多級(jí)缸機(jī)械裝配工藝裝置設(shè)計(jì)

邱紅亮，呂紅瑞，王江勇，李 青，王 瑋

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治046012）

0 引言

多級(jí)液壓缸，作為地面設(shè)備的關(guān)鍵部件，是地面設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、可靠起豎動(dòng)作的執(zhí)行元件，在整個(gè)武器系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。目前，多級(jí)液壓缸裝配手段落后，以人工操作為主，準(zhǔn)備和占用工位時(shí)間常，勞動(dòng)強(qiáng)度大；同時(shí)操作技能的高低影響裝配的質(zhì)量，質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性保證能力不足；而且，工藝指導(dǎo)性差，月生產(chǎn)當(dāng)量已不能滿(mǎn)足型號(hào)批產(chǎn)任務(wù)總需求，單件小批量的生產(chǎn)模式已無(wú)法適應(yīng)中小批量的生產(chǎn)。為了確保各相關(guān)型號(hào)產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，定型及批產(chǎn)任務(wù)順利進(jìn)行，確保型號(hào)產(chǎn)品裝配質(zhì)量要求，有必要改進(jìn)裝配技術(shù)，充分法發(fā)揮有限裝配資源的能效，提高裝配效率。因此，本文借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的裝缸的成功經(jīng)驗(yàn)，徹底打破現(xiàn)有的手工裝配模式，針對(duì)多級(jí)液壓缸制造全過(guò)程，提取共性裝配難點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了適合多級(jí)油缸機(jī)械裝配的工藝裝備，確保完成了對(duì)應(yīng)型號(hào)任務(wù)。

1 多級(jí)液壓缸簡(jiǎn)介

多級(jí)液壓缸結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上缸頭體，一級(jí)缸、二級(jí)缸、三級(jí)缸、四級(jí)缸、下缸頭體組成，各級(jí)缸體在正、反腔液壓油作用下逐級(jí)伸出或收回。

圖1 多級(jí)液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖

2 現(xiàn)有缸筒套裝工藝流程分析

目前，當(dāng)前多級(jí)液壓缸的裝配采用人工裝配為主，如圖2所示。多級(jí)液壓缸裝配固定一個(gè)工位，缸筒之間裝配主要是一端固定一級(jí)缸筒，另一端借助工藝?yán)瓧U，手動(dòng)擰緊螺母推進(jìn)下一級(jí)缸筒前進(jìn)。這種方法對(duì)中性差，裝配過(guò)程密封圈容易切圈現(xiàn)象，勞動(dòng)強(qiáng)度大，缸頭體裝配靠人工，如圖3所示。裝配過(guò)程中缸頭與缸筒對(duì)中性偏差，造成螺紋牙咬死使整個(gè)油缸報(bào)廢現(xiàn)象，此兩項(xiàng)為制約生產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題，如圖4所示。因此針對(duì)缸筒之間裝配與上缸頭體裝配問(wèn)題和難點(diǎn)，開(kāi)展多級(jí)液壓缸柔性自動(dòng)化裝配技術(shù)研究，通過(guò)確定多級(jí)液壓缸自動(dòng)裝配的適應(yīng)范圍、技術(shù)要求，制定工藝裝備的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)實(shí)施建模[1]等四個(gè)方面，開(kāi)展柔性自動(dòng)裝配工藝裝置的研制。

圖2 油缸缸筒裝配方法

圖3 油缸上缸頭體裝配圖

圖4 關(guān)鍵問(wèn)題梳理

3 多級(jí)液壓缸機(jī)械裝配工藝裝置設(shè)計(jì)

3.1 確定多級(jí)液壓缸自動(dòng)裝配的適應(yīng)范圍

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)普通液壓缸自動(dòng)化裝配現(xiàn)狀，結(jié)合我廠(chǎng)生產(chǎn)情況及總裝要求，查閱各型號(hào)液壓缸圖紙及裝配工藝，對(duì)多級(jí)液壓缸缸筒外徑、內(nèi)徑及長(zhǎng)度，活塞桿外徑及長(zhǎng)度等工藝參數(shù)進(jìn)行匯總分類(lèi)，確定液壓缸自動(dòng)裝配的適應(yīng)范圍，最大裝缸直徑385 mm，最長(zhǎng)長(zhǎng)度1 803 mm，各型號(hào)缸筒外形尺寸統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 各型號(hào)缸筒基本尺寸統(tǒng)計(jì)表

3.2 確定設(shè)計(jì)技術(shù)要求

（1）各級(jí)缸筒之間的同軸度0.01 mm，滿(mǎn)足自動(dòng)裝配定心要求；

（2）設(shè)備頂頭能夠準(zhǔn)確設(shè)定并顯示推力變化曲線(xiàn)，推力突變時(shí)，立即停止裝配，進(jìn)行拆卸，推力控制精度達(dá)到±10%；

（3）缸頭裝配時(shí)扭矩恒定，螺紋受力均勻，徑向間隙保持一致，擰緊力矩控制精度達(dá)到±10%；

（4）設(shè)備整體能夠用PLC控制自動(dòng)裝夾、定心、裝配、擰緊。

3.3 制定工藝裝備設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)了新的柔性裝配工藝裝置。該裝置主要有夾緊、推力、擰緊動(dòng)力系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn)加緊組件，行走機(jī)構(gòu)、架體等組成，如圖5所示。

圖5 多級(jí)缸裝配工藝裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

為解決缸筒與缸筒之間手工裝配工藝中對(duì)中性不好，裝配過(guò)程密封圈容易切圈現(xiàn)象，勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題設(shè)計(jì)了自動(dòng)對(duì)中對(duì)中方案：首先一級(jí)缸筒一端用自定心液壓中心架夾緊，另一端用事先調(diào)試好的與液壓中心架中心一致V型夾具夾緊，完成缸一級(jí)缸筒固定，然后軟爪自定心三爪卡盤(pán)固定固定二級(jí)缸筒，如圖6所示；以二級(jí)缸筒為基準(zhǔn)，起豎一級(jí)缸筒，過(guò)前進(jìn)后退缸筒實(shí)現(xiàn)對(duì)中，然后通過(guò)夾緊、推力、擰緊動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)下級(jí)缸筒進(jìn)入上級(jí)缸筒內(nèi)，如圖7所示最后旋轉(zhuǎn)缸頭體，完成多級(jí)缸的裝配[2]。

圖6 缸筒機(jī)械裝配示意圖

圖7 缸頭機(jī)械裝配示意圖

3.4 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

（1）翻轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖8所示，翻轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)有可調(diào)V型夾具、自定心中心架、回轉(zhuǎn)耳等組成，翻轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)能完成缸筒的夾緊與翻轉(zhuǎn)缸筒的功能，自動(dòng)定位夾緊后必須滿(mǎn)足缸筒本身軸線(xiàn)在水平，然后起豎到豎直，才能達(dá)到同軸度0.01 mm要求，所以采用液壓中心架來(lái)實(shí)現(xiàn)一級(jí)缸筒的夾緊，另一端采用可調(diào)V型夾具，首先調(diào)節(jié)V型與一級(jí)缸筒外壁接觸，然后采用可調(diào)高強(qiáng)度圓環(huán)鏈?zhǔn)站o裝置，用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈機(jī)構(gòu)[3]，從耐磨和抗拉強(qiáng)度都得到了提高，自定心中心架跨在架體的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，能滿(mǎn)足工藝提出的不同型號(hào)長(zhǎng)度缸筒的固定。

圖8 翻轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)示意圖

（2）行走機(jī)構(gòu)

如圖9所示，翻轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)由起豎油缸、移動(dòng)臺(tái)、推進(jìn)油缸等組成，翻轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)起豎到豎直后，在推進(jìn)油缸作用下使移動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)缸筒在燕尾槽型導(dǎo)軌前進(jìn)，為達(dá)到準(zhǔn)精度0.01 mm要求，二級(jí)缸筒軸線(xiàn)基準(zhǔn)已經(jīng)固定，通過(guò)反饋精確控制一級(jí)缸筒軸線(xiàn)與二級(jí)軸線(xiàn)重合。

圖9 行走機(jī)構(gòu)示意圖

（3）夾緊、推力、擰緊動(dòng)力系統(tǒng)

如圖10所示，該系統(tǒng)有馬達(dá)、伸縮油缸、液壓加緊裝置等組成，夾緊裝置為液壓三爪卡盤(pán)[2]，確保保證各級(jí)缸筒軸線(xiàn)的一致性，為確保機(jī)械裝配過(guò)程的可控性，防止切圈現(xiàn)象的發(fā)生，需對(duì)推力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用油缸加推力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)PLC編程控制，具備存貯和記憶功能，并能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)推力變化情況，并及時(shí)反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整，確保缸筒不被劃傷，保證機(jī)械化裝配的裝配成功率的要求。

圖10 夾緊、推力、擰緊動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

缸頭旋轉(zhuǎn)部件，采用馬達(dá)加扭矩傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)力矩的控制，缸頭與缸筒體擰緊時(shí)，缸頭旋轉(zhuǎn)角度和相對(duì)位置由伺服控制器發(fā)出的脈沖數(shù)決定，旋轉(zhuǎn)速度由脈沖的頻率決定，旋轉(zhuǎn)頭的控制方式由扭矩控制，PLC發(fā)送一個(gè)脈沖序列和一個(gè)方向信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換提供給馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)器接收馬達(dá)反饋信號(hào)，比較目標(biāo)位置，達(dá)到精確控制速度和位置及扭矩控制的目的，實(shí)現(xiàn)缸頭體和缸筒自動(dòng)裝配，保證缸頭與缸筒擰緊間隙一致，避免人工裝配過(guò)程中缸頭與缸筒對(duì)中性偏差，造成螺紋牙咬死使整個(gè)液壓缸報(bào)廢現(xiàn)象。

3.5 使用方法

（1）將油缸水平吊裝到翻轉(zhuǎn)機(jī)架上，根據(jù)不同油缸長(zhǎng)度調(diào)節(jié)抱緊機(jī)構(gòu)的夾緊間距，控制系統(tǒng)使抱緊機(jī)構(gòu)夾緊缸筒；

（2）將需要裝配的下級(jí)缸筒放到夾緊、推力、擰緊動(dòng)力系統(tǒng)上；

（3）控制翻轉(zhuǎn)油缸伸縮使翻轉(zhuǎn)機(jī)架豎直，并啟動(dòng)推進(jìn)油缸使缸頭體的軸線(xiàn)與缸筒軸線(xiàn)對(duì)中；

（4）通過(guò)液壓缸，使夾緊、推力、擰緊動(dòng)力系統(tǒng)向下移動(dòng)到合適的位置；

（5）控制使夾緊、推力、擰緊動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)缸筒下方移動(dòng)完成缸筒之間的裝配

（6）夾緊、推力、擰緊動(dòng)力系統(tǒng)松開(kāi)缸筒，回位

（7）將需要裝配的油缸缸頭體放置在缸頭擰緊動(dòng)力系統(tǒng)上；

（8）通過(guò)液壓缸，使缸頭擰緊動(dòng)力系統(tǒng)向下移動(dòng)到合適的位置；

（9）控制缸頭擰緊動(dòng)力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)缸頭體完成缸頭體與缸筒的裝配，控制扭矩防止咬死缸筒螺紋。

4 應(yīng)用情況

此設(shè)備在我廠(chǎng)液壓件投入使用以來(lái)，多級(jí)缸的裝配效率調(diào)高了3倍以上，裝配工時(shí)由80工時(shí)縮短到24工時(shí)，裝配人員的勞動(dòng)強(qiáng)度的大幅下降，裝配質(zhì)量也得到了提高，為我廠(chǎng)多級(jí)油缸的批產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有多級(jí)液壓缸手工裝配的特點(diǎn)及難點(diǎn)，通過(guò)確定多級(jí)液壓缸機(jī)械裝配工藝裝置的適應(yīng)范圍、技術(shù)要求，制定工藝裝置的設(shè)計(jì)方案，關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)四個(gè)方面開(kāi)展柔性自動(dòng)裝配工藝裝置的研制，并介紹了該裝置的使用方法，改變了一直以來(lái)人工裝配的模式，達(dá)到了提高效率和合格率的目的。