穿銷工序中銷軸送料裝置的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

胡思杰,何高清,時(shí)明明,包明帝

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

穿銷工序中銷軸送料裝置的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

胡思杰1,何高清1,時(shí)明明2,包明帝1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

目前國(guó)內(nèi)搖臂生產(chǎn)過(guò)程中的穿銷工序大多采用手工或半自動(dòng)方式完成，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、質(zhì)量不穩(wěn)定，無(wú)法滿足大批量且高質(zhì)量的生產(chǎn)要求。為了提高穿銷工序的自動(dòng)化程度和穿銷質(zhì)量，同時(shí)為了使銷軸在送料過(guò)程中自動(dòng)有序下落，設(shè)計(jì)了一種銷軸送料裝置。基于Adams虛擬仿真軟件對(duì)送料裝置進(jìn)行仿真分析，對(duì)單顆銷軸施加不同大小的力，并改變撥叉轉(zhuǎn)速，得到銷軸通過(guò)撥叉與料箱間隙的時(shí)間。仿真結(jié)果表明，送料裝置最佳工作轉(zhuǎn)速范圍為125～225 r/min和300～425 r/min，此時(shí)銷軸的送料效率穩(wěn)定且最高。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，其結(jié)果和仿真分析基本一致，符合設(shè)計(jì)要求。撥叉機(jī)構(gòu)配合銷軸送料裝置，在合理的轉(zhuǎn)速下能有效提高穿銷工序的效率，降低了人工在搖臂生產(chǎn)線中的介入程度，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量及一致性。該裝置不僅適用于提高搖臂生產(chǎn)線送料工序效率，而且對(duì)提高其他送料裝置效率也具有重要的借鑒意義。

自動(dòng)化； 穿銷工序； 碰撞分析； 可靠性； 運(yùn)動(dòng)控制

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外搖臂鉚壓生產(chǎn)線正在向自動(dòng)化、高效率、智能化方向發(fā)展。作為搖臂生產(chǎn)線的重要組成部分，穿銷工序?qū)?shí)現(xiàn)自動(dòng)化以及提高生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用。其中，銷軸送料裝置是穿銷工序的重要組成部分?，F(xiàn)階段，銷軸送料大多采用手工或半自動(dòng)的作業(yè)方式，工作效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、企業(yè)的生產(chǎn)成本高，同時(shí)還會(huì)因工人處理不當(dāng)或其他人為因素造成工件的二次損壞[1]。

為提高銷軸送料的工作效率以及自動(dòng)化程度，對(duì)料箱的出口進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)在料箱中添加撥叉機(jī)構(gòu)以及推銷裝置，以提高銷軸送料的效率及自動(dòng)化程度，保證后續(xù)穿銷工序的順利進(jìn)行；同時(shí)，也提高了整套自動(dòng)化設(shè)備的加工生產(chǎn)效率。

1 穿銷模塊結(jié)構(gòu)及工作原理

穿銷模塊的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 穿銷模塊結(jié)構(gòu)圖

穿銷模塊主要分為銷軸送料裝置、軸承送料裝置、穿銷裝置等部分。在穿銷工序中，將銷軸直接倒入銷軸送料裝置的料箱，由其中的撥叉機(jī)構(gòu)撥正，并整齊排列在溜槽中，再由推銷機(jī)構(gòu)將銷軸推入穿銷裝置；與此同時(shí)，軸承送料裝置將軸承逐個(gè)送入穿銷機(jī)構(gòu)，在軸承進(jìn)入指定位置后，穿銷裝置將銷軸穿進(jìn)軸承中，完成穿銷。

2 銷軸送料裝置

穿銷裝置在完成各零件的裝配前，首先要完成銷軸的送料工作。因此，銷軸送料裝置能否順利送料及其送料效率，對(duì)穿銷裝置能否順利完成穿銷起到?jīng)Q定性作用，并關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的加工效率和成品率。以往裝配生產(chǎn)線送料流程多為人工操作，且輸送的銷軸呈無(wú)序散落狀態(tài)。通過(guò)人工將銷軸擺正后放入送料裝置，或在送料前加入中間環(huán)節(jié)，降低了生產(chǎn)效率，增加了裝置以及工作流程的復(fù)雜性[2-3]。針對(duì)裝配生產(chǎn)線中的銷軸送料裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，在料箱底部添加撥叉機(jī)構(gòu)，輔助銷軸自動(dòng)、有序落入送料槽，然后通過(guò)推板將有序排列的銷軸推入送料管。裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，且自動(dòng)化程度高。

2.1 銷軸送料裝置的結(jié)構(gòu)及原理

工作時(shí)，銷軸被倒入料箱中，落入溜槽板上部，此時(shí)銷軸處于雜亂無(wú)序的狀態(tài)。啟動(dòng)撥叉機(jī)構(gòu)，由電機(jī)帶動(dòng)撥叉軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)撥叉軸上的撥叉盤(pán)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，撥叉盤(pán)上的凸起會(huì)撥動(dòng)雜亂無(wú)序的銷軸。由于滑槽的寬度只能容納一個(gè)銷軸，因此會(huì)使得銷軸按順序進(jìn)入溜槽板的滑槽中，最下排的銷軸會(huì)被溜槽板前端的推板擋住。當(dāng)需要送料時(shí)，由電磁閥控制氣缸帶動(dòng)推桿動(dòng)作，先將推桿退出，推桿上的一排銷軸會(huì)滑入橫向槽中，由于該橫向槽的寬度恰好與銷軸的長(zhǎng)度相匹配，因此該排銷軸在橫向槽中也處于有序狀態(tài)；然后將推桿推進(jìn)，推桿會(huì)將橫向槽中的一排銷軸推入送料管中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料。銷軸送料裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 銷軸送料裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 銷軸碰撞運(yùn)動(dòng)分析

在送料裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，銷軸是以群體的形式存在的，銷軸與銷軸之間、銷軸與料箱之間以及銷軸與撥叉機(jī)構(gòu)之間均存在碰撞，進(jìn)而影響銷軸的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)分析銷軸的碰撞運(yùn)動(dòng)，可以了解不同銷軸之間的運(yùn)動(dòng)傳遞情況，從而為后續(xù)的仿真分析提供依據(jù)。在進(jìn)行理論分析時(shí)，假設(shè)銷軸為均勻的球體，忽略銷軸形狀對(duì)碰撞的影響。根據(jù)物料群碰撞理論[4-5]，建立兩顆銷軸的彈性碰撞模型，如圖3所示。設(shè)兩顆銷軸的質(zhì)量均為m，kg;碰撞前速度分別為v01、v02(v01>v02),m/s;碰撞后銷軸的速度分別為v1、v2，m/s;坐標(biāo)向上為正。

圖3 兩顆銷軸的彈性碰撞模型

由動(dòng)量定理可知:

m(v01+v02)=m(v1+v2)

(1)

(2)

式中:e21為兩銷軸的碰撞恢復(fù)系數(shù)。

由式(1)、式(2)可知:

(3)

(4)

根據(jù)式(3)、式(4)，將v01與v1、v02與v2分別進(jìn)行比較，得v01>v1、v02

2.3 銷軸送料裝置虛擬仿真分析

利用Adams仿真軟件對(duì)銷軸送料裝置進(jìn)行仿真分析[6-11]，得到單顆銷軸在不同大小的力F以及不同撥叉驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速n下的擺正時(shí)間t，進(jìn)而得到最佳撥叉驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的取值范圍，為后續(xù)的裝備設(shè)計(jì)提供幫助。

2.3.1 虛擬樣機(jī)模型的建立

通過(guò)CATIA軟件繪制銷軸送料裝置的三維模型，然后將模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入Adams軟件，并在導(dǎo)入的模型中添加約束以及運(yùn)動(dòng)副等，具體如表1所示。

表1 模型中約束以及運(yùn)動(dòng)副的添加情況

2.3.2 銷軸在送料裝置中的運(yùn)動(dòng)仿真

正態(tài)分布理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，在將銷軸隨機(jī)倒入料箱的過(guò)程中，銷軸在料箱中的分布符合正態(tài)理論，同時(shí)考慮到仿真的復(fù)雜性以及仿真分析的要求，僅對(duì)單顆銷軸在送料裝置中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。在分析過(guò)程中，將不同銷軸之間的相互作用力簡(jiǎn)化為F，其方向與重力mg之間的夾角θ小于30°；對(duì)仿真中撥叉推動(dòng)銷軸向上運(yùn)動(dòng)的瞬間進(jìn)行分析，此時(shí)銷軸受到的垂直于料箱底面的支持力為N，摩擦阻力為Ff，撥叉對(duì)銷軸的作用力為F1，其方向?yàn)殇N軸質(zhì)心與撥叉機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)軸心O點(diǎn)連線的垂直方向。銷軸在撥叉向上推動(dòng)瞬間的受力分析如圖4所示。

圖4 受力分析圖

在Adams軟件中繪制銷軸模型，并定義材料屬性，然后放置在送料裝置的料箱中；根據(jù)各部件的接觸情況，在銷軸與料箱以及銷軸與撥叉機(jī)構(gòu)之間添加接觸約束，同時(shí)對(duì)銷軸施加力F，最后進(jìn)行仿真。

通過(guò)碰撞理論可知，影響銷軸擺正通過(guò)料箱底部的因素主要有撥叉機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速n以及銷軸之間的相互作用力F。在虛擬仿真過(guò)程中，分別取F1=0 N、F2=3 N、F3=5 N，然后在F1～F3的作用下，分別給撥叉機(jī)構(gòu)施加不同的轉(zhuǎn)速n，測(cè)定銷軸通過(guò)撥叉與料箱底面之間的間隙時(shí)所用的時(shí)間t；同時(shí)根據(jù)實(shí)際工作要求，設(shè)定仿真過(guò)程中單顆銷軸通過(guò)間隙時(shí)間t的上限為2 s，以此進(jìn)行比較分析，選定轉(zhuǎn)速n的取值范圍。不同轉(zhuǎn)速和受力對(duì)送料時(shí)間的影響曲線如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速和受力對(duì)送料時(shí)間的影響曲線

由圖5可知，當(dāng)n處于低速段(0～100 r/min)時(shí)，t達(dá)到上限值2 s；在中速段(100～550 r/min)時(shí)，t處于1.5 s以下；而在高速段(550～675 r/min)時(shí)，t大都超過(guò)1.5 s，且部分?jǐn)?shù)值達(dá)到2 s的上限值。與此同時(shí)，隨著F的增大，n的取值范圍有所增大。通過(guò)對(duì)比以上3種情況下t的變化情況，選定有效撥叉轉(zhuǎn)速n的范圍為125～225 r/min及300～425 r/min。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性[12]，對(duì)200顆長(zhǎng)度為12 mm、外徑為8 mm的銷軸進(jìn)行多次重復(fù)落料試驗(yàn)，然后分別測(cè)定在不同撥叉轉(zhuǎn)速下銷軸擺正并有序通過(guò)間隙的時(shí)間，時(shí)間上限設(shè)定為60 s。試驗(yàn)中，對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)試15次，并取平均時(shí)間，最后繪制時(shí)間-轉(zhuǎn)速曲線圖，如圖6所示。

圖6 時(shí)間-轉(zhuǎn)速曲線

由圖6可知，送料裝置中的200顆銷軸隨著撥叉轉(zhuǎn)速n的逐漸提高，銷軸通過(guò)間隙的時(shí)間t整體呈下降趨勢(shì)；當(dāng)n在125～450 r/min內(nèi)取值時(shí)，t變化較為平穩(wěn)，且數(shù)值均在35 s以下，符合對(duì)n的取值要求；而當(dāng)n大于450 r/min后，t呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，并大都超過(guò)35 s。由于試驗(yàn)中設(shè)備自身存在一定的上下振動(dòng)和誤差等因素，可能會(huì)對(duì)t造成一定的影響，但是時(shí)間隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)基本上與虛擬仿真結(jié)果保持一致，故仿真分析所得轉(zhuǎn)速取值范圍有效，可為確定銷軸送料裝置中撥叉轉(zhuǎn)速提供依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)對(duì)銷軸在送料機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)分析，研究了其在下落過(guò)程中的受力情況，通過(guò)Adams軟件對(duì)銷軸送料裝置進(jìn)行仿真，得到撥叉轉(zhuǎn)速n與銷軸通過(guò)間隙時(shí)間t的關(guān)系曲線。進(jìn)行了有序輸送200顆銷軸的試驗(yàn)，得出在不同撥叉轉(zhuǎn)速n下銷軸通過(guò)間隙的時(shí)間t的趨勢(shì)與虛擬仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。確定了撥叉轉(zhuǎn)速n的取值范圍是125～225 r/min及300～425 r/min，在此范圍內(nèi)單顆銷軸通過(guò)間隙的時(shí)間t均較為平穩(wěn)，且數(shù)值均小于1 s，完全滿足裝置的工作要求。該送料裝置滿足穿銷工序的使用要求，且實(shí)現(xiàn)了送料過(guò)程中銷軸的有序下落，提高了整體工序的自動(dòng)化程度。

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Design and Motion Analysis of the Pin Shaft Feeding Device in Peg Process

HU Sijie1，HE Gaoqing1，SHI Mingming2，BAO Mingdi1

(1.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009，China；2.School of Engineering,Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China)

At present,most of the peg processes in rocker arm production in our country are completed by manual or semi-automatic way:the production cycle is long,and the quality is unstable,which cannot meet the requirement of high-quality batch production.In order to improve the level of automation and quality of the peg process,and to make the pin shaft automatically dropping orderly in the process,the pin shaft feeding device is designed.The simulation analysis is carried out based on Adams virtual simulation software for the feeding device;different magnitude of force is applied to the single pin,and the speed of fork is changed,to obtain the time of the pin shaft going through the gap between the fork mechanism and the bin.The results of simulation show that the best working speed of feeding device is in the ranges of 125 ～ 225 r/min and 300 ～ 425 r/min,and the feed efficiency of pin shaft is stable and highest.Finally,the results are verified by the experiments,and the results are basically the same as the simulation analysis,and meet the design requirements.The fork mechanism cooperates with the pin shaft feeding device,effectively improves the efficiency of peg process in a reasonable speed,reduces the degree of manual intervention for the rocker arm production line, and improves the product quality and high consistency.Not only are the results suitable for improving the efficiency of feeding process in rocker arm production line,but also provide important reference for improving the efficiency of other feeding devices.

Automation; Peg process; Collision analysis; Reliability; Movement control

胡思杰(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事自動(dòng)化裝備方向的研究。E-mail:982221803@qq.com。 何高清(通信作者)，男，在讀博士研究生，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事數(shù)控技術(shù)、智能制造與自動(dòng)化裝備的研究和應(yīng)用。 E-mail:hegq2008@163.com。

TH13；TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706008

修改稿收到日期:2017-01-09