大型注塑機(jī)合模部件自動(dòng)化裝配設(shè)計(jì)

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

機(jī)械裝配質(zhì)量的好壞對(duì)機(jī)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(jī)合模部件的傳統(tǒng)裝配工藝比較復(fù)雜，拉桿串裝至三大模板拉桿孔、調(diào)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(gè)體系機(jī)構(gòu)各不相同，裝配工位也不在一個(gè)維度，尤其是大型機(jī)更具裝配難度。

1. 合模部件自動(dòng)化裝配專機(jī)設(shè)計(jì)

（1）拉桿串裝三大模板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 大型注塑機(jī)的自動(dòng)串裝機(jī)構(gòu)以及串裝新工藝要考慮其拉桿全部屬于中大規(guī)格，存在直徑大、長度長、質(zhì)量大等問題。

串裝機(jī)構(gòu)設(shè)置于三大模板所在的串裝支座平臺(tái)的前方，設(shè)定Y、Z軸的滑臺(tái)作為移動(dòng)支撐，通過兩軸移動(dòng)產(chǎn)生的坐標(biāo)位置變化進(jìn)行拉桿與拉桿孔的對(duì)位。

將動(dòng)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(shè)置推板沿X軸向拉桿端面前進(jìn)。因?yàn)槔瓧U與三大模板拉桿孔需保持角度一致，所以拉桿串裝機(jī)構(gòu)部分起始工位設(shè)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(dǎo)向。通過三維模型仿形得出數(shù)值，能適應(yīng)不同規(guī)格直徑的拉桿，并保持任何一個(gè)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(wěn)定。獨(dú)創(chuàng)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(dòng)的設(shè)計(jì)時(shí)，由于拉桿最長超過6m，沒有長徑比足夠大的標(biāo)準(zhǔn)液壓缸來完成推動(dòng)動(dòng)作，因此我們研究了一種化整為零的方法，將原本一個(gè)推板的結(jié)構(gòu)改為在整個(gè)串裝行程內(nèi)均勻分布5個(gè)推板的結(jié)構(gòu)，推板支座主體通過連接段將5組整體連接在X軸直線導(dǎo)軌上，每個(gè)推板機(jī)構(gòu)上設(shè)置擺動(dòng)氣缸來帶動(dòng)各自的推板。通過選型調(diào)節(jié)，擺動(dòng)氣缸通氣運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)從0°～90°的快速擺動(dòng)。工作前由擺動(dòng)氣缸連接的推板呈抬起狀態(tài)，推板整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。如此布局后，在設(shè)計(jì)只取一套標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)推動(dòng)動(dòng)作。

圖2 推板整體結(jié)構(gòu)

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(dòng)最外側(cè)第一組擺動(dòng)氣缸后，通過油路電子閥起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，帶動(dòng)第一推板推動(dòng)拉桿端面進(jìn)行串裝動(dòng)作，直至液壓缸走完行程后歸位。然后依次起動(dòng)5組推板配合液壓缸完成動(dòng)作，利用第5個(gè)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(hù)拉桿端面在裝配過程中不受損傷。

為保證拉桿在兩個(gè)維度坐標(biāo)系內(nèi)移動(dòng)時(shí)相對(duì)位置精確，最終選擇了一款裝入液壓缸活塞桿內(nèi)部的位移傳感器（見圖3），可使液壓缸在行程內(nèi)位置度可控。又由于平衡液壓缸就是標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，直接省去了伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠，既能保證有效載荷，又能保證移動(dòng)位置的重復(fù)精度。

圖3 位移傳感器

在確保坐標(biāo)系的移動(dòng)位置精度后，在串裝主平臺(tái)（見圖4）中間位置設(shè)計(jì)一組主動(dòng)拖臺(tái)，Y、Z軸方向的動(dòng)力分別來自Y、Z軸的位移傳感液壓缸，主動(dòng)拖臺(tái)兩側(cè)則設(shè)計(jì)有從動(dòng)拖臺(tái)，依靠移動(dòng)拖臺(tái)連接板將一組主動(dòng)拖臺(tái)和兩組從動(dòng)拖臺(tái)進(jìn)行有效連接，無論哪個(gè)軸位移，三組Y軸平移拖臺(tái)和Z軸上下拖臺(tái)都能保證同步。

為進(jìn)一步提高串裝效率，在Y軸方向設(shè)計(jì)了串裝雙工位，對(duì)稱位于Y軸拖臺(tái)的兩面，可同時(shí)進(jìn)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(dòng)過程的穩(wěn)定性，提高重復(fù)定位精度。

雙工位在X軸方向分別設(shè)置了動(dòng)力液壓缸，每個(gè)工位都可以單獨(dú)進(jìn)行推板循環(huán)工作，從而實(shí)現(xiàn)一工位上料、一工位串裝同時(shí)進(jìn)行的目的。

（2）調(diào)模螺母旋裝拉桿長螺紋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 預(yù)設(shè)一組軸承托輪，可以滿足不同外徑規(guī)格調(diào)模螺母穩(wěn)定自轉(zhuǎn)的要求，在后續(xù)螺紋旋裝裝配時(shí)，調(diào)模螺母與拉桿在徑向方向受力均勻，調(diào)模螺母及鎖軸裝配工作部分如圖5所示。

圖4 串裝主平臺(tái)結(jié)構(gòu)

在動(dòng)力傳遞方面，放棄可靠性差的摩擦傳動(dòng)。由于所有規(guī)格的調(diào)模螺母在外圈中部全部設(shè)計(jì)有模數(shù)相同的齒輪，所以在預(yù)設(shè)的軸承滾輪組的另一側(cè)，設(shè)計(jì)一組由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的軸承支撐齒輪結(jié)構(gòu)（下稱動(dòng)力齒輪機(jī)構(gòu)），通過一個(gè)主動(dòng)齒輪帶動(dòng)調(diào)模螺母中部齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)不同調(diào)模螺母的齒數(shù)，調(diào)整液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，以保證旋裝的螺旋線速度。

調(diào)模螺母及鎖軸裝配整體系統(tǒng)如圖6所示，在動(dòng)力齒輪機(jī)構(gòu)下方設(shè)置一組垂直于滾輪軸線方向的直線導(dǎo)軌，并且根據(jù)不同齒數(shù)調(diào)模螺母齒輪與動(dòng)力齒輪的有效嚙合位置，計(jì)算并在直線導(dǎo)軌之間設(shè)置相應(yīng)的定位孔，以彈性便捷自插式定位銷（見圖7）進(jìn)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(tài)（見圖8），此時(shí)動(dòng)力齒輪機(jī)構(gòu)可通過直線導(dǎo)軌任意移動(dòng)。待移動(dòng)到相應(yīng)的定位孔前位置時(shí)，將限擋轉(zhuǎn)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(xù)移動(dòng)，擋銷孔同心時(shí)，定位銷將在彈簧作用下自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)的定位孔，完美解決不同齒數(shù)嚙合定位的問題。

為了給后續(xù)裝配預(yù)留操作空間，在此基礎(chǔ)上沿拉桿軸向設(shè)置兩組有效行程是普通氣缸一倍的直線導(dǎo)軌，以盡可能節(jié)省空間，中心設(shè)置一套雙節(jié)活塞氣缸，活塞端固定于動(dòng)力齒輪機(jī)構(gòu)主拖板。

調(diào)模螺母自動(dòng)旋裝至拉桿長螺紋指定段的自動(dòng)化步驟為：調(diào)模螺母自轉(zhuǎn)后，起動(dòng)雙節(jié)活塞氣缸，調(diào)模螺母旋裝并最終貼合在拉桿端面后再旋轉(zhuǎn)至多一圈；在氣缸推力的作用下，內(nèi)螺紋會(huì)自行與外螺紋進(jìn)行嚙合螺旋運(yùn)動(dòng)直至指定位置，導(dǎo)軌處設(shè)置的位移傳感器將信號(hào)傳輸至系統(tǒng)，系統(tǒng)同時(shí)停止液壓馬達(dá)與雙節(jié)活塞氣缸的運(yùn)作；此時(shí)Z軸下行，使整個(gè)調(diào)模螺母裝配系統(tǒng)脫離已旋裝完畢的調(diào)模螺母，而后雙節(jié)活塞氣缸歸位，等待下個(gè)節(jié)拍。

圖5 調(diào)模螺母及鎖軸裝配工作部分

圖6 調(diào)模螺母及鎖軸裝配整體系統(tǒng)

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(tái)左右兩側(cè)均設(shè)計(jì)有三軸滑臺(tái)的基礎(chǔ)上，調(diào)模螺母自動(dòng)旋裝系統(tǒng)雙工位可同時(shí)工作、互不干涉，效率成倍提升。

由于4個(gè)調(diào)模螺母旋裝完畢后需要為后續(xù)裝配留出空間，所以接力桿最后一推后，拉桿實(shí)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(duì)準(zhǔn)拉桿端面中心，X軸的標(biāo)準(zhǔn)液壓缸進(jìn)油，帶動(dòng)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(dòng)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(tài)

（3）沖裝鎖軸進(jìn)連桿組孔 三大模板底座平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖9所示，由于平臺(tái)上設(shè)有直線導(dǎo)軌，所以二板的相對(duì)位置不固定，導(dǎo)致連桿組孔的中心坐標(biāo)位置不固定，一般會(huì)存在數(shù)十微米的同心度誤差，但由于連桿都呈一邊吊起狀態(tài)，因此可以通過沖裝，沿鎖軸導(dǎo)向?qū)⒄`差修正。

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

沖裝系統(tǒng)采用與旋裝系統(tǒng)共用三軸滑臺(tái)的設(shè)計(jì)，能減少機(jī)構(gòu)冗沉，節(jié)省成本。當(dāng)三軸滑臺(tái)處于旋裝工作狀態(tài)時(shí)，沖裝機(jī)構(gòu)在液壓馬達(dá)作用下沿旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)至并保壓在旋裝機(jī)構(gòu)后方。當(dāng)三軸滑臺(tái)處于沖裝工作狀態(tài)時(shí)，旋裝機(jī)構(gòu)返回工作原點(diǎn)，沖裝機(jī)構(gòu)則在液壓馬達(dá)的作用下，沿旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)至旋裝機(jī)構(gòu)側(cè)方，沖裝機(jī)構(gòu)主支架由液壓馬達(dá)保壓在Z軸平臺(tái)直角面上。

除了液壓馬達(dá)和主體支架，沖裝機(jī)構(gòu)還由空氣沖擊錘、銅質(zhì)導(dǎo)向套和分體沖擊桿組成。分體沖擊桿前端設(shè)有尼龍保護(hù)。

圖9 三大模板底座平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖10 空氣沖擊錘原理

半自動(dòng)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(tái)X、Y、Z軸，將鎖軸對(duì)齊連桿組孔中心并將倒角導(dǎo)入第一連桿孔口。③通過電子閥控制空氣沖擊錘起動(dòng)沖擊分體，沖擊桿通過銅質(zhì)導(dǎo)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(tái)的Y軸跟進(jìn)沖裝中鎖軸的進(jìn)度，當(dāng)鎖軸穿過所有連桿孔且端面與連桿端面持平時(shí)，沖裝過程完畢。

實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)沖裝鎖軸至連桿組孔，相比較傳統(tǒng)裝配工藝優(yōu)勢在于：①省去了吊起鎖軸進(jìn)連桿孔口的步驟。②省去了“撞鐘”動(dòng)作。③由于主體支架V形對(duì)鎖軸起了導(dǎo)向作用，避免了傳統(tǒng)工藝中裝配不正的風(fēng)險(xiǎn)。④相比較傳統(tǒng)裝配工藝更高效、更高質(zhì)、更簡便且更安全可靠。

至此，三大自動(dòng)裝配系統(tǒng)通過統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)完成。整機(jī)結(jié)構(gòu)鳥瞰如圖11所示。

2. 仿真運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）裝配仿真需要滿足的條件 ①必須給出裝配序列規(guī)劃系統(tǒng)框架。②裝配模型中包含了各零件之間內(nèi)在的以及隱含的約束關(guān)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(dǎo)航器，開始拆卸打開的組裝配體，按裝配工藝插入運(yùn)動(dòng)。④布局?jǐn)z像視角與序列時(shí)間。

圖11 整機(jī)結(jié)構(gòu)

（2）具體操作 NX仿真運(yùn)動(dòng)指令對(duì)話框如圖12所示。先打開“順序”選項(xiàng)，添加一個(gè)裝配動(dòng)畫導(dǎo)航器對(duì)組件添加動(dòng)畫。新建序列并設(shè)置關(guān)聯(lián)序列，通過插入運(yùn)動(dòng)命令下的選擇對(duì)象、移動(dòng)對(duì)象、只移動(dòng)手柄、矢量工具、手柄至WCS、運(yùn)動(dòng)記錄首選項(xiàng)、拆卸和攝像機(jī)等命令來建立整個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫體系，最后利用裝配次序回放工具條完成動(dòng)畫。

當(dāng)組件發(fā)生移動(dòng)時(shí)，可以檢查碰撞，自主選擇使用動(dòng)態(tài)間隙檢查命令或選擇不檢查。如果希望系統(tǒng)提醒但不阻止，則選擇“高亮顯示碰撞”；如果希望系統(tǒng)阻止，則選擇“在碰撞之前停止”。如果發(fā)生碰撞，則選擇“確認(rèn)碰撞”以繼續(xù)。

圖12 NX仿真運(yùn)動(dòng)指令對(duì)話框

裝配仿真是數(shù)字化裝配研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一，能在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段通過裝配過程的仿真實(shí)現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品的預(yù)裝配，生動(dòng)直觀地展示產(chǎn)品的可裝配性，驗(yàn)證和改進(jìn)產(chǎn)品的裝配工藝，降低后期時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。

3. 結(jié)語

綜上所述，自動(dòng)化是未來制造業(yè)的努力方向，傳統(tǒng)裝配將向部件化裝配升級(jí)，未來這些經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用到各個(gè)部件化的自動(dòng)化裝配中，提高公司的自動(dòng)化進(jìn)程。