自動鉚接機的機械結構設計

聶永增

(廣東省技師學院，廣東 惠州 516100)

隨著勞動力成本的不斷提高，越來越多的企業關注工廠自動化這一領域，也給該行業帶來了發展商機。機械自動化設備的開發包含為客戶提供從方案、加工、組裝到調試的一體化解決方案。即從產品的構思→方案→建模→出圖→加工→組裝→調試，提供給客戶一整套的解決方案。在機械工程各環節中，機械設計是機械生產的第1步，應在各種限定的條件下進行設計優化，綜合考慮各項要求，包括最佳的工作性能、最少的制造成本和最低的能源消耗等[1]。

某企業專業生產和組裝五金制品，在生產過程中，一些零件的需求量非常大(以10萬件計)，零件緊固、密封和可置換性要求高。本文以該企業生產的精密接頭零件(見圖1)為例進行研究，要求裝配體中的上蓋與底座進行鉚接。

圖1 精密接頭零件圖

1 設計思路

該零件是自動化生產線中的重要零件，裝配工藝要求較高，其高要求主要體現在3個方面：一是緊固性要求高；二是零件變形控制要求高；三是可置換性要求高。相對而言，手工操作的成本高、產品一致性和穩定性差、生產效率低；利用工業機器人進行裝配，其自帶的視覺傳感系統可對零件進行識別，然后通過機械手進行裝配，省去了一些周邊設備，但成本高。

通過設計制作出一臺非標準自動化設備來完成裝配和鉚接動作，可確保緊固性要求、非裝配位置的尺寸和裝配件的穩定一致，提高生產效率，降低生產成本[2]。其機械設計邏輯思路如圖2所示。建模和仿真應用SolidWorks軟件完成。

圖2 機械設計邏輯思路

2 零件分析

本次裝配的零件屬于微小零件，底座和上蓋尺寸<10 mm，兩者之間采用過盈裝配。零件材質為Q235，w(C)=0.12%～0.22%，屬于低碳鋼，硬度為36～40 HRC。裝配截面圖如圖3所示，干涉厚度約為0.06 mm，裝配長度為2.4 mm。考慮到裝配動作不多，涉及零件只有3個，同時考慮合理利用空間及方便布局，本次選擇回轉式裝配機。

圖3 裝配截面圖

3 自動鉚接機的機械結構設計

為了確保整個機械構造結構緊湊，邏輯關系便于梳理，維修操作方便，整體設計如圖4所示。其機械結構包括底座送料機構、墊片送料機構、上蓋送料機構、分度盤機構、壓鉚機構、卸料機構和箱體等。

圖4 整體設計圖

3.1 自動送料機構的選擇

振動盤是一種自動組裝或自動加工機械的輔助送料設備，簡稱自動定向排序送料裝置，能夠對亂序的零件進行自動篩選和排序[3]，實物圖如圖5所示。可根據零件的尺寸來選擇不同尺寸的頂盤，頂盤尺寸為φ80～φ1 000 mm。本次設計的零件都是微小零件，底座和上蓋零件尺寸<10 mm，同時參考市場上振動盤的性價比，選擇頂盤尺寸為φ140 mm的振動盤輸送墊片，選擇頂盤尺寸為φ175 mm的振動盤輸送底座和上蓋。

圖5 振動盤實物圖

設計振動盤出料口與進料軌道位置如圖6所示，振動盤出料口與進料軌道對齊，并通過高度調節螺栓調整振動送料器與進料軌道的高度(通常振動器的出口高度要比軌道的進料口高度高出0.3 mm)。

圖6 振動盤出料口及進料軌道

墊片是精密接頭零件的裝配零件之一，厚度只有0.6 mm，外徑只有8.5 mm，輸送軌道設計如圖7所示。直線軌道長度為170 mm，實踐發現，僅僅依靠振動盤的力度，墊片會出現卡死現象，無法繼續前進，而通過增加直振器(見圖8)可解決墊片前進動力不足的問題[4]。

圖7 墊片(直振/鋼帶)輸送軌道

圖8 直振器實物圖

3.2 精密接頭零件裝配分度盤及回轉機構的設計

精密接頭零件的裝配有3個進料位，加上鉚接裝配工位和卸料位，分度盤至少有5個工位，考慮到制造及操作等更加方便，應再擴展1個工位；因此設計分度盤為6個工位，且旋轉方向為順時針方向[5]。

分度盤的間歇回轉需要選擇合適的控制機構。步進電動機回轉機構、氣動分度盤機構、棘輪棘爪機構和凸輪分割器是4種常見的回轉間歇機構，經對比(見表1)以及市場最新應用情況，選擇采用凸輪分割器及傳感器配合普通電動機來實現間歇控制功能[6]。設計分度盤如圖9所示。

表1 常用回轉間歇操作機構主要技術指標對比

圖9 設計分度盤

3.3 氣缸、氣液增壓缸的選擇及鉚合部分的設計

綜合考慮，3個進料位和1個卸料位采用適當的氣缸進行零件裝卸，4個工位共用到8個氣缸。前后運動采用標準型氣缸，上下運動為了避免干涉采用薄型氣缸[7](見圖10)。

圖10 氣缸的選擇

為保證鉚壓效果，將裝配工位設計為直壓型氣液增壓缸，以純氣壓源為動力，利用增壓器的大小活塞面積比，將低壓氣壓提高數十倍變為高壓油壓，達到高壓輸出的目的。一般來說，氣液增壓缸的行程較小，行程控制時應充分考慮和利用，避免出現限位無效的情況。形狀控制方面應確保鉚合的質量，而且不對裝配件造成干涉與損害。按照經驗，單邊留出0.05 mm作為零件放置的間隙，具體設計如圖11所示。

圖11 鉚合部分的機械設計

4 自動鉚接機機械構造的建模與裝配

自動鉚接機整個結構應用SolidWorks軟件設計、裝配和修改，以旋轉工作臺為中心，3條進料軌道平行放置，壓鉚工位設置在3條進料軌道對面，旋轉工作臺呈順時針旋轉，卸料工位位于壓鉚工位下一個位置。零件裝配時，準確裝配的關鍵是控制好自由度，包括線性尺寸、平行度、垂直度、同軸度及角度等[8]。當出現干涉時，首先應考慮裝配是否正確，排除裝配問題后，應對零件特征進行修改，直到合適為止。

上述對自動鉚接機各個系統進行了總體布置及機械結構設計，設備能夠滿足生產需要，結構簡單緊湊，性能可靠，組裝靈活，操作方便。后續還應進行電氣控制設計方面，即PLC硬件控制電路設計和PLC控制程序設計[9]，以及零配件的采購、裝配與調試，本文不再贅述。完成的設備如圖12所示，裝配成品如圖13所示。

圖12 全自動精密接頭零件裝配一體機設備圖

圖13 裝配成品圖

5 結語

應用自動鉚接機提高了精密接頭零件的裝配效率。該設備把應用于機械裝配控制系統相關的自動化技術融為一體，實現了快速連續自動裝配，避免了人工操作導致的部分鉚壓不到位、緊固性不好、裝配零件變形和裝配件穩定性不好等情況，減少了人工成本。裝配自動化今后將會向模塊化、柔性化和自動化等方面發展，以滿足多品種生產和自動化裝配要求[10]。

[1] 王志強. 非標機械設計在工廠中的應用[J]. 中國機械，2014(6):185-185.

[2] 李文廣. 淺談非標設備的設計與制造[J]. 化學工程與裝備，2010(10):106-107.

[3] 李洋. 淺談非標設計的標準化[J]. 中國機械, 2013(7):191-191.

[4] 許菁. 運用CAD技術進行非標設備模塊化設計[J]. 網友世界·云教育, 2013(Z3):46-47.

[5] 曹仁濤. 現代機械設計方法淺析[J]. 甘肅科技，2012(23):77-78.

[6] 吳修文，郭紅玉，何偉寧. 生產裝配線中氣動分度盤的設計[J]. 農業裝備與車輛工程，2009(1):42-44.

[7] 張萍. 機械設計基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[8] 蘇義. 基于現代化的機械裝配自動化應用及發展研究[J]. 電子測試，2015(10)：36-37.

[9] 鄭相周，唐國元. 機械系統虛擬樣機技術[M]. 北京：國防工業出版社，2007.

[10] 秦勇堅. 現代化機械裝配自動化的應用與發展[J]. 科技信息，2013(5)：137.