電梯導軌連接件自動鉚接系統(tǒng)開發(fā)

朱紅萍 郭勝 唐文獻

（1.沙洲職業(yè)工學院，張家港 215600；2.鎮(zhèn)江宇城智能裝備科技有限責任公司，鎮(zhèn)江 212000；3.江蘇科技大學，鎮(zhèn)江 212000）

引言

隨著城市中高層建筑的迅速增加，電梯已成為人們日程生活不可或缺的垂直交通工具。電梯導軌是由鋼軌和連接板構成的電梯構件，電梯導軌的安裝質量直接影響著電梯的安全、穩(wěn)定運行。目前國內電梯企業(yè)大多采用點焊和鉚釘鉚接的方式來連接鋼軌和連接板構件。其中鉚接裝置通常由人工完成上釘、拉鉚工作，其生產效率低、精度低[1][2]。為了提高生產過程的自動化程度、降低勞動強度，急需研究和設計電梯導軌的自動化裝配生產線，而其中電梯導軌的鉚接安裝是生產工藝流程中的關鍵環(huán)節(jié)。筆者旨在研發(fā)一套快速高效拉鉚系統(tǒng)，以降低勞動強度，提高拉鉚精度。

1 電梯導軌送釘拉鉚系統(tǒng)整體方案確定

電梯上使用的導軌根據(jù)形狀一般可分為“L”型、“T”型和空心型三種[3]。其中“T”型導軌的制造和使用目前已實現(xiàn)標準化和規(guī)范化，本文主要探討“T”型導軌自動送釘拉鉚系統(tǒng)的開發(fā)。

根據(jù)電梯導軌裝配線送釘拉鉚工藝的要求，電梯自動拉鉚裝置需要實現(xiàn)的功能是將連接墊片自動送至拉鉚工位需裝配的電梯導軌內，并借助視覺定位系統(tǒng)將連接墊片和電梯導軌上的鉚釘孔對準，最后將送釘系統(tǒng)送來的鉚釘插入鉚釘孔內，完成拉鉚動作。

自動拉鉚設備主要完成以下工作：

（1）當電梯導軌到位后，定位夾具固定電梯導軌。

（2）設備的物料裝置取出一個導軌墊片并與電梯導軌同軸對齊。

（3）設備將導軌墊片送入電梯導軌內部，導軌墊片的鉚釘孔與電梯導軌的鉚釘孔對齊。

（4）拉鉚槍上釘，到達鉚釘孔位1，拉鉚，然后拋掉尾釘。

（5）拉鉚槍再上釘，到達鉚釘孔位2，拉鉚，然后拋掉尾釘。

拉鉚具體工藝流程如圖1 所示。當電梯導軌輸送至拉鉚工位時，定位夾具將導軌定位，同時墊片自動送料系統(tǒng)將墊片送至等待位，視覺定位系統(tǒng)通過相機分別采集導軌端部和墊片圖像，經(jīng)分析處理后得到導軌端部和墊片的鉚接孔坐標信息。墊片自動送料系統(tǒng)根據(jù)導軌和墊片的鉚接孔位差值確定墊片進給量，并將墊片送至鉚接位，此時墊片鉚接位與導軌端部鉚接位完全重合。振動盤將鉚釘輸送到安裝在三坐標模組上的自動拉鉚槍，三坐標模組根據(jù)導軌鉚接孔位坐標信息，將自動拉鉚槍移動到對應的拉鉚孔位完成拉鉚動作。

圖1 送釘拉鉚工藝流程簡圖

視覺系統(tǒng)需要兩次拍照是由于導軌定位夾具無法限制導軌的軸向自由度，導軌定位后存在軸向偏移誤差，因此，墊片系統(tǒng)需要根據(jù)偏移誤差確定墊片的進給量，以保證墊片和導軌端部的鉚接孔對齊。

2 電梯導軌拉鉚送釘機械結構設計

電梯導軌拉鉚送釘系統(tǒng)主要包括送料裝置、拉鉚裝置和控制系統(tǒng)三大部分。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)自動拉鉚裝置中的兩部分功能：一是鉚釘?shù)淖詣铀土?，二是拉鉚槍自動拉鉚。

鉚釘通過振動盤的振動，沿著料槽的軌道輸送至固定位置，再通過分離裝置將排列整齊的鉚釘分離出單獨一個鉚釘，該鉚釘通過移釘裝置移動到吹釘孔，供氣裝置供給的高氣壓氣體將鉚釘沿著送釘管管道輸送到拉鉚裝置。通過振動盤整列定向鉚釘，具有通用性強、工作可靠、耗能小、生產率高的優(yōu)點，同時通過高壓送鉚氣體將鉚釘輸送至拉鉚裝置，結構緊湊簡單，送釘穩(wěn)定可靠。整個系統(tǒng)中各個動作的執(zhí)行和銜接通過傳感器（接近開關、光電開關等）輸入信號，PLC 控制系統(tǒng)控制氣缸、電機等源動件以實現(xiàn)自動化。

此系統(tǒng)相關設計參數(shù)為：抽芯鉚釘型號為? 4×16，送釘時間5 s，拉鉚工藝孔大小為2×? 4.2 mm，孔間距38 mm。電梯導軌和墊片拉鉚后的結果如圖2 所示。

圖2 電梯導軌和墊片的鉚接

2.1 電梯導軌自動送釘機構設計

電梯導軌拉鉚送釘系統(tǒng)中的送釘裝置包括振動盤、分離裝置和移釘裝置[4][5][6]。振動盤主要負責將鉚釘整體輸送和整列；分離裝置和移釘裝置則通過氣缸的伸縮，分離出單獨的鉚釘以便輸送給拉鉚裝置。

由于鉚釘釘體直徑不完全相同，可以在軌道上開滑槽加以整列，槽寬應介于釘體的最小直徑和最大直徑之間。鉚釘在重力作用下自動按統(tǒng)一方向掉進滑槽內，達到整列的目的。本處釘體最小直徑dmin=2.18 mm，最大直徑dmax=8.29 mm，取槽寬為3 mm。同時，綜合考慮選取軌道的螺旋升角α=5°，螺距t=76.8 mm。螺旋軌道是焊接在料斗筒體上的，隨著料筒一起振動，因此需要在出料口下方安裝一段靜止的軌道（輸料槽）來承接鉚釘進行后續(xù)的輸送。出料口（振動）與輸料槽（靜止）之間留有的間隙取c=2 mm。

分離裝置主要由氣缸、分離塊和光電開關組成，如圖3 所示。氣缸驅動分離塊做直線運動，將整列完成的鉚釘進行單獨的分離輸送。當氣缸處于初始位置時，整列過來的鉚釘被分離塊的前凸塊攔住無法繼續(xù)向前，此時，光電開關（控制系統(tǒng)信號輸入）檢測到鉚釘后，控制系統(tǒng)控制氣缸伸出，帶動分離塊向前做直線運動，被攔在前凸塊的鉚釘?shù)玫结尫?，而后面相鄰的鉚釘被分離塊的后凸塊擋住。當輸送完被釋放的鉚釘后，氣缸收回，分離裝置回到初始位置，準備進行下一周期的分離。

圖3 分離裝置組成

被分離塊分離出來的鉚釘需要通過移釘裝置移動到送釘孔，鉚釘被高壓送鉚氣體輸送到下一工作環(huán)節(jié)。移釘裝置主要由移釘塊、光電開關、滑臺氣缸、氣缸安裝板和擋板組成，如圖4 所示。

圖4 移釘裝置組成

2.2 電梯導軌拉鉚裝置設計

拉鉚裝置包括夾咀裝置、自吸裝置、驅動裝置和槍頭裝置四個部分，如圖5 所示。夾咀裝置設有連接管與送釘管相連，將由振動盤輸送來的鉚釘夾住并配合自吸裝置產生的負壓，將鉚釘吸入槍頭裝置的槍嘴內。驅動裝置由絲桿滑塊機構構成，驅動槍頭裝置的三爪卡片機構將鉚釘夾緊并拉斷鉚釘芯，拉鉚結束后，三爪卡片松開，排出尾釘。

圖5 自動拉鉚槍結構示意圖

其中，夾咀裝置主要包括平行四邊形連桿機構設計、上夾咀和下夾咀設計、導開塊設計、鎖板位置設計和滑臺氣缸的選型等。

驅動裝置主要由軸承支撐座、心軸固定座、心軸支撐塊、絲杠、聯(lián)軸器、電機支撐座、電機、導軌、滑塊、導軌固定座和軸承等零件組成，實現(xiàn)整個拉鉚過程的動力輸出。

槍頭裝置是夾緊鉚釘進行拉鉚的主要構件，主要設計包括內筒套及外筒套設計、卡爪爪片設計、卡爪頂座設計、彈簧的選型和心軸的設計與校核。

3 電梯導軌拉鉚送釘控制部分設計

根據(jù)自動拉鉚送釘單元的控制要求，并結合機械部件的動作過程，對自動拉鉚送釘?shù)腜LC 程序進行編制以及對觸摸屏組態(tài)進行設計。本處控制系統(tǒng)的主控核心單元所選用的是西門子S7-1200 PLC，編程采用西門子官方所提供的TIA 博途V15 軟件。

拉鉚定位單元通過輸入的絲桿模組限位開關信號、拉鉚槍狀態(tài)信號、儲料（鉚釘）與送釘裝置狀態(tài)信號控制拉鉚槍定位機構的三組絲桿模組、拉鉚槍和儲料（鉚釘）與送釘裝置。

送料定位單元通過輸入的絲桿模組限位開關信號、轉盤分度信號、氣缸限位信號、物料裝置的暫停和復位信號控制墊片定位機構、物料裝置、上料機構。

拉鉚、送料定位單元分別由兩個PLC 控制，PLC 與圖像處理及位置識別系統(tǒng)（PC）通過以太網(wǎng)通信，以此來控制目標位置圖像采集裝置（CCD 攝像機）采集鉚釘孔圖像。觸摸屏用來集中檢測、控制兩塊PLC。PLC 與PLC，PLC 與觸摸屏通過以太網(wǎng)通信，保持各系統(tǒng)之間互聯(lián)共通。其關鍵點是通過視覺系統(tǒng)對拉鉚位置準確定位，視覺拉鉚定位監(jiān)控界面如圖6 所示，可實時顯示連接板與導軌孔位畫面。

圖6 視覺拉鉚定位監(jiān)控界面

該模塊的觸摸屏畫面主要包括復位、送釘、拉鉚三個按鈕，對自動拉鉚送釘系統(tǒng)中的主要動作進行操作，送釘和拉鉚按鈕上方有送釘信號和拉鉚信號的顯示圖標，為何時按下對應按鈕提供可視化信息，如圖7 所示。拉鉚頁面用來給拉鉚槍送釘，并監(jiān)視拉鉚槍定位機構的三軸數(shù)控裝置的運動狀態(tài)。拉鉚頁面設置了三軸的回零按鈕、三軸的當前位置坐標監(jiān)視、三軸的運行速度修改和目標位置設定，移動按鈕用來控制軸運動到設置的目標位置。拍照按鈕用來指示相機拍照，旁邊的移動按鈕用來讓模組運動到拍照位置。

圖7 拉鉚、送料組態(tài)界面

經(jīng)過現(xiàn)場調試，送料、拉鉚動作平穩(wěn)、準確，運行良好。

4 結束語

通過對鉚接孔位圖像識別處理技術進行研究，優(yōu)化了墊片自動鉚接工藝，研制了電梯導軌連接件自動送釘鉚接裝置，開發(fā)了鉚接自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電梯導軌墊片高效自動鉚接，提高了電梯裝配生產效率，降低了勞動強度。