長尾夾自動裝配系統上料卸料同步裝置研究

2015-03-02 06:25:40熊四昌錢忠杰

機電工程 2015年7期

熊四昌，錢忠杰

(浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州310000)

0 引言

長尾夾由一個彈簧片夾體和兩個較長的尾柄彈簧鋼絲卡構成，其作為一種辦公文具，因體積小巧、夾持力強、使用方便而被廣泛應用。目前國內外還未有長尾夾自動裝配系統。考慮到長尾夾生產附加價值比較低，零件形狀不規則，投入產出比小［1］，因而調查發現長尾夾夾體和尾柄的裝配基本采用人工裝配［2］。人工裝配需要大量的工人做簡單的重復勞動，長期裝配會導致手指酸痛，已然成為進一步發展的瓶頸，因此市場大量的需求和生產的不平衡性日益突出，迫切需要改善［3-5］。自2003年～2014年關于長尾夾裝配專利共有17 篇，其中9 篇發明專利，8 篇實用新型［6］。2014年上海理工大學發明的長尾夾裝配裝置也僅是半自動式的裝配機［7］，而自動裝配生產線幾乎是空白。由上述情況可以看出，對長尾夾自動化裝配系統的研究很有必要。

本研究提出的裝配方式主要采用可規模化的水平裝配，并對其關鍵結構進行詳細分析，運用西門子S7-200 控制器實現長尾夾的準確、有效裝配。

1 總裝系統的工作原理

長尾夾裝自動裝配機主要由輸送部件子系統、上料卸料子系統、裝配子系統、控制子系統、傳感檢測子系統四大部分組成［8］。其中，輸送部件子系統采用導向法把整列把手及夾體輸入裝配系統，上料卸料子系統包括對夾體的推送夾緊裝置，而推送夾緊裝置則實現未裝配夾體的固定與已裝配夾體的撤除。裝配子系統實現了尾柄與夾體的裝配。最后自動裝配輸出長尾夾。傳感檢測子系統實時檢測裝配過程中出錯情況［9］。其流程如圖1 所示。

圖1 總體裝配流程圖

2 上料卸料同步裝置的設計

2．1 結構設計

推送夾緊同步裝置的總體結構示意圖如圖2 所示。夾緊機構安裝于氣缸運送軌道上，該軌道實現了上料卸料同步工位至裝配工位的運送。頂開機構通過與夾緊機構中滑塊的配合運動，實現對夾緊機構夾緊和松弛，頂開機構的動力由氣缸提供。

圖2 總體示意圖

上料卸料機構如圖3 所示。該機構為長尾夾自動裝配系統的核心之一，其集上料與卸料一體，利用兩塊推板的前后運動，實現對已裝配長尾夾卸料的同時對待裝配夾體的上料，把裝配系統中兩個步驟合二為一。前推板和后推板通過彈簧片相連，整體可在滑軌上滑行，后推板通過氣缸連接件與氣缸相連，以此驅動上料卸料機構。

圖3 上料卸料機構

前推板后推板如圖4 所示。前推板前段設計為凹字形，兩塊板之間相互勾連，并有彈簧片兩件在兩板之間，可相對運動，進而控制兩者相對位置。該設計實現當氣缸推動后推板時，由于彈簧片的作用前、后兩塊推板同時運動，以及后推板的繼續運動，完成已裝配夾體的卸料和未裝配夾體的上料。

圖4 前推板后推板

上料卸料推桿如圖5 所示。卸料推桿略長于上料推桿，可讓推送機構單步同時完成上料和卸料的動作，使整個推送機構具有機構緊湊、工作效率高的特點。

圖5 上料卸料推桿

夾緊機構三維圖如圖6 所示。夾緊機構各部件通過螺紋連接，擋塊、前后擋板以及底板連接形成滑行通道，左右滑塊置于通道內部，可左、右滑移，并通過導桿和彈簧預緊，提供給夾體夾持力。底塊中心設有夾體底臺，用于放置夾體。已裝配好的長尾夾通過貼合的槽被夾持在左、右滑塊以及底臺中。

圖6 夾緊機構三維圖

頂開機構頭部部分如圖7 所示。該楔形頭部B是推送機構的前端，當氣缸作用時，將楔形頭部插入左右滑塊與底臺的間隙處，將滑塊頂開，夾緊裝置處于松弛狀態從而讓卸料與上料動作得以有效實現。當氣缸拉動頂開機構向后運動，楔形頭部退回，彈簧作用左、右滑塊重新夾緊，以此完成對夾體的夾緊與松開。

圖7 頂開機構(頭部部分)

2．2 夾緊機構的PLC 控制

控制系統采用上位機和下位機協調控制方式，控制系統通過PPI 協議實現現場控制與遠程管理的運行模式［10］。上位機實時監控整個自動裝配過程運行狀態。下位機為西門子公司的S7-200 系列單片機，與上位機通過PC/PPI 電纜相連，進行數據的傳輸。S7-200系列單片機通過中間繼電器驅動電磁閥，進而控制氣缸的動作。自動夾緊過程的控制總構成如圖8 所示。

圖8 自動夾緊裝置控制總圖

自動夾緊機構系統上電后，先對整個系統實行復位操作。使所有機構全處于初始位置，而后按下開始開關，系統運行。當夾體夾緊機構運送到位，氣缸伸出，推動頂開機構頂出，使夾緊機構處于松弛狀態，夾體上料，上料到位，氣缸縮回，等待下一次夾體夾緊機構運送到位。系統控制流程圖如圖9 所示。

圖9 系統控制流程圖

3 上料卸料同步裝置的仿真

3．1 氣缸運動數學模型的建立

該設計采用的氣缸為雙作用，即有兩個腔室，首先建立模型如圖10 所示。

圖10 氣缸動力學建模

根據恒定氣源壓力向有限容積絕熱充氣過程的熱力學分析［11］，得出如下能量方程:

kRTSdM=Vdp+kpdV

Qm1=dM/dt

代入可得:

式中:p1—進氣腔1 中的絕對壓力，K—空氣絕熱比，R—干空氣的氣體常數，TS—氣源溫度，Qm1—氣源經進氣通道進入進氣腔1 的質量流量，A1—進氣腔側活塞作用面積，X10—活塞起始坐標，X—活塞位移。

同理可得出排氣腔的方程為:

式中:T2—排氣腔2 中的溫度，;p2—排氣腔2 中的空氣絕對壓力;S—氣缸行程;A2—排氣腔側面活塞面積;X20—活塞終止坐標;Qm2—氣源經進氣通道進入排氣腔2 的質量流量;

根據牛頓第二定律，得活塞運動規律方程:

式中:M—活塞及氣缸驅動機構的質量，F—氣缸推動是所受到的負載。

上述公式中存在Qm1和Qm2，其數值用流量公式計算為:

式中:Ae—進、排氣管道系統有效面積，m2;b—臨界壓力比;TS—管系的上游溫度，K;ps，pe—管路的上游壓力和下游壓力，Pa。

3．2 氣缸運動仿真模型建立

上述式(1～6)為氣缸傳動系統的動特性數學模型，將式(5，6)代入式(2，3)，隨后在Simulink 平臺上搭建模型［12］，對于氣流聲速段和非聲速段的條件選擇，和微分方程的約束條件，都是采用Simulink 平臺上Switch 開關實現的。先給出運動仿真參數如表1所示。

表1 仿真運動參數表

其中，因裝配機構和上料卸料機構的F，M 和推出距離X 不相同，故本研究在計算式區別代入。特別指出p1和p2后標有仿真確定，其意思是p1和p2的值分別賦予101 325～202 650(單位:Pa);101 325～303 975(單位:Pa);101 325～405 300(單位:Pa)等值，再將其代入仿真模型，對比得出的最優值。在此不作對比，直接給出最優值。

對于上料卸料機構，其分為3 個階段，第一階段和第二階段由于前推板和后推板一起向前運動，故M =2．6 kg，而第三階段時，前推板被固定不動，則機構M變為后推板質量，故M=1．5 kg，即:

對于負載力，3 個階段各部相同，第一階段0 ＜X≤0．025，負載力為推動前推板后推板運動的力，安裝在氣缸上后，實測F =8 N，第二階段0．025 ＜X≤0．031，前推板頂開機構頂入夾緊機構，由靜力分析得出第二階段F 為20 N，此處簡化為F 從8 N 線性上升至20 N。而第三階段0．031 ＜X≤0．041，靜力學分析得F 最終為57 N，此處依舊簡化F 從20 N 線性上升至57 N，即: