柔性沖壓裝置。這些部件均能夠根據(jù)待加工件型號、尺寸的變化實現(xiàn)兼容加工。此外通過柔性工裝之間的互相配合，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器無法識別的細小誤差的自行修正，在最大程度上保證設(shè)備運行的穩(wěn)定性，同時防止由偏差引起的設(shè)備損壞。

    2．1 柔性夾具

    夾具是工裝中最為重要的部分之一，也是整個設(shè)備是否能夠加工多種工件即實現(xiàn)柔性裝配的基礎(chǔ)。設(shè)備中的柔性夾具大體結(jié)構(gòu)可分為3大部分：1）將夾具固定在轉(zhuǎn)盤上，同時為夾持工件以及固定滑塊提供基準(zhǔn)的主框架部分；2）鎖緊工件使用的夾緊板套，包括夾緊板以及附屬的固定螺栓套組；3）可移動的夾持滑塊套組，在其作用下可以在水平面內(nèi)移動用以保持滾珠位置的滑塊。其結(jié)構(gòu)外觀如圖3所示。

     

    圖3 夾具模型圖

    根據(jù)待加工工件的常用幾何尺寸，設(shè)計出的夾具夾持范圍為寬8mm ～50mm，長≤80mm，高≤30mm，通過調(diào)整夾具下部的夾緊板外側(cè)的調(diào)節(jié)螺柱，改變兩板之間的距離，即可以夾持不同型號的保持架。夾具上部的套筒與夾持塊組合起到導(dǎo)引滾珠落下的作用，可通過可伸縮螺桿和夾持滑塊調(diào)整其位置，以保證滾珠準(zhǔn)確地落入工件相應(yīng)位置。整體更換過程操作、調(diào)試簡單、易行。其可調(diào)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

     

    圖4 夾具可調(diào)部分細節(jié)圖

    2．2 柔性滾珠送料裝置

    為了適應(yīng)型號眾多的滾珠保持架，滾珠送料裝置也需要進行一定的配套設(shè)計。設(shè)備中的滾珠送料裝置固定在工位二處的電動推桿支架上，主要由如下幾部分組成：1）主體導(dǎo)軌部分，這部分一端固定在機架上，另一端為下?lián)醢寮芎捅３謮K架提供滑軌；2）下?lián)醢寮懿糠?，下?lián)醢寮茉诳繉?dǎo)軌一側(cè)有固定用的螺紋孔，使用時需要用螺釘通過下?lián)醢寮苌系穆菁y孔與下?lián)醢迳系穆菁y孔將下?lián)醢骞潭ㄔ趭A具對應(yīng)位置上；3）保持塊部分，保持塊架可以在導(dǎo)軌上自由滑動，但在其中心有一個螺紋孔，使用時需要將其固定在傳動件上，同時將保持塊對準(zhǔn)螺紋孔后以螺釘固定在保持塊架上。滾珠送料裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

     

    圖5 滾珠送料裝置結(jié)構(gòu)示意圖

    滾珠送料裝置的調(diào)整類似于夾具的保持塊調(diào)整，不同的是滾珠送料裝置是在電動推桿處于工作位置時進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步驟大致如下：1）調(diào)節(jié)下?lián)醢寮芘c下?lián)醢逦恢茫蛊渑c夾具保持塊保持同軸，擰緊下?lián)醢寮芄潭葆斉c下?lián)醢彐i定螺釘固定二者位置；2）調(diào)節(jié)保持塊架與保持塊位置，使其與下?lián)醢蹇淄S，擰緊傳動位置螺釘和保持塊鎖定螺釘：3）根據(jù)滾珠大小的不同在保持塊上加減套筒，同時根據(jù)滾珠大小設(shè)定電動推桿工作周期。

    2．3 柔性沖壓機構(gòu)

    柔性沖壓機構(gòu)配有可拆卸式?jīng)_壓頭以及沖壓頭滑動導(dǎo)軌。整個沖壓機構(gòu)固定在提供動力的電動推桿的主固定塊上，在其下有兩組調(diào)整沖壓頭座位置的滑塊以及沖壓頭。其總體結(jié)構(gòu)及細節(jié)如圖6所示。

    如圖6（b）所示，按照夾具孔大小選取合適的沖壓頭將其安裝在X方向滑塊上，首先調(diào)整沖壓頭X方向位置使其與夾具位置保持同軸，擰緊圖中第3步所用螺釘固定X方向滑塊；然后調(diào)整Y方向滑塊，同樣使其與夾具位置保持同軸，擰緊Y方向滑塊固定螺釘，即可完成沖壓頭的改裝。

     

    圖6 沖壓頭結(jié)構(gòu)示意圖

    2．4 小范圍偏差自行修正

    在實際的測試過程中，由于轉(zhuǎn)盤制動以及步進電機的進度問題，每工作一圈都會產(chǎn)生一定的偏差。在人工裝配中出現(xiàn)這種情況時，工人可以根據(jù)視覺、感覺進行修正；而在設(shè)備中，較大的偏差可以被固定在轉(zhuǎn)盤四周的傳感器所識別并做相應(yīng)處理，但一些較小的偏差無法被電控設(shè)備檢測到，也就無法進行處理。但這種較小的偏差往往會導(dǎo)致沖壓頭或夾具被沖壞，尤其是在加工精度不高或磨損嚴(yán)重時，很有可能造成設(shè)備損壞。因此在設(shè)計柔性工裝時，除了需要考慮各部分之間的間隙配合外，還需要考慮在發(fā)生小偏差時如何自行修正，如圖7中，沖壓頭和夾具發(fā)生沖突時，由于倒角的作用，一部分軸向力轉(zhuǎn)化為水平力，在夾具設(shè)計過程中預(yù)留的使較大外力產(chǎn)生偏移的設(shè)計生效，分別在固定螺母和鎖位螺釘處發(fā)生微量位移，防止夾具被沖壞。

     

    圖7 沖壓頭與夾具小偏差沖突

    3 PLC控制部分設(shè)計

    3．1 硬件設(shè)計

    汽車座椅滾珠裝配控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示， 以PLC為核心監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀況。PLC具有外設(shè)端口和串行口， 方便與PC或手持編程器相連， 適用于現(xiàn)場調(diào)試、狀態(tài)監(jiān)控及故障查詢。

    3．2 軟件設(shè)計流程

    系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖9所示，根據(jù)該流程圖可細化每一模塊的控制流程。根據(jù)本裝配設(shè)備多工位、全自動的特點，所設(shè)計的工作過程如下：裝料完畢后即可啟動振動盤，當(dāng)鈑金件到達工位一，接近開關(guān)輸入控制器準(zhǔn)備信息；針對步進電機容易失步的缺點，電機和4個工位處的推桿要進行復(fù)位處理；此后各工位的推桿將依次工作，工位一處的推桿將工件推入夾具中，工位二處的推桿將抽板推至與夾具滾珠通道對應(yīng)處把滾珠送入夾具中，工位三處的推桿推動沖壓頭，完成滾珠與工件的裝配，工位四處的推桿將夾具中完成裝配的工件推出夾具送入成品通道。動作完成推桿收回，回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)30°，進入下一個工作節(jié)拍。在工件進料口、出料口和沖壓頭部位設(shè)置接近開關(guān)和光電開關(guān)，一旦工件沒有輸送到位或沖壓頭擊打在夾持塊上即停止工作并報警，從而避免機器空運行和損壞夾具。

     

    圖8 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

     

    圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

    3．3 觸摸屏界面的設(shè)計

    為了方便系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)定，便于實時監(jiān)控加工狀態(tài)，本控制系統(tǒng)選用觸摸屏作為人機交互的接口界面，其系統(tǒng)控制界面主要包括操作界面、狀態(tài)顯示界面、參數(shù)設(shè)置界面和統(tǒng)計界面等，軟件面板主界面如圖10所示。

    操作界面包含手動、單步、循環(huán)3種工作模式，分別對應(yīng)調(diào)試、單步調(diào)整和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。在面板上還設(shè)置有軟件開關(guān)、復(fù)位和急停功能按鈕。狀態(tài)顯示界面用于顯示設(shè)備的運行情況，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障可以給出故障報警和出錯信息提示，為及時排除故障提供幫助。統(tǒng)計界面用來記錄并分析設(shè)備的工作狀況，包括目前的裝配數(shù)量、合格品率等，為生產(chǎn)管理提供依據(jù)。參數(shù)設(shè)置界面可以選擇裝配件型號，并對工作臺旋轉(zhuǎn)速率、振動盤送料速率等參數(shù)進行調(diào)整。當(dāng)出現(xiàn)報警時，報警燈閃爍，通過查看報警界面可查看報警記錄。

     

    圖10 軟件面板主界面

    使用專用軟件在計算機上完成設(shè)計觸摸屏畫面后，通過計算機的RS-232 串行口下載到觸摸屏。PLC對觸摸屏數(shù)據(jù)庫進行實時讀寫，以便達到兩者之間的信息交互。

    4 結(jié)束語

    設(shè)計保持架滾珠自動裝配系統(tǒng)主要是為了解決目前大部分汽車附件企業(yè)因為大量使用勞動力導(dǎo)致的成本高、效率低、合格率低的問題。該設(shè)備采用柔性裝配和機電一體化理念，結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，在一定程度上填補了國內(nèi)基礎(chǔ)裝配領(lǐng)域自動化的空白，尤其是對于勞動密集型的中小企業(yè)，可以明顯降低勞動力成本，對其他類似加工工藝的自動化也有一定的借鑒意義。