汽車座椅保持架滾珠自動(dòng)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

     隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了適應(yīng)越來(lái)越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，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(dòng)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(shí)的一道工藝過(guò)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(jiǎn)單，使用量巨大。目前在國(guó)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(gè)繁瑣機(jī)械的、重復(fù)性很強(qiáng)的工作，操作工長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)一個(gè)動(dòng)作，非常容易疲勞，從而對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品合格率產(chǎn)生不利影響；此外，勞動(dòng)力的大量使用還會(huì)增加生產(chǎn)成本。國(guó)外的自動(dòng)裝配設(shè)備也有其不足的一面，比如裝配沖擊大、維護(hù)費(fèi)用高、成本高，這對(duì)于追求低成本的中小企業(yè)來(lái)說(shuō)并不是很適用。因此，如何利用現(xiàn)有的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)一套高效的自動(dòng)裝配裝置就顯得愈發(fā)重要。

    1 自動(dòng)裝配系統(tǒng)的工作原理

    滾珠自動(dòng)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(cè)子系統(tǒng)等4大部分組成。根據(jù)滾珠自動(dòng)裝配系統(tǒng)的4大組成模塊，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的保持架滾珠自動(dòng)裝配裝置的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)，其根據(jù)工序要求主要分為4個(gè)工位，按照電動(dòng)推桿所在位置區(qū)分，4個(gè)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(duì)應(yīng)的振動(dòng)盤里，按下振動(dòng)盤的啟動(dòng)鍵，振動(dòng)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(shí)，按下設(shè)備工作臺(tái)的啟動(dòng)鍵，電動(dòng)機(jī)和4個(gè)工位處的推桿同時(shí)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(duì)應(yīng)處，以便將滾珠送入夾具中；工位三處的推桿推動(dòng)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(dòng)作完成后推桿收回， 當(dāng)所有推桿都回位后， 電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)， 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)30°， 進(jìn)入下一個(gè)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(tái)上，然后用小木錘將滾珠敲進(jìn)鈑金件。這個(gè)工作重復(fù)性、機(jī)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(jī)械完成整個(gè)過(guò)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(duì)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(shí)滾珠、鈑金件對(duì)應(yīng)槽、夾具對(duì)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(jì)時(shí)，夾具上的孔徑略大于滾珠及沖壓頭直徑，當(dāng)滾珠落下時(shí)會(huì)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(dá)預(yù)設(shè)高度時(shí)，將會(huì)停止沖壓，沖壓高度由工件高度計(jì)算得出（如圖2（b）所示）。

     

    圖2 功能實(shí)現(xiàn)示意圖

    2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

    設(shè)備配備一套柔性工裝以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)工件的裝配，該工裝主要包括柔性?shī)A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(hào)、尺寸的變化實(shí)現(xiàn)兼容加工。此外通過(guò)柔性工裝之間的互相配合，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器無(wú)法識(shí)別的細(xì)小誤差的自行修正，在最大程度上保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)防止由偏差引起的設(shè)備損壞。

    2．1 柔性?shī)A具

    夾具是工裝中最為重要的部分之一，也是整個(gè)設(shè)備是否能夠加工多種工件即實(shí)現(xiàn)柔性裝配的基礎(chǔ)。設(shè)備中的柔性?shī)A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(shí)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(dòng)的夾持滑塊套組，在其作用下可以在水平面內(nèi)移動(dòng)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(jì)出的夾具夾持范圍為寬8mm ～50mm，長(zhǎng)≤80mm，高≤30mm，通過(guò)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?shī)A持不同型號(hào)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(guò)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(guò)程操作、調(diào)試簡(jiǎn)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(xì)節(jié)圖

    2．2 柔性滾珠送料裝置

    為了適應(yīng)型號(hào)眾多的滾珠保持架，滾珠送料裝置也需要進(jìn)行一定的配套設(shè)計(jì)。設(shè)備中的滾珠送料裝置固定在工位二處的電動(dòng)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(jī)架上，另一端為下?lián)醢寮芎捅３謮K架提供滑軌；2）下?lián)醢寮懿糠郑聯(lián)醢寮茉诳繉?dǎo)軌一側(cè)有固定用的螺紋孔，使用時(shí)需要用螺釘通過(guò)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(duì)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(dòng)，但在其中心有一個(gè)螺紋孔，使用時(shí)需要將其固定在傳動(dòng)件上，同時(shí)將保持塊對(duì)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(dòng)推桿處于工作位置時(shí)進(jìn)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?，使其與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(dòng)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(shí)根據(jù)滾珠大小設(shè)定電動(dòng)推桿工作周期。

    2．3 柔性沖壓機(jī)構(gòu)

    柔性沖壓機(jī)構(gòu)配有可拆卸式?jīng)_壓頭以及沖壓頭滑動(dòng)導(dǎo)軌。整個(gè)沖壓機(jī)構(gòu)固定在提供動(dòng)力的電動(dòng)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(xì)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(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)盤制動(dòng)以及步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)度問題，每工作一圈都會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。在人工裝配中出現(xiàn)這種情況時(shí)，工人可以根據(jù)視覺、感覺進(jìn)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(shí)別并做相應(yīng)處理，但一些較小的偏差無(wú)法被電控設(shè)備檢測(cè)到，也就無(wú)法進(jìn)行處理。但這種較小的偏差往往會(huì)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(shí)，很有可能造成設(shè)備損壞。因此在設(shè)計(jì)柔性工裝時(shí)，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(shí)如何自行修正，如圖7中，沖壓頭和夾具發(fā)生沖突時(shí)，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(jì)過(guò)程中預(yù)留的使較大外力產(chǎn)生偏移的設(shè)計(jì)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(jì)

    3．1 硬件設(shè)計(jì)

    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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(chǎng)調(diào)試、狀態(tài)監(jiān)控及故障查詢。

    3．2 軟件設(shè)計(jì)流程

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示，根據(jù)該流程圖可細(xì)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(dòng)的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的工作過(guò)程如下：裝料完畢后即可啟動(dòng)振動(dòng)盤，當(dāng)鈑金件到達(dá)工位一，接近開關(guān)輸入控制器準(zhǔn)備信息；針對(duì)步進(jìn)電機(jī)容易失步的缺點(diǎn)，電機(jī)和4個(gè)工位處的推桿要進(jìn)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(duì)應(yīng)處把滾珠送入夾具中，工位三處的推桿推動(dòng)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(dòng)作完成推桿收回，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)30°，進(jìn)入下一個(gè)工作節(jié)拍。在工件進(jìn)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(bào)警，從而避免機(jī)器空運(yùn)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(jì)流程

    3．3 觸摸屏界面的設(shè)計(jì)

    為了方便系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)定，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控加工狀態(tài)，本控制系統(tǒng)選用觸摸屏作為人機(jī)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(jì)界面等，軟件面板主界面如圖10所示。

    操作界面包含手動(dòng)、單步、循環(huán)3種工作模式，分別對(duì)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(yùn)行情況，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障可以給出故障報(bào)警和出錯(cuò)信息提示，為及時(shí)排除故障提供幫助。統(tǒng)計(jì)界面用來(lái)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(hào)，并對(duì)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)速率、振動(dòng)盤送料速率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，報(bào)警燈閃爍，通過(guò)查看報(bào)警界面可查看報(bào)警記錄。

     

    圖10 軟件面板主界面

    使用專用軟件在計(jì)算機(jī)上完成設(shè)計(jì)觸摸屏畫面后，通過(guò)計(jì)算機(jī)的RS-232 串行口下載到觸摸屏。PLC對(duì)觸摸屏數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀寫，以便達(dá)到兩者之間的信息交互。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    設(shè)計(jì)保持架滾珠自動(dòng)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?yàn)榇罅渴褂脛趧?dòng)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(jī)電一體化理念，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，在一定程度上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)裝配領(lǐng)域自動(dòng)化的空白，尤其是對(duì)于勞動(dòng)密集型的中小企業(yè)，可以明顯降低勞動(dòng)力成本，對(duì)其他類似加工工藝的自動(dòng)化也有一定的借鑒意義。