滿裝圓柱滾子軸承自動(dòng)落料填充滾子實(shí)現(xiàn)方法及其試驗(yàn)裝置

沈婷婷，楊路超，席志遠(yuǎn)，邵建新，邱自學(xué)

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019)

0 引言

滿裝圓柱滾子軸承主滾輪結(jié)構(gòu)為外圈雙擋邊、內(nèi)圈單擋邊，無(wú)保持架[1]，其徑向承載能力相對(duì)同尺寸帶保持架的圓柱滾子軸承提高數(shù)倍[2]，因其承載的優(yōu)異性和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在低速重載工況得到廣泛應(yīng)用[3]。

滿裝圓柱滾子軸承生產(chǎn)工藝主要包括外圈分徑、外圈填脂、填充滾子、內(nèi)圈分徑、合套裝配、壓蓋、旋轉(zhuǎn)等工序。其中內(nèi)外圈分徑、合套裝配、壓蓋、旋轉(zhuǎn)工序已有相應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備[4]，而軸承因滾子安裝位置不受保持架限制，并且滾子圓周總間隙較大使得裝配后滾子不能自鎖容易散套[5]，裝配難度增加，目前滿裝圓柱滾子軸承滾子主要依靠手工裝配[6-7]。

為解決手工填充滾子效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，提出了滿裝圓柱滾子軸承自動(dòng)落料式填充滾子實(shí)現(xiàn)方法，并設(shè)計(jì)了滿裝圓柱滾子軸承自動(dòng)填充滾子試驗(yàn)裝置進(jìn)行自動(dòng)裝配，驗(yàn)證了自動(dòng)落料填充滾子方案的可行性，不但能夠解決生產(chǎn)效率低下、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，而且可以提高滾子填充的清潔程度、裝配精度，對(duì)提高軸承裝配質(zhì)量、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 滿裝圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

滿裝圓柱滾子軸承由外圈、圓柱滾子、內(nèi)圈、平擋圈及孔用擋圈組成。其組成如圖1所示。

2 自動(dòng)填充滾子實(shí)現(xiàn)方法及其試驗(yàn)裝置

2.1 試驗(yàn)裝置功能要求

自動(dòng)填充滾子試驗(yàn)裝置需實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)能夠?qū)ν馊L道均勻涂脂；

(2)能夠自動(dòng)填充滾子，滾子無(wú)漏填、無(wú)凸出滾子內(nèi)幅圓現(xiàn)象；

(3)能夠根據(jù)滾子規(guī)格設(shè)定相應(yīng)參數(shù)；

(4)能夠?qū)收线M(jìn)行檢測(cè)及報(bào)警。

二是在一個(gè)幅員遼闊、產(chǎn)業(yè)門類齊全的經(jīng)濟(jì)體里，如何為金融業(yè)提供有效配置資源的相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域及平臺(tái)。這是實(shí)現(xiàn)金融業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要前提。如果沒(méi)有廣闊而堅(jiān)實(shí)的可承載規(guī)模龐大金融資源的基礎(chǔ)領(lǐng)域和平臺(tái)，無(wú)論金融機(jī)構(gòu)付出多大努力，最后都將事倍功半。

2.2 自動(dòng)填充滾子方法及試驗(yàn)裝置

為實(shí)現(xiàn)以上功能，設(shè)計(jì)了自動(dòng)填充滾子試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由工位切換機(jī)構(gòu)、涂脂機(jī)構(gòu)、滾子填充機(jī)構(gòu)、攔擋機(jī)構(gòu)、外圈夾持機(jī)構(gòu)、滾子上料機(jī)構(gòu)等組成。

圖2(a)中，工位切換機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)滑臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)外圈涂脂、滾子填充的工位切換。涂脂機(jī)構(gòu)用于在軸承外圈滾道內(nèi)涂抹潤(rùn)滑脂，使得填充的滾子不會(huì)脫離滾道，由涂脂升降氣缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)上升和下降。圖2(b)中，滾子填充機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)為垂直滾道，用于將滾子自動(dòng)落料填充到軸承外圈滾道內(nèi)，由滾道升降氣缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)上升和下降。攔擋機(jī)構(gòu)用于限制一次自動(dòng)填充滾子的數(shù)量，由攔擋氣缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)上升和下降。滾子上料機(jī)構(gòu)用于將圓柱滾子振動(dòng)有序排列和上料，為滾子填充機(jī)構(gòu)輸送滾子。

外圈夾持機(jī)構(gòu)用于對(duì)軸承外圈傾斜(外圈端面與臺(tái)板的傾斜夾角為60°)夾持，使得軸承外圈端面傾斜朝上，便于滾子的填充。夾取氣爪有臺(tái)階面，用于對(duì)軸承外圈軸向定位和支撐；外圈滾道擋板端面與軸承外圈滾道內(nèi)側(cè)齊平，保證滾子能落料自動(dòng)填充進(jìn)軸承外圈滾道。三爪氣缸帶動(dòng)軸承外圈以一定的速度旋轉(zhuǎn)，垂直滾道中的滾子依次從出料口自動(dòng)落料填充到軸承外圈滾道中，軸承外圈旋轉(zhuǎn)一圈，滾子填充完成。外圈夾持機(jī)構(gòu)局部斷面圖如圖3所示。

自動(dòng)落料填充滾子的實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1)根據(jù)當(dāng)前滿裝圓柱滾子軸承規(guī)格，在人機(jī)界面上設(shè)置參數(shù)(滾子直徑、滾子數(shù)量)。

(2)在涂脂工位，夾取氣爪夾取外圈，夾取完成后，涂脂升降氣缸將涂脂組件降至工作位置，涂脂組件配合步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)對(duì)外圈滾道涂脂，完成后，涂脂升降氣缸將涂脂組件升回初始位置。

(3)氣動(dòng)滑臺(tái)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)工位切換，將外圈夾持機(jī)構(gòu)送至滾子填充工位。

(4)滾子上料機(jī)構(gòu)將滾子振動(dòng)上料，在傾斜滾道中依次排列，填充傾斜滾道，進(jìn)料口與傾斜滾道錯(cuò)開(kāi)，滾子無(wú)法進(jìn)入垂直滾道，見(jiàn)圖4(a)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到滾子達(dá)到設(shè)定數(shù)量時(shí)，攔擋氣缸下降，限制一次自動(dòng)填充滾子的數(shù)量，升降氣缸帶動(dòng)垂直滾道移動(dòng)到下極限位置，垂直滾道進(jìn)料口與傾斜滾道對(duì)接，傾斜滾道下半部分中的滾子進(jìn)入垂直滾道，并通過(guò)垂直滾道出料口自動(dòng)落料到軸承外圈滾道，見(jiàn)圖4(b)；在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，三爪氣缸帶動(dòng)軸承外圈以一定的速度旋轉(zhuǎn)，垂直滾道中的滾子依次從出料口自動(dòng)落料填充到軸承外圈滾道中，見(jiàn)圖4(c)；軸承外圈旋轉(zhuǎn)一周，滾子填充完成，升降氣缸帶動(dòng)垂直滾道上升，待攔擋氣缸上升后，傾斜滾道可繼續(xù)上料滾子，見(jiàn)圖4(d)。

3 試驗(yàn)裝置氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)填充滾子試驗(yàn)裝置氣動(dòng)系統(tǒng)原理如圖5所示。氣動(dòng)三聯(lián)件將壓縮空氣壓力穩(wěn)定在0.5 MPa，通過(guò)轉(zhuǎn)接頭分為6路：

(1)一路經(jīng)2位五通電磁閥輸送至氣動(dòng)滑臺(tái)，控制氣動(dòng)滑臺(tái)的前進(jìn)與后退，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填充滾子過(guò)程中的工位切換；

(2)一路經(jīng)2位五通電磁閥輸送至外圈夾取氣爪，控制外圈夾取氣爪的夾緊與松開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圈的自動(dòng)夾??；

(3)一路經(jīng)2位五通電磁閥輸送至涂脂升降氣缸，控制升降氣缸的上升與下降，實(shí)現(xiàn)涂脂組件的上下運(yùn)動(dòng)；

(4)一路經(jīng)2位五通電磁閥輸送至滾道升降氣缸，控制升降氣缸的上升與下降，實(shí)現(xiàn)垂直滾道的進(jìn)料口與傾斜滾道的錯(cuò)開(kāi)與對(duì)接；

(5)一路經(jīng)2位五通電磁閥輸送至攔擋氣缸，控制攔擋氣缸的上升與下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次填充軸承外圈一圈滾子的數(shù)量的限制；

(6)一路經(jīng)2位五通電磁閥輸送至定量注脂泵，實(shí)現(xiàn)涂脂組件在涂脂升降氣缸下降至工位對(duì)外圈滾道進(jìn)行定量涂脂。

4 試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)硬件組成

自動(dòng)填充滾子試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖6所示，主要分為輸入信號(hào)單元(傳感器、按鈕)、控制單元(PLC、觸摸屏、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、各氣缸電磁閥)、執(zhí)行單元(氣缸、氣爪、定量注脂泵、三色燈)?？刂茊卧鶕?jù)輸入信號(hào)單元輸入的信號(hào)，判斷試驗(yàn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，控制執(zhí)行單元?jiǎng)幼?，各控制硬件單元相互協(xié)作，根據(jù)設(shè)定參數(shù)(滾子直徑、滾子數(shù)量)，自動(dòng)落料填充滾子，在其填充過(guò)程中，觸摸屏在線監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 PLC選型及I/O口分配

依據(jù)試驗(yàn)裝置功能實(shí)現(xiàn)的需求，選擇型號(hào)為FX3U-64MT-ES-A的PLC，32點(diǎn)輸入，32點(diǎn)輸出，AC電源，220 V電壓，晶體管輸出，能夠滿足試驗(yàn)裝置使用要求。

自動(dòng)填充滾子試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)I /O口分配如表1所示，輸入信號(hào)點(diǎn)數(shù)為16，輸出點(diǎn)信號(hào)數(shù)為15，共計(jì)31個(gè)點(diǎn)。

表1 PLC的I/O口分配表

4.3 傳感檢測(cè)模塊

為了保證自動(dòng)填充滾子試驗(yàn)裝置能夠正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)利用傳感器、磁性開(kāi)關(guān)等來(lái)檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)。使用的傳感器信息如表2所示。

表2 傳感器型號(hào)和功能

4.4 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序選用軟件GX-Works2編程，通過(guò)RS232通訊線纜與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行下載與調(diào)試[8]。根據(jù)試驗(yàn)裝置功能要求，控制程序分為點(diǎn)動(dòng)控制和自動(dòng)控制2部分，點(diǎn)動(dòng)控制用于試驗(yàn)裝置調(diào)試，檢測(cè)氣缸運(yùn)行狀態(tài)及裝配誤差，自動(dòng)控制用于使?jié)L子自動(dòng)填充。PLC控制程序流程圖如圖7所示。

4.5 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏用于設(shè)置試驗(yàn)裝置的參數(shù)、在線檢測(cè)裝置各部分的運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)選用型號(hào)為GS2107-WTBD的觸摸屏，通過(guò)RS232通訊電纜與PLC進(jìn)行通訊[9]，從而滿足試驗(yàn)裝置的控制要求。利用GT-Designer3軟件設(shè)計(jì)觸摸屏界面，界面具體分為以下幾個(gè)部分[10]：

(1)主界面。主界面分為“裝置介紹”、“點(diǎn)動(dòng)調(diào)試”、“自動(dòng)填充”，按下進(jìn)入對(duì)應(yīng)界面。

(2)點(diǎn)動(dòng)調(diào)試界面?！肮の磺袚Q調(diào)試”、“涂脂模塊調(diào)試”、“填充滾子模塊調(diào)試”和“三色燈測(cè)試”等部分對(duì)氣動(dòng)滑臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、氣爪、各升降氣缸等進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，確認(rèn)裝置是否存在裝配誤差，是否可進(jìn)行自動(dòng)填充。

(3)自動(dòng)填充界面。如圖8所示，根據(jù)待填充滾子規(guī)格設(shè)定參數(shù)，按下“確認(rèn)”鍵，開(kāi)始自動(dòng)填充滾子，隨后觸摸屏進(jìn)入自動(dòng)填充監(jiān)控界面。自動(dòng)填充監(jiān)控界面的檢測(cè)內(nèi)容包括系統(tǒng)狀態(tài)及運(yùn)行監(jiān)控。運(yùn)行監(jiān)控實(shí)時(shí)顯示各電磁閥是否通電、各傳感器信號(hào)狀態(tài)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速、滾子填充是否完成。

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)裝置調(diào)試結(jié)果表明，在控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 r/min的情況下，滾子可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落料填充，達(dá)到內(nèi)圈可順利合套的效果，填充過(guò)程中試驗(yàn)裝置的各狀態(tài)如圖9所示。

根據(jù)滿裝圓柱滾子軸承填充滾子的工藝要求，設(shè)計(jì)了自動(dòng)填充滾子試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了雙擋邊外圈、無(wú)保持架的滿裝圓柱滾子軸承滾動(dòng)體自動(dòng)落料填充。該試驗(yàn)裝置運(yùn)行良好，能夠自動(dòng)對(duì)外圈均勻涂脂，實(shí)現(xiàn)滾子的自動(dòng)填充，滾子無(wú)缺失，無(wú)凸出內(nèi)幅圓現(xiàn)象，驗(yàn)證了自動(dòng)填充滾子方案的可行性。