衛生陶瓷全包連體坐便器及智能坐便器通用氣動夾具的研究*

孫 巖 杜偉建 邊久貴

(惠達衛浴股份有限公司 河北 唐山 063000)

傳統的衛生陶瓷生產模式在生產過程中涉及到多次人工搬運產品,目前較為先進的企業采用自動化流水線的生產模式,通過流水線自動運輸來減少搬運次數,但部分工序無法用輸送線完成對接,比如在燒成工序中,未經燒制的坯體自流水線到窯車的過程,以及燒制完成的產品自窯車到流水線的過程輸送線工序。

未經燒制的衛生陶瓷白坯強度低(以下簡稱“白坯”),搬運過程中容易造成產品破損,尤其全包連體坐便器和智能坐便器產品,自身體積大、質量重對搬運人員的體能消耗大,且該類產品附加值較高,人工搬運過程中產生的破損也給衛生陶瓷生產企業造成了一定的經濟損失。

坐便器類生產線存在按訂單生產同時在線生產的情況,規格型號很多,坐便器本身表面不規則,尺寸變化大,給通用型夾具的研究造成了一定的困難。

目前行業內現有的通用型夾具多由人工操作,根據不同的型號選取不同的角度或者夾持點位進行輔助搬運工作,均不能做到配套自動化產品搬運。另外一種自動化搬運采用貨叉類插入坐便器底部,結構簡單,但在將坯體放上窯車時需要在棚板上方鋪設較厚的塑料泡沫以保證叉子抽出,耗材較多對環境不友好。因此研發一種提高工作效率、減少半成品破損、適應自動化搬運、兼容性大、可靠性強、對環境影響小的坐便器通用夾具是有實際意義的。

1 夾持方案

1.1 夾持點選擇

因需要適應的品類較多,在運動過程中需要保證夾持的平穩,放置需保持與坐便器底部水平,避免白坯因單角著地造成破損,選用夾持落地面的外表面位置由圖1可知,所有的坐便器主視圖兩側全包面均與水平面存在夾角α,該面較大且平滑,適合夾持,考慮全包類坐便器的單吃面強度低,因此夾持點選在靠近坐圈距離較近的強度較高位置。

圖1 夾持點選擇

1.2 夾具適應范圍

筆者所探討的為各類典型的全包連體坐便器和智能坐便器,具體分類如圖2、圖3所示。

圖2 全包連體坐便器

圖3 智能坐便器

1.3 夾持點受力分析

以重量較大、夾持面上下較為垂直的B類全包連體坐便器為例進行分析,對夾具直接對坐便器的作用力進行分解,如圖4所示。

圖4 夾具直接對坐便器的作用力分解

在給坐便器兩側施加垂直于接觸面的力F 后,根據直角坐標力的分解模型,因坐便器側面存在傾斜角度會產生豎直向上的分力F1和水平的分力F2,其中F1具有向上提升坐便器的趨勢。

另外在夾具有向上運動的趨勢時,在夾具與坐便器之間F的作用下,產生摩擦力f,對摩擦力f分解,如圖5所示。

圖5 摩擦力f分解

摩擦力f分解為豎直向上的分力f1和水平的分力f2,其中f1具有向上提升坐便器的趨勢。

如果想要利用夾具將坐便器提起且高效率運動需要滿足:

經統計坐便器產品質量為40～60 kg,取質量上限Mmax=70 kg,即

經統計夾持面與水平面夾角范圍為6°～26°,取角度下限為6°,即

各類型的坐便器夾持面涉及到的弧度各有不同,夾具所涉及的各類坐便器的α和θ基本相等,將α和θ簡化為等角計算。

綜上得出:

1.4 摩擦系數μ的確定

夾持面與坯體接觸部分采用耐磨性好、回彈性強的發泡橡膠海綿,因機械設計手冊和網絡公開資料中未能檢索到坯體和發泡橡膠海綿之間的摩擦系數,故采用實驗法測定,實驗步驟如下:

(1)水平放置表面平整的白坯,本次實驗選取的為水箱蓋(見圖6)。

圖6 水箱蓋

(2)白坯施釉層上表面放置重量43.5 g,尺寸為85 mm×85 mm×30 mm 發泡橡膠海綿(見圖7)。

圖7 發泡橡膠海綿

(3)發泡橡膠海綿上方放置直徑100 mm,重量1.640 kg標準砝碼(見圖8)。

圖8 標準砝碼

(4)通過測力計給發泡橡膠海綿施加水平拉力(見圖9)。

圖9 施加水平拉力

(5)經過多次測試測力計顯示發泡橡膠海綿和白坯之間的摩擦力為12.5 N(見圖10)。

圖10 摩擦力

按照μ=f/G,因為坯體水平放置,砝碼豎直放置所以取N=G。

f取力計顯示值:f=12.5 N

G 取碼重力加發泡橡膠重力之和:

計算出兩者之間的摩擦系數為:

帶入摩擦系數,即:

得出F>408 N 可滿足搬運需求。

1.5 夾具動力的選用

從性價比高、耐高溫性能好、耐粉塵性強、運行穩定等方面考慮,采用氣動系統,執行部分采用氣缸,氣路控制部分采用電磁閥和多組精密調壓閥,確保達到加持力的精確控制。

2 夾具的設計

2.1 實際生產中需要考慮的因素

(1)適應與自動化設備對接,能夠實現自動控制;

(2)夾持面與水平面夾角α值不固定,夾具必須適應角度變化;

(3)適應靠墻面與圈尖側坐便器寬度差距較大;

(4)適應白坯的強度,保證搬運的同時不破壞坯體以及表面釉層;

(5)適應現場高溫、粉塵的作業環境;

(6)設備穩定運行,適應常年運行。

2.2 夾具的結構

如圖11所示,夾具包括:固定架(見圖12)夾持裝置(見圖13)及固接于固定架上的驅動裝置(見圖14),夾持裝置包括夾臂及固接于夾臂下端的柔性夾持機構,夾臂在固定架兩側對稱設有多個,夾臂上端與固定架鉸接,驅動裝置的自由端與夾臂中部設有連桿,連桿的兩端分別與驅動裝置自由端及夾臂中部鉸接,驅動裝置往復運動帶動連桿與夾臂之間的角度發生改變,由于夾臂上端與固定架鉸接,因此使夾臂之間的開合角度發生改變,實現了對坐便器的夾緊或放松,柔性夾持機構包括與夾臂下端固接的萬向球節、固接于萬向球節上的夾板及固接于夾板外側的柔面層,當夾持裝置夾緊坐便器時,夾板與坐便器外表接觸,萬向球節在夾板的作用下自動調整角度,從而達到夾板與坐便器達到最佳貼合角度。

圖11 夾具

圖12 固定架

圖13 夾持裝置

圖14 驅動裝置

夾臂與萬向球節之間固接有擋板,萬向球節上套設有彈簧,彈簧的兩端分別抵在擋板及夾板相對側,彈簧安裝時做適量的預壓緊,以保證夾板在不接觸坐便器狀態時處于豎直狀態。固定架上固接有氣缸安裝板,驅動裝置包括氣缸、氣缸后法蘭及固接于氣缸自由端的Y 型氣缸接頭,氣缸通過氣缸后法蘭與氣缸安裝板固接,連桿通過銷軸與Y 型氣缸接頭鉸接。

固定架上固接有鉸耳,夾臂通過銷軸與鉸耳鉸接,夾臂中部開有腰型孔,連桿插入腰型孔中通過螺栓與夾臂鉸接。

固定架包括矩形的框架及固接于框架上的連接法蘭,通過連接法蘭可以將夾具固定在其他設備上,用于搬運或翻轉角度。

柔面層為多孔耐磨發泡橡膠板,既具有良好的柔性,保護坐便器表面,又能夠提供足夠的摩擦力,防止坐便器脫落,表面的開放孔也能有效地容納坯體表面的粉塵,保持摩擦力。

3 結語

筆者設計了一種適應面較廣的坐便器產品夾具,該夾具采用的氣缸作為驅動,通過配套電氣控制系統可對不同類型的坐便器采取不同的夾緊力,兩組夾臂可以開合不同角度,以適應同一個坐便器前后位置寬度不同的情況,可以穩定地將坐便器拾起并快速平移,萬向球節的應用可以使夾板完美的貼合坐便器表面,對不同重量、坯體強度、外形的產品有廣泛的適用性,該夾具結構簡單、耐高溫、穩定性好,可以有效地降低產品破損,對比傳統人工的搬運方式不會產生過多的耗材且環保,同時,該夾具可以根據生產實際需要多組并聯,大幅提高生產效率。