大型注塑機合模部件自動化裝配設計

■ 寧波海天塑機集團有限公司 （浙江寧波 315800） 潘曉敏 俞 帥 張志峰 樂意豪

機械裝配質量的好壞對機器效能、修理工期、人力和成本等都有著非常大的影響。注塑機合模部件的傳統裝配工藝比較復雜，拉桿串裝至三大模板拉桿孔、調模螺母旋裝至拉桿長螺紋以及鎖軸沖裝至連桿組孔的一系列一體化裝配中，每個體系機構各不相同，裝配工位也不在一個維度，尤其是大型機更具裝配難度。

1. 合模部件自動化裝配專機設計

（1）拉桿串裝三大模板機構設計 大型注塑機的自動串裝機構以及串裝新工藝要考慮其拉桿全部屬于中大規格，存在直徑大、長度長、質量大等問題。

串裝機構設置于三大模板所在的串裝支座平臺的前方，設定Y、Z軸的滑臺作為移動支撐，通過兩軸移動產生的坐標位置變化進行拉桿與拉桿孔的對位。

將動力加載至串裝拉桿的軸向可有效解決軸向阻力大于徑向摩擦力的問題，將拉桿放置于一排V形滾輪上，設置推板沿X軸向拉桿端面前進。因為拉桿與三大模板拉桿孔需保持角度一致，所以拉桿串裝機構部分起始工位設置了一組5套有效段呈圓弧面仿形V形的軸承尼龍輪作為導向。通過三維模型仿形得出數值，能適應不同規格直徑的拉桿，并保持任何一個方向的徑向位置不變，最大程度地加大滾輪與拉桿的接觸面積，以保持穩定。獨創的仿形V形滾輪如圖1所示。

圖1 仿形V形滾輪

在做拉桿端面推動的設計時，由于拉桿最長超過6m，沒有長徑比足夠大的標準液壓缸來完成推動動作，因此我們研究了一種化整為零的方法，將原本一個推板的結構改為在整個串裝行程內均勻分布5個推板的結構，推板支座主體通過連接段將5組整體連接在X軸直線導軌上，每個推板機構上設置擺動氣缸來帶動各自的推板。通過選型調節，擺動氣缸通氣運行可以實現從0°～90°的快速擺動。工作前由擺動氣缸連接的推板呈抬起狀態，推板整體結構如圖2所示。如此布局后，在設計只取一套標準液壓缸的前提下，可通過PLC程序控制氣路與油路上的電子閥實現推動動作。

圖2 推板整體結構

將待裝拉桿放置于仿形V形滾輪組上，通過氣路電子閥起動最外側第一組擺動氣缸后，通過油路電子閥起動標準液壓缸，帶動第一推板推動拉桿端面進行串裝動作，直至液壓缸走完行程后歸位。然后依次起動5組推板配合液壓缸完成動作，利用第5個推板支座主體前的接力桿完成最后一推。此外，推板與拉桿端面接觸處均加裝尼龍塊，以保護拉桿端面在裝配過程中不受損傷。

為保證拉桿在兩個維度坐標系內移動時相對位置精確，最終選擇了一款裝入液壓缸活塞桿內部的位移傳感器（見圖3），可使液壓缸在行程內位置度可控。又由于平衡液壓缸就是標準液壓缸，直接省去了伺服電動機和滾珠絲杠，既能保證有效載荷，又能保證移動位置的重復精度。

圖3 位移傳感器

在確保坐標系的移動位置精度后，在串裝主平臺（見圖4）中間位置設計一組主動拖臺，Y、Z軸方向的動力分別來自Y、Z軸的位移傳感液壓缸，主動拖臺兩側則設計有從動拖臺，依靠移動拖臺連接板將一組主動拖臺和兩組從動拖臺進行有效連接，無論哪個軸位移，三組Y軸平移拖臺和Z軸上下拖臺都能保證同步。

為進一步提高串裝效率，在Y軸方向設計了串裝雙工位，對稱位于Y軸拖臺的兩面，可同時進行串裝與上料，互不干涉，成倍提高串裝效率，且雙工位共用整體移位，有助于增加移動過程的穩定性，提高重復定位精度。

雙工位在X軸方向分別設置了動力液壓缸，每個工位都可以單獨進行推板循環工作，從而實現一工位上料、一工位串裝同時進行的目的。

（2）調模螺母旋裝拉桿長螺紋機構設計 預設一組軸承托輪，可以滿足不同外徑規格調模螺母穩定自轉的要求，在后續螺紋旋裝裝配時，調模螺母與拉桿在徑向方向受力均勻，調模螺母及鎖軸裝配工作部分如圖5所示。

圖4 串裝主平臺結構

在動力傳遞方面，放棄可靠性差的摩擦傳動。由于所有規格的調模螺母在外圈中部全部設計有模數相同的齒輪，所以在預設的軸承滾輪組的另一側，設計一組由液壓馬達驅動的軸承支撐齒輪結構（下稱動力齒輪機構），通過一個主動齒輪帶動調模螺母中部齒輪轉動。根據不同調模螺母的齒數，調整液壓馬達的轉速，以保證旋裝的螺旋線速度。

調模螺母及鎖軸裝配整體系統如圖6所示，在動力齒輪機構下方設置一組垂直于滾輪軸線方向的直線導軌，并且根據不同齒數調模螺母齒輪與動力齒輪的有效嚙合位置，計算并在直線導軌之間設置相應的定位孔，以彈性便捷自插式定位銷（見圖7）進行定位配合。定位前限擋處于淺槽位置，定位銷處于懸空狀態（見圖8），此時動力齒輪機構可通過直線導軌任意移動。待移動到相應的定位孔前位置時，將限擋轉入深槽的位置，定位銷在彈簧作用下緊貼在孔口所處的橫向拖板上，然后繼續移動，擋銷孔同心時，定位銷將在彈簧作用下自動進入相應的定位孔，完美解決不同齒數嚙合定位的問題。

為了給后續裝配預留操作空間，在此基礎上沿拉桿軸向設置兩組有效行程是普通氣缸一倍的直線導軌，以盡可能節省空間，中心設置一套雙節活塞氣缸，活塞端固定于動力齒輪機構主拖板。

調模螺母自動旋裝至拉桿長螺紋指定段的自動化步驟為：調模螺母自轉后，起動雙節活塞氣缸，調模螺母旋裝并最終貼合在拉桿端面后再旋轉至多一圈；在氣缸推力的作用下，內螺紋會自行與外螺紋進行嚙合螺旋運動直至指定位置，導軌處設置的位移傳感器將信號傳輸至系統，系統同時停止液壓馬達與雙節活塞氣缸的運作；此時Z軸下行，使整個調模螺母裝配系統脫離已旋裝完畢的調模螺母，而后雙節活塞氣缸歸位，等待下個節拍。

圖5 調模螺母及鎖軸裝配工作部分

圖6 調模螺母及鎖軸裝配整體系統

圖7 彈性便捷自插式定位銷爆炸圖

在三大模板串裝底座平臺左右兩側均設計有三軸滑臺的基礎上，調模螺母自動旋裝系統雙工位可同時工作、互不干涉，效率成倍提升。

由于4個調模螺母旋裝完畢后需要為后續裝配留出空間，所以接力桿最后一推后，拉桿實際并沒有完全串裝到位，需要用接力桿接力。過程同樣是通過Y、Z軸位移傳感器和液壓缸在PLC程序控制下將接力桿對準拉桿端面中心，X軸的標準液壓缸進油，帶動接力桿將拉桿推至串裝完成工作位。至此，4根拉桿分別在推板和接力桿推動下依次穿過頭板、二板以及尾板的拉桿孔完成串裝。

圖8 定位銷懸空狀態

（3）沖裝鎖軸進連桿組孔 三大模板底座平臺結構如圖9所示，由于平臺上設有直線導軌，所以二板的相對位置不固定，導致連桿組孔的中心坐標位置不固定，一般會存在數十微米的同心度誤差，但由于連桿都呈一邊吊起狀態，因此可以通過沖裝，沿鎖軸導向將誤差修正。

通過研究，最后鎖定一款空氣沖擊錘，連續沖擊節拍非常高效，其原理如圖10所示。

沖裝系統采用與旋裝系統共用三軸滑臺的設計，能減少機構冗沉，節省成本。當三軸滑臺處于旋裝工作狀態時，沖裝機構在液壓馬達作用下沿旋轉軸轉至并保壓在旋裝機構后方。當三軸滑臺處于沖裝工作狀態時，旋裝機構返回工作原點，沖裝機構則在液壓馬達的作用下，沿旋轉軸轉至旋裝機構側方，沖裝機構主支架由液壓馬達保壓在Z軸平臺直角面上。

除了液壓馬達和主體支架，沖裝機構還由空氣沖擊錘、銅質導向套和分體沖擊桿組成。分體沖擊桿前端設有尼龍保護。

圖9 三大模板底座平臺結構

圖10 空氣沖擊錘原理

半自動鎖軸沖裝入連桿組孔的具體步驟為：①將鎖軸放置于主體支架的V形待裝工位上。②用手輪操縱器操縱三軸滑臺X、Y、Z軸，將鎖軸對齊連桿組孔中心并將倒角導入第一連桿孔口。③通過電子閥控制空氣沖擊錘起動沖擊分體，沖擊桿通過銅質導向套后沖擊位于主體支架上待命的鎖軸。④程序控制三軸滑臺的Y軸跟進沖裝中鎖軸的進度，當鎖軸穿過所有連桿孔且端面與連桿端面持平時，沖裝過程完畢。

實現半自動沖裝鎖軸至連桿組孔，相比較傳統裝配工藝優勢在于：①省去了吊起鎖軸進連桿孔口的步驟。②省去了“撞鐘”動作。③由于主體支架V形對鎖軸起了導向作用，避免了傳統工藝中裝配不正的風險。④相比較傳統裝配工藝更高效、更高質、更簡便且更安全可靠。

至此，三大自動裝配系統通過統籌規劃設計完成。整機結構鳥瞰如圖11所示。

2. 仿真運動設計

（1）裝配仿真需要滿足的條件 ①必須給出裝配序列規劃系統框架。②裝配模型中包含了各零件之間內在的以及隱含的約束關系，其表示方法的完備性是裝配序列生成的先決條件。③通過序列導航器，開始拆卸打開的組裝配體，按裝配工藝插入運動。④布局攝像視角與序列時間。

圖11 整機結構

（2）具體操作 NX仿真運動指令對話框如圖12所示。先打開“順序”選項，添加一個裝配動畫導航器對組件添加動畫。新建序列并設置關聯序列，通過插入運動命令下的選擇對象、移動對象、只移動手柄、矢量工具、手柄至WCS、運動記錄首選項、拆卸和攝像機等命令來建立整個運動動畫體系，最后利用裝配次序回放工具條完成動畫。

當組件發生移動時，可以檢查碰撞，自主選擇使用動態間隙檢查命令或選擇不檢查。如果希望系統提醒但不阻止，則選擇“高亮顯示碰撞”；如果希望系統阻止，則選擇“在碰撞之前停止”。如果發生碰撞，則選擇“確認碰撞”以繼續。

圖12 NX仿真運動指令對話框

裝配仿真是數字化裝配研究中的關鍵技術之一，能在產品的設計階段通過裝配過程的仿真實現數字化產品的預裝配，生動直觀地展示產品的可裝配性，驗證和改進產品的裝配工藝，降低后期時間與經濟成本。

3. 結語

綜上所述，自動化是未來制造業的努力方向，傳統裝配將向部件化裝配升級，未來這些經驗可以應用到各個部件化的自動化裝配中，提高公司的自動化進程。