薄壁襯套智能壓裝機設計與研究

郤智強，史振國，梁寶英

(1.山西大同大學研究生院，山西大同 037003；2.山西大同大學機電工程學院，山西大同 037003)

隨著工業(yè)生產線自動化程度越來越高，制造業(yè)智能化升級改造勢在必行。生產實際中，薄壁襯套被廣泛使用，其與工件襯套孔一般為過盈配合，壓裝時容易發(fā)生變形，目前薄壁襯套裝配仍為人工作業(yè)或半自動化作業(yè)，薄壁襯套和工件上料仍為人工作業(yè)，這種人工裝配或半自動裝配不僅裝配效率低，裝配質量差，而且智能化程度低，勞動力成本高等。為了加快裝配車間升級改造，提出一種薄壁襯套的智能壓裝機，實現(xiàn)了襯套上料、移送、工件上料和定位以及襯套壓裝等全程智能化作業(yè)，并且可一次壓裝四個襯套，不僅提高襯套裝配效率和裝配質量，而且提高智能化程度，可取得顯著的經濟效益[1-2]。

1 薄壁襯套智能壓裝機結構設計

1.1 工藝方案設計

薄壁襯套智能壓裝機工藝流程，見圖1。

圖1 壓裝機工藝流程圖

1.2 總體結構方案設計

薄壁襯套智能壓裝機主要由機械部分、液壓控制部分和電氣控制部分組成。襯套抓取、壓裝以及工件定位由液壓缸提供動力，襯套上料、移送和工件上料由步進電機提供動力，PLC作為控制器[3-4]。

1.3 機械部分結構設計

薄壁襯套智能壓裝機結構示意圖，見圖2，主要由主機架、襯套上料裝置、抓取裝置、壓裝裝置、移送裝置、工件送料裝置和定位裝置等組成。主機架主要由2根槽鋼支撐立柱，1根槽鋼橫梁組成。

圖2 襯套智能壓裝機結構示意圖

1.3.1 抓取裝置

抓取裝置和壓裝裝置和為同一裝置，其結構見圖2（a）、（b），主要包括1 個液壓缸、1 個連接架、4 個壓頭、2個限位組件和1塊限位板，其中液壓缸中活塞桿與連接架通過螺紋連接，并依靠螺母鎖??；限位板用來防止活塞桿和連接架的轉動，其固定在液壓缸缸蓋上；2 個限位組件對稱固定在連接架上，每個限位組件上的軸承可沿限位板移動，起到導向和限位作用；壓頭用來抓取襯套，4 個壓頭分別固定在連接架上，壓頭采用鋼珠式結構，每個壓頭上均安裝2 個鋼球，其由1 根彈簧連接，抓取時依靠鋼球和襯套內孔之間摩擦力抓取襯套；當抓取裝置到達壓裝工位時，將襯套壓裝到工件襯套孔中[5]。

1.3.2 襯套移送裝置

襯套移送裝置結構見圖2（a）、（b），其主要由步進電機、滾珠絲杠組件、燕尾槽組件、T 型板等組成，其中步進電機通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，滾珠絲桿組件固定在主機架橫梁上方，燕尾槽組件固定在主機架橫梁下方，起到導向作用；T 型板一端通過螺釘固定在滾珠絲杠組件中螺母上，另一端與燕尾槽組件中滑塊通過過盈配合緊固在一起，燕尾槽組件中滑塊與液壓缸缸底通過連接法蘭固定在一起。當步進電機工作時，驅動滾珠絲杠轉動，螺母帶動T 型板移動，從而帶動燕尾槽組件中滑塊、液壓缸以及壓頭一起移動，即可實現(xiàn)抓取裝置在抓取工位和壓裝工位之間的變換。

1.3.3 襯套上料裝置

襯套上料裝置見圖2（a）、（c)，其主要由步進電機、滾珠絲杠組件、底座、線軌、滑塊和襯套儲料板等組成，步進電機與滾珠絲杠組件中絲杠通過聯(lián)軸器連接，絲杠由2 盤軸承和2 個軸承座支撐，2 個軸承座、2 條線軌分別固定在底座上，底座固定在工作臺上；襯套儲料板通過螺釘與螺母連接，在螺母下方安裝2 個滑塊，滑塊與線軌配合；襯套儲料板上按每4個一組焊接10組定位套，用于定位襯套，襯套裝在定位套中，4 個定位套的排列與工件襯套孔排列相同。當滾珠絲杠在步進電機驅動下轉動，螺母帶動襯套儲料板沿線軌移動，從而將一組襯套送到抓取工位，即可實現(xiàn)襯套間歇上料。

1.3.4 工件上料裝置和定位裝置

工件上料裝置主要包括工作臺、步進電機、鏈傳動、滾子、工裝板等，見圖2（a）、（c)，2個電機對稱安裝在工作臺左右兩側，每個電機連接1個鏈傳動，2個從動鏈輪軸上各安裝1 個滾子和2 個鏈輪，在工作臺臺面左右兩側各安裝若干根軸，每根軸上均安裝1個滾子，每相鄰兩根軸上安裝1 個鏈傳動，工件固定在工裝板上方，工裝板放在滾子上方，步進電機工作時，通過鏈傳動，將運動傳遞給滾子，工裝板在與轉動滾子之間摩擦力作用下將其送到壓裝位置。

工件定位裝置主要依靠安裝在工作臺上2 個阻擋油缸定位，當工件到達工裝位置時，2 個阻擋油缸動作，將工件定位。

1.4 液壓控制系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)原理，見圖3，可實現(xiàn)襯套的抓取、壓裝和工件的定位。電磁閥換向閥5 控制抓取裝置中液壓缸7 上升或下降，電磁閥換向閥9 控制阻擋油缸11、12的伸出和回縮，液壓缸中活塞桿伸出或回縮速度均由相應節(jié)流閥來控制，溢流閥4 起到安全保護作用[6-7]。

圖3 智能壓裝機液壓控制系統(tǒng)原理圖

2 PLC控制系統(tǒng)設計

2.1 PLC硬件電路的設計

控制系統(tǒng)硬件主要包括操作面板、PLC 控制器、步進電機及其驅動器、電磁閥和中間繼電器以及位置傳感器等。操作控制面板采用觸摸屏，可實現(xiàn)人機交互；PLC控制器根據運動指令來控制步進電機驅動器、中間繼電器動作，然后再由驅動器、中間繼電器分別驅動步進電機和液壓缸電磁閥工作，從而實現(xiàn)襯套的上料、抓取、移送、工件上料和定位以及襯套壓裝等工序。PLC控制系統(tǒng)原理，見圖4。

圖4 PLC控制系統(tǒng)原理

該壓裝機設置4 個控制按鈕，分別實現(xiàn)“啟動”“停止”“復位”“急停按鈕”功能，在壓裝機在工作時，系統(tǒng)有10 個數字信號送給PLC，共需要14 個數字信號輸入端口[8]。

PLC 控制3 臺步進電機實現(xiàn)移動方向、行程和速度，控制2 個電控直流電流24V 電磁閥來實現(xiàn)液壓缸活塞桿的伸縮，3 個信號燈，需要10 個數字信號輸出端口和3 高速脈沖量輸出端口。本文選用S7-200(CPU226，另加模擬量模塊)型的PLC 作為控制核心。I/O地址分配，見表1[9]。

表1 I/O地址分配表

2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

程序設計采用程序控制流程圖（主程序）和順序功能圖（子程序）相結合的方法。襯套的上料、抓取、移送、工件上料和定位、襯套壓裝等動作是重復進行，這6 個運動設計為6 個子程序模塊，在需要時調用。

采用PLC 程序設計，根據襯套智能壓裝機工藝流程，設計PLC 程序設計流程框圖，見圖5。系統(tǒng)選自動控制，壓裝機從原點開始，自動完成一個工作循環(huán)過程，循環(huán)次數設定10次[10]。

圖5 壓裝機控制系統(tǒng)流程框圖

3 結論

薄壁襯套智能壓裝機是集機械、液壓、PLC 控制化作業(yè)，不僅解決了襯套人工裝配效率低、裝配質量差的問題，而且提高智能化程度，操作方便，設備工作穩(wěn)定，運行良好，控制精度高和易于維護和實現(xiàn)的優(yōu)點，經濟效益十分可觀，市場前景廣闊。