一種卡鉗矩形密封圈的自動裝配裝置設計

郝培達

（青島新松機器人自動化有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

近年來，我國汽車行業在技術和市場方面發展迅速，我國正逐漸成為世界汽車制造中心，這促使汽車零部件生產商不斷改進新技術，提高生產效率。鑒于自動化裝配在生產效率、質量和穩定性等方面所體現的優勢，越來越多的企業用自動化裝備替換人工進行裝配生產。

目前，由于矩形密封圈安裝位置、尺寸的特殊性[1-2]，使得國內的卡鉗矩形密封圈的裝配大多為手工站，操作工拿取矩形密封圈裝配到卡鉗凹槽中，或者操作工拿取矩形密封圈，放置到安裝工裝上，再由安裝機構完成裝配。矩形密封圈安裝工藝中要求其安裝前浸油處理，人工裝配需要接觸沾滿油的矩形圈，工作環境較惡劣，長時間接觸則有損健康。同時由于密封圈槽在卡鉗內部，需要人工將矩形密封圈變形后安裝到凹槽內，容易造成矩形密封圈扭曲現象，影響其性能。在此背景下，對矩形密封圈自動上料、自動裝配的研究，顯得十分必要。

本文對矩形密封圈的自動化裝配進行了研究，設計了一套矩形密封圈自動上料、自動裝配的裝置，提高了生產效率，節省了人力，提高了裝配合格率。

1 矩形密封圈的安裝原理

由于矩形密封圈位于卡鉗缸孔的溝槽內，其外圓的直徑大于卡鉗缸孔內徑，從下部不能直接放入。人工安裝時，將矩形密封圈壓縮成橢圓形，先將一邊放到卡鉗凹槽內，然后將剩余部分變形推入到凹槽內，再進行一圈的整理工作。自動安裝需要矩形密封圈先發生形變，讓其能夠以水平狀態伸入到缸孔內。可通過工裝使矩形圈發生圖1所示的形變，使得其外部邊緣尺寸小于缸孔內徑，這樣，矩形圈就可以進入到卡鉗缸孔內進行安裝[3]。

圖1 矩形密封圈的安裝原理圖

圖2 矩形密封圈安裝工裝

2 矩形密封圈安裝機構的設計

2.1 安裝工藝過程

卡鉗矩形密封圈安裝需要首先將矩形密封圈變形，使其可進入到卡鉗缸孔內。矩形密封圈的變形方式有多種，常用的有2種：一種是從4個方向同時擠壓矩形密封圈，使矩形密封圈外沿小于缸孔內徑；另一種是從一邊擠壓矩形密封圈使其形成圖1所示的形變。針對大缸徑尺寸的矩形密封圈，由于其壓縮后自身彈力并不能保證其可以完全彈進卡鉗凹槽內，還需要增加工裝機構，輔助撐開矩形密封圈，將其推進卡鉗凹槽內。由于卡鉗本身結構導致安裝空間較小，單側擠壓矩形密封圈，使其變形進入缸孔的方式更加適用。

矩形密封圈自動安裝的基本工藝過程如下：1）矩形密封圈擠壓變形。夾爪撐開機構閉合，伺服電動機帶動工裝推動外側鉤爪，外側鉤爪推動密封圈收縮為圖1所示的形狀。2）擠壓后密封圈移動到卡鉗缸孔內，與卡鉗凹槽平齊。前進氣缸帶動密封圈安裝機構前移，到達卡鉗下方，舉升機構上升，將帶密封圈安裝機構舉升到與卡鉗凹槽平齊。3）將矩形圈推到凹槽內。伺服電動機帶動工裝向原點方向回移一定距離，使矩形密封圈變為松弛狀態，外側鉤爪下移，此時矩形密封圈外側無任何阻擋。三爪氣缸撐開，間隔120°的3個夾爪工裝將矩形密封圈推到凹槽內。伺服電動機帶動工裝繼續向原點方向回移，直至將壓縮方向的矩形密封圈也推到凹槽內。

經過上述操作后，矩形密封圈安裝到卡鉗凹槽內。

2.2 矩形密封圈安裝機構結構設計

圖3為設計的矩形密封圈安裝機構。其中，橫移機構位于支撐板上，在橫移氣缸帶動下，可將其上面的機構橫向移動；舉升氣缸固定在橫移機構底板上，舉升氣缸可將橫移機構上的部件舉升；伺服電動機帶動滾珠絲杠旋轉，可控制安裝工裝上的鉤爪前后移動，且可精確控制移動距離。

圖3 矩形密封圈安裝機構

圖4 為設計的安裝工裝。其中導軌滑塊固定在底板上，氣缸固定座安裝在滑塊上，固定座后端與滾珠絲杠組件相連，伺服電動機可帶動滑塊移動；頂升氣缸固定在氣缸固定座上；鉤爪-Ⅰ通過連接件固定在頂升氣缸伸出端，可隨氣缸伸出桿上下移動；鉤爪-Ⅱ固定在頂升氣缸底座；三爪氣缸固定座固定在底板上；三爪氣缸固定在固定座上；三爪氣缸夾爪上連接有夾爪工裝，其形狀外表面為圓形，用于將矩形圈撐到卡鉗凹槽內；彈性支撐座套在三爪氣缸上的工裝上，用于承接放置的矩形密封圈，因變形后矩形圈是需要放到卡鉗缸孔內的，所以此支撐座是彈性的，可上下移動；上蓋固定在三爪氣缸上的工裝上，其與工裝之間有凹槽，矩形密封圈可在凹槽內移動、形變。

圖4 矩形密封圈安裝工裝結構圖

矩形密封圈安裝時，首先矩形密封圈放到安裝工裝上的彈性支撐座上，套在上蓋周邊，其一邊位于鉤爪-Ⅰ和鉤爪-Ⅱ之間，伺服電動機轉動，帶動滾珠絲杠、導軌滑塊，進而帶動鉤爪-Ⅰ和鉤爪-Ⅱ，將矩形密封圈壓縮變形為圖1所示的形式，位于上蓋下方。橫移氣缸將此套工裝前移到卡鉗缸孔下方，舉升氣缸舉升，將矩形密封圈舉到與卡鉗缸孔凹槽平齊。鉤爪-Ⅰ后移，三爪氣缸撐開，鉤爪-Ⅰ在頂升氣缸帶動下下降，此時鉤爪-Ⅱ還位于矩形密封圈內側，然后鉤爪-Ⅱ繼續后移，將矩形密封圈勾到卡鉗缸孔凹槽內。

3 矩形密封圈上料機構的設計

3.1 上料工藝過程

自動上料就是把物料定時、定向、定量地運送到指定位置。自動上料機構一般分為料斗式和料倉式，料斗式適用于外形簡單、易于自動定向排列的物料；料倉式適用于外形復雜、難于定向或有特殊要求（如浸泡油脂）的物料[4-5]。

針對本次設計產品的物料——矩形密封圈來說，其質地柔軟，且安裝前需要浸泡油脂，使得其無法使用料斗進行自動上料。所以采用料倉式自動上料方式，根據矩形密封圈的形狀，采用料柱放置矩形密封圈。料柱的長度不能太長，否則會影響人工上下料，這就導致了單個料柱不能放置較多數量的矩形密封圈。為了減少人工上料頻次，采用多個料柱進行物料存儲，料柱放置于轉盤上，由轉盤帶動更換料柱。

矩形密封圈自動上料的基本工藝如下：

1）取料。包括以下步驟：a.橫移抓取夾爪橫移到料柱上方，夾爪閉合，夾爪提升氣缸將夾爪伸出，此時夾爪與料柱的距離為0.5 mm；b.伺服滑臺帶動推料板推動料柱上的矩形密封圈上移，最上層矩形密封圈接觸到夾爪上的推板，光纖傳感器檢測到矩形密封圈，伺服滑臺停止上移；c.抓取夾爪張開，將矩形密封圈撐緊，伺服滑臺下移2 mm，取料完成。

2）切料轉運。包括以下步驟：a.切料氣缸伸出，其推板輕壓到夾爪撐開的矩形密封圈上；b.橫移機構帶動夾取矩形密封圈的夾爪橫移，切料氣缸同步橫移，防止表面油脂黏附將下層矩形密封圈提起，此時矩形密封圈橫移到密封圈安裝工裝上方。

3）上料。包括以下步驟：a.夾爪提升氣缸下移，此時夾爪夾取的矩形密封圈下表面距離矩形密封圈安裝工裝上蓋0.5 mm；b.夾爪氣缸閉合，推料板將矩形密封圈推到安裝頭的凹槽內；c.伺服電動機帶動滾珠絲杠旋轉，滾珠絲杠上的勾爪將矩形密封圈擠壓變形，夾爪提升氣缸上移，完成矩形密封圈上料。

3.2 上料機構結構設計

圖5為自動上料機構。其中凸輪分割器固定在底板上，轉盤固定在凸輪分割器轉軸上，每旋轉45°停一下，共8工位。8個料柱均布在旋轉盤上，提料盤套在料柱上，矩形密封圈套在料柱上，提料盤可將矩形密封圈向上提起。提升板固定在滑臺上，由伺服電動機控制滑臺的上升、下降，提升板位于提料盤的下方，伺服電動機帶動提升板上升，進而帶動提料盤和矩形密封圈上升。

圖5 自動上料機構

圖6為橫移抓取機構。導軌和橫移氣缸安裝于焊接支架上，可帶動抓取機構在取料位置和物料放置位置之間進行切換。滑臺氣缸安裝于橫移連接板上，可將下部夾爪機構提起、落下。夾爪氣缸安裝于夾爪氣缸連接L板上，用于撐開抓取矩形密封圈。推板氣缸同樣安裝于夾爪氣缸連接L板上，氣缸前部安裝推板，待矩形密封圈橫移到位后，夾爪閉合，推板將矩形密封圈推到安裝機構上。激光對射傳感器安裝于推板上，用于檢測上料機構伺服滑臺提升的矩形密封圈是否到位，給伺服電動機停止信號。

圖6 橫移抓取機構

圖7 矩形密封圈自動上料、裝配裝置實物圖

4 結論

針對在汽車卡鉗的裝配過程中存在的卡鉗矩形密封圈人工裝配效率低、次品率高的問題，文中設計了矩形密封圈自動上料、裝配裝置，效率高、裝配穩定性好，提高了產品質量，節省了人力。經過實際檢驗，該自動上料、裝配裝置能夠實現全自動穩定生產，且該設計方式為其他類型密封圈的自動裝配提供了設計思路。