自动铆接机的机械结构设计
摘 要：当前，越来越多的企业关注工厂自动化改造提升。通过研究了解到，非标准装配自动化今后将满足更多产品种生产和自动化装配要求，尤其是能够满足个性化装配需求。机械工程各环节中，机械设计是机械生产的第一步，要在各种限定的条件下进行设计优化，综合考虑各项要求，包括最佳的工作性能、最少的制造成本、最低的能源消耗等等。本文以自动铆接机为例，进行机械结构设计。研究自动铆接机动力部分，采用气液增压缸来形成铆接压力。铆接模具的设计主要通过参数化、材料选用和铆压间隙来确定铆压部分的设计。送料部分采用振动盘结合分度盘进行。机械结构的建模和装配采用solidworks软件完成。所研究的设备可以确保紧固性要求、确保非装配位置的尺寸、确保装配件的稳定一致、提高生产效率、降低生产成本。
关键词：机械设计，建模，仿真，铆压，装配与调试，自动化
随着劳动力成本的不断提高，越来越多的企业关注工厂自动化这一领域，也给该行业带来了发展商机。机械自动化设备的开发包含为客户提供从方案、加工、组装到调试的一体化解决方案。即从产品的构思→方案→建模→出图→加工→组装→调试，提供给客户一整套的解决方案。
某企业专业生产和组装五金制品的企业，在生产过程中，一些零件的需求量非常大，以十万件计，零件紧固和密封要求度高，可置换性要求高。该企业生产产品“精密接头”零件图及装配体如图1-1所示，要求装配体中的上盖与底座进行铆接。
        
（a）  底座      （b）  垫片          （c）  上盖         （d） 装配体
图1  “精密接头”零件图及装配体
该零件是自动化生产线中的重要零件，装配工艺要求较高，其高要求主要体现在三个方面，一是紧固性要求高，二是零件变形控制要求高，三是可置换性要求高，否则无法通过检验。相对而言，手工操作的成本高、产品一致性和稳定性差、生产效率低；利用工业机器人进行装配，其自带的视觉传感系统可对零件进行识别，然后通过机械手进行装配，省去了一些周边设备，但成本高；本次计划设计制作出一台非标准自动化设备来完成装配和铆接动作，确保紧固性要求、确保非装配位置的尺寸、确保装配件的稳定一致、提高生产效率、降低生产成本，机械设计逻辑思路如图2，建模和仿真采用solidworks软件完成，通过装配检验设计的合理性。

图2 机械设计逻辑思路
一、零件分析
本次装配的零件属于微小零件，底座和上盖零件大小不足10mm，两者之间采用过盈装配。零件材质为Q235，碳含量（WC%）在0.12%至0.22%之间，属于低碳钢，硬度为36~40HRC。装配截面如图3所示，干涉厚度约0.06mm，装配长度2.4 mm，考虑到装配动作不多，涉及零件只有3个，同时考虑合理利用空间及方便布局，本次选择回转式装配机。
     
图3装配截面图                      图4振动盘实物图
二、自动送料机构的选择
振动盘（Vibrator Bowl），是一种自动组装或自动加工机械的辅助送料设备，简称自动定向排序送料装置，能够对乱序的零件进行自动筛选和排序，实物如图4所示，其型号根据零件的尺寸来选择不同大小的顶盘，顶盘尺寸从Φ80mm到Φ1000mm都有。本次设计的零件都是微小零件，底座和上盖零件大小不足10mm，同时参考市场上振动盘的性价比，选择顶盘尺寸为Φ140mm的振动盘输送垫片，选择顶盘尺寸为Φ175mm的振动盘输送底座和上盖。
设计振动盘出料口与进料轨道位置如图5所示，振动盘出料口与进料轨道对齐，并通过高度调节螺栓调整振动送料器与进料轨道的高度(通常振动器的出口高度要比轨道的进料口高度高出0.3mm)。

图5设计振动盘出料口及进料轨道
垫片是“精密接头”的装配零件之一，厚度只有0.6mm，外径只有8.5毫米，输送轨道设计如图6所示。直线轨道长度170mm，实践发现，仅仅依靠振动盘的力度，垫片会出现卡死现象，无法继续前进，增加直振器（如图7所示）解决垫片前进动力不足的问题。

图6垫片（直振/钢带）进料轨道             图7直振器实物图
三、“精密接头”装配分度盘及回转机构的设计
考虑到“精密接头”的装配有三个进料位，加上铆接装配工位和卸料位，分度盘至少5个工位，考虑到制造及操作等更加方便，再扩展一个工位，因此设计分度盘为6个工位，且旋转方向为顺时针方向。
分度盘的间歇回转，需要选择合适的控制机构。步进电机回转机构、气动分度盘机构、棘轮棘爪机构、凸轮分割器是四种常见的回转间歇机构，经表1对比以及市场最新应用情况，采用凸轮分割器及传感器配合普通电机可实现间歇控制功能，如图8所示。
表1  常用回转间歇操作机构主要技术经济指标对比





序号


指标对比


步进电机回转机构


气动分度盘


棘轮棘爪机构


凸轮分割器




1


驱动力矩


小


大


大


大




2


定位精度


一般


高


低


一般




3


自动化水平


高


高


低


低




4


工作可靠性


一般


可靠


可靠


可靠




5


结构


复杂


简单


简单


简单




6


频率是否可调


能


能


否


否




7


噪音


小


一般


大


小




8


运行成本


高


一般


低


低






图8设计分度盘
四、气缸、气液增压缸的选择及铆合部分的设计
综合考虑，三个进料位和一个卸料位采用适当的气缸进行零件装卸，4个工位共用到8个气缸。前后运动采用标准型气缸，上下运动为了避免干涉采用薄型气缸，如图9所示。
为保证铆压效果，将装配工位设计为直压型气液增压缸，以纯气压源为动力，利用增压器的大小活塞面积比，将低压气压提高数十倍变为高压油压，达到高压输出的目的。一般来说，气液增压缸的行程较小，行程控制时要充分考虑和利用，避免出现限位无效的情况。形状控制方面确保铆合的质量而且不对装配件造成干涉与损害，按照经验，单边留出0.05mm作为零件放置的间隙，具体设计如图10所示。

图9气缸的选择
 
图10  铆合部分的机械设计
五、自动铆接机机械构造的建模与装配
为了确保整个机械构造结构紧凑，逻辑关系便于梳理，维修操作方便，整体设计如图11所示。整个结构采用solidworks软件设计、装配和修改，以旋转工作台为中心，三条进料轨道平行放置，压铆工位设置在三条进料轨道对面，旋转工作台呈顺时针旋转，卸料工位位于压铆工位下一个位置。零件装配时，准确装配的关键是控制好自由度，包括线性尺寸、平行度、垂直度、同轴度及角度等等。当出现干涉时，首先考虑装配是否正确，排除装配问题后，就要对零件特征进行修改，直到合适为止。
以上对自动铆接机各个系统进行了总体布置及机械结构设计，包括底座送料机构、垫片送料机构、上盖送料机构、分度盘机构、压铆机构、卸料机构、箱体等，能够满足生产需要，结构简单紧凑、性能可靠、组装灵活、操作方便。
后续还要进行电气控制设计方面，PLC硬件控制电路设计和PLC控制程序设计，以及零配件的采购、装配与调试，不在此赘述，完成设备试制如图12所示。

图11 整体设计

图12全自动“精密接头”装配一体机设备及装配成品
总之，本设备提高了“精密接头”的装配效率，把应用于机械装配控制系统相关的自动化技术融为一体，达到快速连续自动装配，避免了人工操作导致的部分铆压不到位，紧固性不好、装配零件变形、装配件稳定性不好等情况，减少了人工成本。装配自动化今后将在向模块化、柔性化、自动化等方面发展以满足多产品种生产和自动化装配要求。


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