智能裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配工藝的設(shè)計(jì)

劉志偉 王 軍 羅冬初 龍 清 黃智成

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，東莞 523808；2.廣東大族粵銘激光集團(tuán)股份有限公司，東莞 523808）

智能裝備的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有很多方式，如龍門架式、滑臺(tái)式和懸臂式等。其中，十字滑臺(tái)是其中非常典型的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在激光焊接機(jī)、插線機(jī)、打孔機(jī)、涂膠機(jī)、檢測(cè)裝置和大型數(shù)控設(shè)備中應(yīng)用廣泛[1-2]，多用于焊接頭移動(dòng)、激光切割、工件定位、搬運(yùn)、零件分揀以及涂膠等方面。在激光焊接機(jī)等智能裝備的裝調(diào)過(guò)程中，十字滑臺(tái)的安裝工序?qū)儆谄款i工序。目前，大部分工作均由人工完成相應(yīng)的裝調(diào)工作，生產(chǎn)效率較低，影響企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)能[3-4]。它的機(jī)械部分的安裝通常包括工作臺(tái)、滾動(dòng)導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副以及滾動(dòng)軸承等。各運(yùn)動(dòng)部件之間存在相互關(guān)聯(lián)性，目前人們通常孤立地考慮安裝工藝，導(dǎo)致存在安裝精度和安裝效率不高的問(wèn)題[3,5]。

本文依據(jù)《加工中心檢驗(yàn)條件 第2 部分：立式或帶垂直主回轉(zhuǎn)軸的萬(wàn)能主軸頭機(jī)床幾何精度檢驗(yàn)（垂直Z軸）》（GB/T 18400.2—2010）和GB 17421 通用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)智能裝備的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)要求進(jìn)行分析研究，探討如何快速完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝與檢測(cè)方案，對(duì)解決瓶頸工藝、提升企業(yè)的生產(chǎn)效率具有重要作用。

1 幾何精度要求及裝配工藝分析

智能裝備的幾何精度要求主要包含各軸線運(yùn)動(dòng)的直線度、各軸導(dǎo)軌間平行度和軸線運(yùn)動(dòng)的垂直度等方面的要求。

1.1 各軸線運(yùn)動(dòng)的直線度

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各部分之間存在很大的關(guān)聯(lián)性，需要綜合考慮安裝工藝，以總體提高安裝精度，提高總體的安裝效率。X軸和Y軸導(dǎo)軌中，任何一條導(dǎo)軌的直線度均可能影響到另一條平行導(dǎo)軌的平行度，也會(huì)影響到兩軸各導(dǎo)軌之間的垂直度。因此，安裝過(guò)程中確保導(dǎo)軌直線度時(shí)要為后面的平行度和垂直度考慮[1,4]。參考《機(jī)床檢驗(yàn)通則 第1 部分：在無(wú)負(fù)荷或精加工條件下機(jī)床的幾何精度》（GB/T 17421.1—1998）的有關(guān)條文和備注規(guī)范的檢驗(yàn)方法，采用基準(zhǔn)平尺法，確保每一條導(dǎo)軌在一個(gè)平面內(nèi)的直線度。為考慮直線度對(duì)導(dǎo)軌平行度和垂直度的影響，本文對(duì)調(diào)整導(dǎo)軌進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)細(xì)分，與基準(zhǔn)平尺之間的距離按曲線變化的最近點(diǎn)和最遠(yuǎn)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，分別標(biāo)記為d0,d1,d2,…,dn-1,dn，如圖1 所示。

各點(diǎn)之間的最大值和最小值分別用式（1）和式（2）表示。

安裝過(guò)程中是要快速找出dmin和dmax并對(duì)其進(jìn)行控制，以達(dá)到快速調(diào)節(jié)直線度的作用。

調(diào)整內(nèi)六角螺絲，以調(diào)整斜壓塊的前后位置關(guān)系。每次調(diào)整dmin和dmax附近的斜壓塊，使導(dǎo)軌與基準(zhǔn)平尺之間的距離越來(lái)越小，使整個(gè)曲線趨于直線狀態(tài)，以控制導(dǎo)軌的直線度，直到在合格范圍內(nèi)，起到快速調(diào)整精度的作用。導(dǎo)軌和安裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1.2 各軸導(dǎo)軌間平行度

采用基準(zhǔn)平尺對(duì)導(dǎo)軌的平行度進(jìn)行調(diào)整與檢測(cè)，將已調(diào)整好的導(dǎo)軌作為基準(zhǔn)導(dǎo)軌，調(diào)整好基準(zhǔn)平尺，并控制在精度范圍內(nèi)，再調(diào)整另一導(dǎo)軌。基準(zhǔn)導(dǎo)軌與調(diào)整導(dǎo)軌之間存在關(guān)聯(lián)，如果基準(zhǔn)導(dǎo)軌發(fā)生傾斜，調(diào)整導(dǎo)軌也會(huì)發(fā)生傾斜，以滿足平行度要求。

設(shè)計(jì)二分法來(lái)快速調(diào)整平行度，將基準(zhǔn)導(dǎo)軌和調(diào)整導(dǎo)軌一分為二，以中點(diǎn)M為分割點(diǎn)。在基準(zhǔn)導(dǎo)軌的直線度調(diào)整過(guò)程中，控制好整個(gè)導(dǎo)軌的傾斜角θ。采用高效率直觀的方法，將基準(zhǔn)導(dǎo)軌左右兩端的若干個(gè)偏差值進(jìn)行求和，左端偏差值為A=SUM(d0,d1,d2,…,dm-1,dm)，右端偏差值B=SUM(dm+1,dm+2,…,dn-1,dn)。A和B求和后的數(shù)值不能偏差太大，否則說(shuō)明中心線發(fā)生大的偏差，不利于調(diào)整平行度。

1.3 Y 軸線運(yùn)動(dòng)和X 軸線運(yùn)動(dòng)間的垂直度

垂直度是方向公差中控制被測(cè)要素與基準(zhǔn)要素夾角為90°的公差要求。對(duì)智能裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，Y軸線與X軸線運(yùn)動(dòng)間的垂直度非常重要，涉及到直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的精度，直接影響智能裝備運(yùn)動(dòng)的軌跡，影響零件的垂直度公差。

采用大理石直角尺測(cè)量?jī)奢S線的垂直度，以其中一個(gè)軸線作為基準(zhǔn)，對(duì)另一軸線的底座進(jìn)行調(diào)整，以滿足兩軸線之間的垂直度要求，如圖3 所示。基準(zhǔn)軸的平行度與調(diào)整軸平行度之間存在一定的關(guān)聯(lián)。如果基準(zhǔn)軸的導(dǎo)軌發(fā)生傾斜，那么將導(dǎo)致基準(zhǔn)軸的軸線發(fā)生傾斜。要確保兩軸線的垂直度，調(diào)整導(dǎo)軌也會(huì)發(fā)生傾斜，才能滿足垂直度要求[2,5]。

因此，對(duì)基準(zhǔn)導(dǎo)軌的直線度的控制尤為重要。如果出現(xiàn)導(dǎo)軌軸線的傾斜角θ值，會(huì)讓兩軸線的兩端方向上的變動(dòng)值△1 和△2 增大。隨著導(dǎo)軌長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，△1 和△2 的變動(dòng)值變得更大，會(huì)對(duì)兩軸線之間的垂直度誤差帶來(lái)更多影響。變動(dòng)值太大，說(shuō)明兩軸之間的垂直度偏差太大，影響智能裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能。

2 關(guān)鍵安裝工藝設(shè)計(jì)

做好裝配前的準(zhǔn)備工作可以事半功倍。安裝前進(jìn)行清洗工藝，把待裝零件表面的污物、機(jī)械雜質(zhì)、表面油脂用柴油洗擦干凈，以油盤為主要設(shè)備及工藝裝備，并用柴油、干凈布、油掃作為輔助材料。清理污物和雜質(zhì)后再安裝，可以減少各裝配處的誤差。

2.1 導(dǎo)軌組件的裝配

為考慮直線度對(duì)導(dǎo)軌平行度和垂直度的影響，對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分，標(biāo)記好d0,d1,d2,…,dn。根據(jù)二分法來(lái)快速調(diào)整平行度，確保好各導(dǎo)軌的直線度和導(dǎo)軌間的平行度。此外，采用平尺、扳手、百分表及表座等為主要設(shè)備及工藝裝備，用記號(hào)筆為輔助材料，如圖4 所示。

主要安裝過(guò)程如下：

（1）將Y軸底座放置在工作臺(tái)上，將安裝導(dǎo)軌的平面擦拭干凈，并將基座調(diào)試水平；

（2）用汽油清洗安裝面，將X軸/Y軸導(dǎo)軌置于安裝面，需注意箭頭方向；

（3）先中間再兩側(cè)依次預(yù)緊導(dǎo)軌螺釘、預(yù)緊斜壓塊螺釘、緊固導(dǎo)軌螺釘，并在絲桿座安裝面上安放水平尺墊塊；

（4）將水平尺安放在墊塊上，調(diào)整水平尺高度使之兩端與導(dǎo)軌等高，并移動(dòng)表座，檢測(cè)各位置的高度尺寸，要求偏差在0.02 mm 之內(nèi)，隨后拆下導(dǎo)軌，用墊片（或塞尺）調(diào)整低點(diǎn)的高度；

（5）重復(fù)上述步驟，直至尺寸合格，并按相同的方法調(diào)試另一條導(dǎo)軌。

2.2 絲桿軸承座的裝配

各軸之間的垂直度與各軸的軸線安裝關(guān)系密切。絲桿軸承座與絲桿的同軸度會(huì)直接影響各軸的軸線精度，進(jìn)而影響各軸之間的垂直度。此外，采用平尺、扳手、百分表、表座等為主要設(shè)備及工藝裝備，采用記號(hào)筆為輔助材料。

它的主要安裝過(guò)程如下：

（1）將絲桿驗(yàn)棒置于絲桿軸承座孔，用螺釘緊固，完成絲桿驗(yàn)棒的安裝；

（2）將裝配驗(yàn)棒的軸承座組件分別安放在Y軸底座上，用螺釘預(yù)緊；

（3）檢查兩驗(yàn)棒主母線高度，先調(diào)整主母線偏高的軸承座，使主母線與導(dǎo)軌平行；

（4）調(diào)整另一個(gè)軸承座，在軸承座底部墊墊片或塞尺，使兩驗(yàn)棒主母線等高，再調(diào)整兩軸承座位置使軸承座側(cè)母線同軸，并與兩導(dǎo)軌對(duì)齊；

（5）用扭力扳手將螺釘緊固到規(guī)定要求。

2.3 絲桿的裝配

采用扳手、銅棒為主要設(shè)備及工藝裝備，采用記號(hào)筆為輔助材料。

絲桿裝配的主要安裝過(guò)程如下：

（1）將Y軸絲桿置于軸承座孔內(nèi)；

（2）軸承依標(biāo)準(zhǔn)加入適當(dāng)牛油，軸承采用背靠背的裝配方式，故先將第一個(gè)軸承內(nèi)較寬的朝下到底，再用專用工裝壓下；

（3）裝入第二個(gè)軸承且“箭頭”須對(duì)齊（鎖扣朝下），裝配軸套，再將鎖緊螺母（M20）鎖上，安裝軸承壓蓋；

（4）再安裝另一端軸承、卡簧以及軸承壓蓋。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

把優(yōu)化后的裝配工藝在激光焊接機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，將常規(guī)的裝配工藝方案和優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示。經(jīng)比較，由于綜合考慮導(dǎo)軌直線度、平行度和垂直度這幾個(gè)主要精度，個(gè)別相對(duì)獨(dú)立的工序工時(shí)未發(fā)生變化，但導(dǎo)軌組件、絲桿軸承座和絲桿的裝配時(shí)間減少，縮減了總體時(shí)間，提升了裝配效率。

表1 優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析影響裝配精度的因素，針對(duì)裝配過(guò)程中的瓶頸工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用極值標(biāo)記法快速調(diào)整導(dǎo)軌直線度，系統(tǒng)考慮直線度、平行度和垂直度的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計(jì)了裝配工藝方案。試驗(yàn)比較顯示，總體裝配工藝效率提升了17%，可以提高產(chǎn)能，對(duì)智能裝備的生產(chǎn)具有實(shí)用價(jià)值。