汽車輪轂軸承外圈組件自動裝配裝置的研制

張慶鱗，李成求，王強坤，王旭

(大連海事大學 船舶與海洋工程學院，遼寧 大連 116026)

0 引言

第三代汽車輪轂軸承在設計開發上取得了重大進步，多個功能部件集中到了軸承上，外圈上集成了連接轉向節(或懸架)的法蘭，高集成度可以減小質量和外形尺寸，提高可靠性[1]，但同樣也提高了軸承本身裝配的難度。軸承外圈與裝好滾動體的保持架裝配示意圖如圖1所示。由于外形結構復雜，目前國內大多數汽車軸承廠該裝配步驟仍然由人工進行。傳統人工裝配的效率低、勞動強度大，并且容易對軸承清潔度、精度造成影響使裝配質量不穩定。針對這一問題設計研發了一款可以適用于多個型號的汽車輪轂軸承自動裝配裝置，該裝置可以高效完成汽車輪轂軸承外圈與帶有滾動體保持架的裝配任務。

圖1 汽車輪轂軸承外圈組件裝配示意圖

1 裝配裝置機械結構設計與優化

1.1 裝置整體結構方案

汽車輪轂軸承外圈組件自動裝配裝置整體機械結構如圖2所示。包括翻轉供料機構、送料機構、輔助裝配工作臺、夾持機械手、xz軸直角坐標機器人和機架等六個部分。翻轉供料機構將帶有滾動體的保持架送至輔助裝配工作臺；直角坐標機器人帶動夾持機械手夾取軸承外圈后，水平移動到第一個裝配工位上方后，豎直移動下壓裝上第一個帶有滾動體的保持架；軸承外圈翻轉180°同時水平移動到第二個裝配工位上方，豎直移動下壓將第二個帶有滾動體的保持架裝入，完成裝配后的軸承外圈組件將被送至指定位置，再由送料機構使用氣缸帶動擋板，將裝配完成的軸承外圈組件送至下一工位[2]。

圖2 裝配裝置整體結構示意圖

1.2 主要機構設計

1)xz軸直角坐標機器人

裝配過程主要是以直線運動為主，各個運動軸通常對應直角坐標系中的x軸、y軸和z軸，一般x軸和y軸是水平面內運動軸，z軸是上下運動軸；直角坐標機器人具有工作行程大、負載能力強、高效率、高精度、成本低等優點，廣泛應用于多種行業[3]。針對該裝配任務要求及現場空間位置限制，選定機器人的形式為二維xz軸直角坐標機器人。采用的搭建方式為懸臂式，如圖3所示。兩軸直線運動均采用滾珠絲杠直線模組，由單獨的伺服電機驅動，單軸的重復定位精度為±0.01 mm，直線運動速度最快為3 000 mm/s。

圖3 xz軸直角坐標機器人結構示意圖

2)夾持機械手

夾持機械手結構如圖4所示，包括夾持構件和翻轉構件兩部分。夾持構件由薄型平開氣缸、夾板、拉環快鎖插銷、夾塊和支撐板組成。利用拉環快鎖插銷將夾塊和支撐板固定在夾板上，可以方便更換和維護。薄型平開氣缸將夾緊力傳遞給夾板，兩夾塊在夾板帶動下完成對輪轂軸承外圈的夾持，夾板下方有一對月牙形支撐板，其內徑等于夾持部位外徑，該支撐板能有效地輔助夾持輪轂軸承外圈，同時能夠防止其脫落。

翻轉構件主要由翻轉氣缸、翻轉軸座、翻轉軸和轉接板組成。使用翻轉氣缸帶動夾持構件，由于翻轉氣缸所能承受的彎矩有限，直接將夾持構件連接到翻轉氣缸上，會使夾持構件自重所產生的彎矩作用到翻轉氣缸上，翻轉氣缸長時間承受轉矩工作將會縮短使用壽命。為了避免翻轉氣缸承受彎矩，使用翻轉軸座代替翻轉氣缸承受彎矩。圖4中翻轉氣缸將旋轉運動傳遞給翻轉軸，翻轉軸與夾持構件通過法蘭盤相連接，將旋轉運動傳遞給夾持構件；其中夾持構件所產生的彎矩將由翻轉軸座承受，再利用轉接板將整個夾持機械手固定到z軸移動絲杠上。

圖4 夾持機械手結構示意圖

3)輔助裝配工作臺

為了使汽車輪轂軸承外圈更好地固定住保持架，在軸承外圈設計了環形定位凸臺。該凸臺能夠在不使用其他零件的情況下固定住保持架位置，使保持架不能自由移動，但也使帶有滾動體的保持架的最大直徑大于環形定位凸臺的內徑，所以保持架需要在裝入過程中產生變形收縮才能順利完成裝配。據此設計了輔助裝配工作臺如圖5所示，該裝配工作臺可使保持架在受到輕微擠壓后便可以產生足夠變形，完成裝配動作。

圖5 輔助裝配工作臺結構示意圖

供料翻轉機構將帶有滾動體的保持架送至輔助裝配工作臺，裝配擠壓過程可分為以下兩個步驟。第一步，帶有滾動體的保持架初始狀態由彈簧1頂起，傾斜放置；夾持機械手夾持輪轂軸承外圈沿z軸下移；由彈簧1支撐起的帶有滾動體的保持架一端先裝入輪轂軸承外圈。這一過程由于帶有滾動體的保持架是傾斜放置，并且球體本身十分光滑，可以自動調節自身的位置，故不需要擠壓力也可以順利完成；第二步，當帶有滾動體的保持架一端裝入后，夾持機械手繼續向下移動，將會克服彈簧1的彈力，使帶有滾動體的保持架發生由傾斜向水平運動的趨勢，同時導向軸向下移動擠壓彈簧2，彈簧2提供的向上的擠壓力會逐步增加，使保持架發生足夠的變形，最終完成裝配。

1.3 關鍵機構優化

1)翻轉供料機構缺陷

帶有滾動體的保持架供料任務由翻轉氣缸和兩個蟹形平開氣缸帶動的兩對夾爪實現。夾爪夾持住帶有滾動體的保持架后，再由翻轉氣缸帶動夾爪旋轉180°，到達輔助裝配工作臺的正上方；松開夾爪后，帶有滾動體的保持架下落到輔助裝配工作臺，完成供料后翻轉供料機構復位，等待進行下一輪供料。翻轉供料機構結構如圖6所示。

圖6 翻轉供料機構結構示意圖

翻轉氣缸提供恒定轉矩，使翻轉機構從0°運動到180°；翻轉機構偏心質量較大，在0°～90°翻轉過程中，偏心質量做負功阻礙翻轉運動；90°～180°翻轉過程中，偏心質量做正功加速翻轉。翻轉供料機構運動簡圖如圖7所示。為簡化分析過程，忽略轉軸的摩擦力矩，根據轉動剛體定律可分別得到在0°～90°和90°～180°翻轉時力矩平衡方程為：

T-m1gr1cosθ=J1α

(1)

T+m1gr1|cosθ|=J1α

(2)

式中：J1為翻轉機械爪轉動慣量；α為質心角加速度；T為翻轉氣缸輸出轉矩；m1為偏心質量；r1為偏心距；θ為翻轉角度。

由于翻轉機構偏心質量的影響，0°～90°翻轉啟動緩慢，90 °～180 °加速翻轉，故該翻轉供料機構整體運動不平穩；同時運動行程末端角速度過大，會產生較大沖擊，頻繁的沖擊會降低機構使用壽命?；谝陨蟽蓚€缺點對現有機構進行優化。

圖7 翻轉機構運動簡圖

2)機構優化方案

依據翻轉供料機構現有布局，優化方式為添加平衡裝置，平衡現有機構的偏心質量。如圖8所示，翻轉軸通過鍵槽與鏈輪相連，鏈輪帶動鏈條將翻轉運動傳遞給平衡塊。從0°運動到180°時，翻轉機械爪的偏心質量先做負功后做正功；平衡塊將先做正功后做負功，正好與翻轉機械爪的偏心質量互相平衡，機構運動簡圖如圖9所示。現設定平衡塊質量大于翻轉機械爪的偏心質量，其作用在于，當翻轉運動啟動時平衡塊多出的質量可以提高翻轉加速度；運動到末端時降低翻轉加速度。平衡塊質量有上限,當翻轉機構運動到180°時，平衡塊質量產生的轉矩小于翻轉氣缸和翻轉機械爪的偏心質量所產生的轉矩之和，其表達式為

m1gr1+T≥m2gr2

(3)

式中：m2為平衡塊偏心質量；r2為平衡塊偏心距。根據現場設備布局設定r2=2r1，可得到平衡塊質量m2。

圖8 翻轉供料機構優化后結構示意圖

圖9 翻轉機構優化后運動簡圖

3)動力學分析驗證可行性

Adams軟件有強大的動力學解算器，但是實體建模功能薄弱。本文采用三維造型軟件Solidworks對翻轉機構進行適當簡化，并利用Solidworks與Adams軟件接口，將機構模型導入Adams中。幾何模型建立好后便可以對模型施加運動副和運動約束。在相應的轉動關節處施加Revolute副約束；基座和大地間采用Fixed副來固定[4]。翻轉機構從0°運動到180°，需要對其轉動副建立角度測量，并對角度測量建立傳感器，使得運動在角度超過180°時終止仿真。建立的仿真分析模型如圖10所示。

圖10 Adams仿真模型示意圖

利用Adams分別對不加平衡塊和加入平衡塊的翻轉機構進行仿真，翻轉機構質心處的角加速度和角速度隨時間變化曲線如圖11所示。從圖11(a)中可以看出相較于無平衡塊的翻轉機構，有平衡塊的翻轉機構在運動初期角加速度大，隨著翻轉運動的進行，角加速度逐漸減小，達到行程末端趨近于0；從圖11(b)中可以看出有平衡塊的翻轉機構到達末端的速度小于無平衡塊的翻轉機構，并且有平衡塊的翻轉機構翻轉過程速度變化相對平緩。依據動量定理，到達末端的速度越小，則所產生的沖擊力越小。故通過仿真驗證了該機構優化符合預期目標。

圖11 翻轉機構質心角加速度與角速度隨時間變化曲線

2 控制系統

汽車輪轂軸承外圈組件自動裝配裝置的控制系統結構如圖12所示，主要包括信號輸入單元、核心控制單元、執行單元和人機交互觸摸屏。

信號輸入單元中磁性開關用于判斷氣缸的位置以及對直角坐標機器人x軸、z軸限位；按鈕開關用于控制電路的啟動、停止；光電傳感器判斷帶有滾動體的保持架和輪轂軸承外圈是否在所需位置；氣源壓力表用于監控機構整體氣壓是否滿足預設需求；安全光幕用于防止操作工人身體部位誤觸到設備內部。核心控制單元采用可編程控制器(PLC)，其結構緊湊，通信方便，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各執行單元。執行單元包括伺服電機和氣缸，PLC通過定位指令來輸出脈沖控制電機的運行，同時伺服電機上的編碼器將實時位置信號反饋給PLC，實現閉環控制，保證在x軸、z軸上的準確位移；電磁閥接收自PLC發出的電信號，控制氣缸進行相應動作。觸摸屏的主要功能是在系統運行時，實時顯示直角坐標機器人的運行狀態、位置坐標、各機構所處位置、裝配完成數量等，在系統出現錯誤時觸摸屏上會提醒有相應錯誤代碼[5]。

圖12 控制系統結構示意圖

3 應用運行試驗

將裝置應用到企業實際生產線中，如圖13所示。對汽車軸承外圈及裝好滾動體的保持架裝配工作進行200組裝配試驗。試驗結果：裝配機每13s便可完成一次裝配，滿足企業要求的15s，并且裝配成功率為100%，生產效率相較于人工提高了44%。該裝配裝置的精度、效率和穩定性均能滿足企業實際生產要求。

圖13 裝配裝置實際生產示意圖

4 結語

通過對汽車輪轂軸承外圈組件的研究，設計了一款全自動裝配裝置。該裝置利用交流伺服電機作為主驅動，能夠實現精準的位置控制；夾持機械手能夠準確、穩定地夾持住工件；輔助裝配工作臺使保持架在受到極小的擠壓力下產生足夠的變形，幫助裝置順利完成裝配；利用Adams對優化后的翻轉供料機構進行仿真分析，證明優化后的機構滿足預期目標。該裝配裝置已順利投入生產中，設備成功的應用使企業降低了人力成本、提高工作效率和裝配質量，同時也為汽車領域中的其他企業生產方式升級提供了參考。