彈性擋圈和密封O圈自動化裝配裝置的研制*

于國強，董軍科，劉國強

(北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

液壓控制系統行業中液壓閥體、閥芯的密封O圈和彈性擋圈多采用手動套裝。彈性擋圈和密封O圈包括多種尺寸與材料。在同一位置裝配的彈性擋圈和密封O圈尺寸需匹配，不能重疊，位置有序。人員工作強度大、效率低，安裝時容易使彈性擋圈和密封O圈出現損壞或少裝及錯裝等現象，質量一致性差。或部分功能用機械來完成，在人員與機械交互中會存在安全隱患。為解決上述問題，筆者介紹一種用于多種尺寸的彈性擋圈和密封O圈自動化裝配的裝置，無需操作人員，減少工作強度，節省勞動力成本。裝配過程實現自動化，避免了少裝、錯裝等情況，提高了產品質量的一致性和生產效率。

1 裝配特點分析和自動化方案研究

1.1 彈性擋圈及密封O圈裝配特點分析

液壓閥體的密封O圈在受到高壓作用時，會從間隙間產生超出部分。為防止密封O圈超出，就要使用彈性擋圈。密封O圈擋圈在受到兩方作用力時，安裝在密封O圈兩側，只受到一方作用力時，在與壓力相反一側安裝1個彈性擋圈，如圖1所示。彈性擋圈的形狀有環形，斜裁狀和螺旋狀等三種。文中介紹的裝置主要是針對密封O圈和斜裁狀彈性擋圈的裝配[1]。

如圖2所示，密封O圈材料為橡膠，質地柔軟，彈性較大，定位比較困難，在套裝過程中容易產生切圈現象；彈性擋圈材料為聚四氟乙烯，具有良好的延伸率，機械性質較軟，具有非常低的表面能，撐開變形后很難恢復原有狀態[2]。

圖1 彈性擋圈及密封O圈裝配效果 圖2 彈性擋圈及密封O圈

目前是通過人工單個逐一裝配，操作人員先將彈性擋圈45°斜裁切口，然后將密封O圈套至閥體，再將彈性擋圈彎折展開套至閥體，最后將彈性擋圈手動緊固，完成一個閥體的套裝，整個過程需40 s左右時間。并且存在兩個問題，第一因為斜裁切口為特定角度45°，人工斜裁無法保證此角度在公差范圍內。第二由于彈性擋圈的材料特性，彎折后的彈性擋圈很難恢復原狀。

1.2 自動化方案研究

從彈性擋圈和密封O圈的裝配特點,分析彈性擋圈和密封O圈自動化裝配方案，該方案需要解決的難點分別為：①彈性擋圈和密封O圈裝配位置的準確；②減少閥體裝夾定位次數，實現裝夾一次完成不同高度位置的裝配；③彈性擋圈斜裁切口的合適角度；④自動化裝配裝置的控制系統工作原理；⑤彈性擋圈和密封O圈的定位方式。

通過參考人工裝配的生產方式，設計彈性擋圈斜裁緊固結構保證彈性擋圈切口角度固定，初步收緊程度適合。設計具有類似過渡導向的裝置，帶動彈性擋圈和密封O圈推擠進閥體安裝槽內，保證彈性擋圈和密封O圈與閥體保持同軸,且彈性擋圈和密封O圈裝夾方式要保證在推力下不會重疊或偏離原來位置。高度切換裝置，可以依次套裝閥體不同高度位置的彈性擋圈和密封O圈。漲緊裝置和過渡裝置應該保證彈性擋圈和密封O圈不重疊，不突出，避免彈性擋圈和密封O圈在裝配過程中被擠壓發生形變[3]。

考慮控制系統方法的簡化，此自動化裝置應當充足運用氣動元件帶動機械機構運動，利過氣缸導桿機構完成裝置的變位以及閥體的夾持，充分利用價格低廉的動力元件和電氣控制系統。

依照上述中彈性擋圈和密封O圈的裝配特點研究和裝配方案分析，設定自動化裝配方案流程見圖3。

圖3 自動化裝配方案流程

裝置通過閥體夾具定位裝夾一次，根據閥體的安裝槽高度尺寸選擇彈性擋圈和密封O圈自動化裝配裝置運行模式并啟動裝置，實現對閥體的變位動作，氣缸推動閥體安裝臺使彈性擋圈和密封O圈與閥體位置同軸實現下層彈性擋圈和密封O圈裝配，工作臺復位,然后根據高度位置，利用高度切換裝置使套圈組件與液壓閥體上用于安裝彈性擋圈的上層安裝槽的頂面平齊，可以依次套裝閥體另一高度位置的彈性擋圈和密封O圈。直到完成上下層的裝配，拆卸閥體，進行下一個閥體彈性擋圈和密封O圈的自動化裝配。

2 自動化裝配裝置結構設計

2.1 裝置結構和三維設計建模

為了實現自動化裝配閥體的彈性擋圈和密封O圈的功能,該裝置結構設計如圖4所示。

運用三維設計軟件SolidWorks 2021對閥體彈性擋圈和密封O圈自動化裝配裝置的結構進行三維建模。SolidWorks為設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段。

2.2 漲緊結構的設計

如圖5所示，漲緊機構使彈性擋圈和密封O圈初步定位，對彈性擋圈和密封O圈撐大作用。漲緊頭的外徑尺寸是彈性擋圈和密封O圈的內徑尺寸的1.1倍，在與過渡結構及閥體裝配時更容易。漲緊頭表面光滑，不會劃傷密封O圈。彈性擋圈和密封O圈在漲緊機構停留時間較短，所以不會對其造成塑性變形[4]。

圖4 裝置示意圖

2.3 斜裁緊固結構的設計

如圖6所示，斜裁緊固結構是通過氣缸帶動刀片進行固定角度45°移動，刀片伸出端結構預留凹槽，確保彈性擋圈完全切割。緊固結構是通過氣爪帶動具有多個不同凹糟的夾爪進行收緊移動，保證彈性擋圈初步收緊程度適合。

圖5 漲緊機構示意圖 圖6 斜裁緊固結構示意圖

2.4 過渡結構的設計

如圖7所示，過渡結構既要保證對彈性擋圈和密封O圈具有充足的支撐力度，又要防止已斜裁切口的彈性擋圈“撐大變形”，導致與閥體進一步裝配困難，甚至破壞彈性擋圈，運用階梯圓槽的結構，上層圓槽內徑較彈性擋圈內徑小1 mm，有效定位彈性擋圈和密封O圈的高度位置，下層圓槽內徑較彈性擋圈和密封O圈外徑大0.5 mm，保證彈性擋圈和密封O圈不重疊，不突出。而圓槽的方式又能避免彈性擋圈和密封O圈被擠壓變形。

2.5 高度切換結構的設計

如圖8所示，高度切換結構實現閥體高低不同位置的彈性擋圈和密封O圈一次性裝夾完成所有裝配。每次安裝完下層的彈性擋圈和密封O圈后，利用高度切換裝置切換設計的高度，使套圈組件與液壓閥體上用于安裝彈性擋圈的上層安裝槽的頂面平齊，可以再次套裝閥體另一高度位置的彈性擋圈和密封O圈。

圖7 過渡結構示意圖 圖8 高度切換結構示意圖

3 裝配裝置工作原理

液壓閥體的彈性擋圈和密封O圈自動化裝配裝置，先將密封O圈套在初定位在漲緊組件外側，再利用切圈組件先將閉環的彈性擋圈斜裁切開一個45°切口，利用修正緊固組件對彈性擋圈初次收緊，克服其彈性差的缺點，然后將彈性擋圈套在漲緊組件外側，使彈性擋圈和密封O圈預定位。再通過過渡套筒組件將彈性擋圈和密封O圈收納到階梯圓槽內。最后將上下有序的彈性擋圈和密封O圈經過推壓動作安裝至閥體正確位置，再利用高度切換裝置實現另一高度的彈性擋圈和密封O圈裝配，完成液壓閥體的彈性擋圈和密封O圈安裝，整個過程完全實現自動化裝配[5]。

4 實驗樣機制造

依照三維軟件的設計圖進行實驗樣機制造，如圖9所示。對實驗樣機進行功能進行工作測試，通過實驗結果驗證，裝置結構設計滿足自動化裝配功能。

圖9 樣機外觀圖

利用直徑22 mm彈性擋圈和密封O圈的閥體進行裝配，對設備性能驗證,結構中氣缸選用多種規格型號，設備氣壓設置為0.5 MPa，通過數次實驗得到表1所列數據。

表1 實驗數據

通過實驗數據發現，整個裝配過程需要20 s左右時間，合格率可達99%。并且不涉及人工操作，避免了少裝、漏裝、錯裝情況的發生，同時也提高了約50%工作效率。

5 結 論

彈性擋圈和密封O圈自動化裝配裝置的的研制表明：①在充分分析裝配工況及零件裝配特點和裝配方法基礎上，可以得到自動化裝配設計方案；②通過機械設計、機械原理，運用多種聯動機構裝置，實現閥體裝夾定位一次就能完成不同高度位置的彈性擋圈和密封O圈自動化裝配；③運用電氣系統和氣動元件控制原理降低裝置成本，結構設計合理，有較高的應用價值；④設計期間運用三維軟件進行建模設計，對設計結構進行干涉檢測，通過實驗樣機制造驗證實際效果，達到預期的自動化裝配功能。

通過實驗樣機制造驗證實際效果，對上述裝置增加潤滑組件作為結構改善，在密封O圈裝配前將其潤滑后再進行裝配，可以提高密封O圈的裝配質量。

彈性擋圈和密封O圈自動化裝配裝置普遍適用于液壓控制系統行業中液壓閥體、閥芯的不同尺寸的彈性擋圈和密封O圈裝配，具有較好的市場前景，可以面向市場推廣應用。