汽車輪轂軸承內(nèi)、外圈自動送料裝置的研制

李響,張金男,王承寶

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,遼寧 大連 116026)

0 引言

汽車輪轂軸承的作用主要是承受汽車的質(zhì)量及為輪轂的傳動提供精確的向?qū)?。輪轂軸承既承受徑向載荷又承受軸向載荷,是一個非常重要的安全件[1]。為滿足汽車零部件減輕質(zhì)量、減小體積和改善性能的要求,汽車輪轂軸承的研究在一體化方面取得了顯著進步[2]。目前已由第一代發(fā)展到了第四代,逐步成為與車輪連為一體的內(nèi)部件,并朝著與傳感器相結(jié)合的數(shù)字化方向發(fā)展[3]。這使得其結(jié)構(gòu)集成化程度越來越高,形狀也越來越復(fù)雜。

由于汽車輪轂軸承的特殊形狀,工業(yè)上一般沒有適合的專用自動化送料裝置,類似的送料場合一般使用技術(shù)較成熟、通用性較強的工業(yè)機器人,將物料擺放在入料傳送帶上進行送料。但引進工業(yè)機器人系統(tǒng)費用較高,一般中小型企業(yè)難以接受而不得不采用人工上料,這樣不僅浪費了人力,提高了成本,也降低了生產(chǎn)效率。為此結(jié)合工廠實際情況,研制一套附有料倉的自動送料裝置。

1 汽車輪轂軸承內(nèi)、外圈的磨床送料

本裝置需達成的整體功能為:人工按一定量入料后,裝置根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍自動將料倉中儲存的汽車輪轂軸承內(nèi)、外圈物料搬運到磨床入料口傳送帶,往復(fù)運行,以實現(xiàn)自動送料作業(yè)。

技術(shù)要求:

1)自動送料裝置能儲存至少150個物料;

2)裝置在儲料及送料過程中,物料排列有序,彼此之間不能相碰,不能損傷物料已加工表面;

3)自動送料過程平穩(wěn)、安全,送料速度滿足生產(chǎn)節(jié)拍需求;

4)人工入料簡便,裝置結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高,安全耐用等。

汽車輪轂軸承內(nèi)、外圈物料形狀及關(guān)鍵尺寸如圖1所示。

圖1 汽車輪轂軸承內(nèi)、外圈形狀示意圖

2 自動送料裝置的整體方案設(shè)計

2.1 結(jié)合物料特殊性的整體設(shè)計

汽車輪轂軸承內(nèi)、外圈物料屬于小尺寸單件料,底面平行可以滑動但物料整體不能滾動,排除費用較高的工業(yè)機器人輸送系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的環(huán)形輸送系統(tǒng),計劃采用傳送帶直線輸送系統(tǒng)。

傳送帶直線輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單,但儲存功能較弱,因需要保護物料已加工表面,故排除物料存在碰撞的料斗式上料方案,需設(shè)計兼具輸送和儲存功能的多直線儲存輸送料道料倉。

料倉式上料裝置為一種半自動上料裝置,需要人工定期將一批物料投放到料倉當(dāng)中,輸送料道為利用物料自身質(zhì)量將物料進行輸送的裝置。綜合考慮,研制一套多組無動力輥道排列組成輸送料道料倉的自動上料裝置。

2.2 工藝設(shè)計

自動送料裝置的功能主要為儲料和送料,綜合考慮自動送料裝置應(yīng)該有以下幾個機構(gòu)。

1)料倉機構(gòu),可以一次性儲存至少150個物料,且為了不損傷物料已加工表面,物料在料倉中排列有序,不能相碰,投入后要實現(xiàn)緩沖隔料。

2)取料送料機械手機構(gòu),可以拿取料倉中的物料并完成安全平穩(wěn)送料。

3)搬運機構(gòu),移動機械手機構(gòu)到需送料的指定位置。

自動送料裝置的工藝流程如圖2所示,首先由人工向料倉中投入物料,料倉可以緩沖投入的物料并可以將其彼此分隔;物料到達料倉取料口后,傳感器檢測到有料,取料送料機械手隨即移動到相應(yīng)位置進行取料;取料完成后搬運機構(gòu)將機械手移動到磨床入料傳送帶位置,之后機械手進行送料;送料后若傳感器仍檢測到料倉有料,則機械手將返回料倉取料口,重復(fù)取料、送料作業(yè);若料倉中無料,則需要人工補料。

圖2 自動送料裝置工藝流程圖

2.3 方案設(shè)計

結(jié)合工藝流程并考慮可行性和經(jīng)濟成本,設(shè)計出自動送料裝置的整體方案如圖3所示。

圖3 自動送料裝置主要構(gòu)成圖

3 自動送料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)

自動送料裝置整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先人工將物料投入料倉當(dāng)中,料倉由幾組傾斜的輥道平行并列組成。物料在滑入輥道后,被輥道上設(shè)置的緩沖隔料塊將其彼此分離,起到緩沖隔料作用。取料排料氣動機械手具有平穩(wěn)送料功能,其安裝在縱向運動絲杠螺母的滑座上,結(jié)構(gòu)整體再安裝在橫向移動絲杠螺母滑座上。兩組絲杠螺母組成搬運機構(gòu),實現(xiàn)橫向和縱向的運動,運行過程通過PLC進行控制,操作人員可通過人機交互界面對裝置進行啟停、調(diào)試、參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)采集等操作。料倉空間位置通過調(diào)整座等結(jié)構(gòu)精確定位,確保搬運的精確性,順暢性。裝置整體可實現(xiàn)物料的自動送料,無磕碰,保護物料已加工表面的目的。

1—取料送料氣動機械手機構(gòu);2—搬運機構(gòu);3—電氣控制柜;4—調(diào)整座;5—料倉機構(gòu);6—人機交互界面;7—物料;8—鋁合金框架;9—磨床入料傳送帶。

3.2 料倉機構(gòu)

料倉機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)人工入料的便利性、設(shè)計料倉高度、對場地面積和存放工件數(shù)量等因素綜合考慮,最終料倉采用2組3層,每層2條輥道的結(jié)構(gòu)。采用無動力輥道可以不需要動力完成物料的傳輸,盡可能地降低運行成本。首物料滑入輥道后被取料口擋板擋下,其觸發(fā)緩沖隔料塊,擋住接下來滑下的物料,使接下來的物料在輥道上均勻分布。料倉前端取料口兩側(cè)設(shè)置傳感器,檢測料倉取料口是否有物料。料倉結(jié)構(gòu)的整體位置由前端的連接固定座和尾端的定位軸確定。

1—取料口擋板;2—取料口壓板;3—連接固定座;4—料架;5—定位軸;6—無動力輥道;7—緩沖隔料塊;8—物料;9—傳感器支撐架。

1)緩沖隔料機構(gòu)

緩沖隔料機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。緩沖隔料的功能由緩沖隔料塊實現(xiàn),其形狀設(shè)置為一種不對稱結(jié)構(gòu)、可左右搖擺的偏置構(gòu)件。沒有物料作用時,由于結(jié)構(gòu)不對稱和偏置作用,大端低于輸料槽底部,而小端翹起高于底面;當(dāng)物料滾動壓下小端(觸發(fā)輥筒)時,增加滾動阻力,即提供緩沖作用,同時在工件質(zhì)量的作用下,大端翹起高于底面,可以擋住后面滾下的物料,起到隔料作用。物料滾動通過小端后,大端在偏置重力的作用下自動落下低于輸料槽底部,后面的物料又開始滑動,實現(xiàn)工件的平穩(wěn)輸送。

1—物料;2—觸發(fā)輥筒;3—普通輥筒;4—緩沖隔料塊;5—緩沖隔料塊限位板。

2)取料口機構(gòu)

取料口機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7所示。當(dāng)機械手需要取料時,機械手靠近取料口,向前靠近的過程中壓下取料口壓板,物料滑入機械手平臺中,隨即緩沖隔離塊復(fù)位,輥道中的物料依次向下滑動一個料位。當(dāng)機械手離開取料口時,取料口壓板在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位,擋住即將滑下的物料,等待機械手下一次取料。

1—取料口擋板;2—取料口壓板;3—復(fù)位彈簧;4—固定環(huán);5—擋板軸。

3.3 取料送料氣動機械手機構(gòu)

取料送料氣動機械手機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。該機構(gòu)具有平穩(wěn)送料功能,取料過程中機械手輥道為傾斜(傾斜角度與料倉輥道傾斜角度一致),送料時又由傾斜變?yōu)樗?因為磨床入料傳送帶角度為水平)。具體流程為:取料時,前伸氣缸向前伸出,滑座整體向前運動,壓輪壓下料倉機構(gòu)的取料口壓板,物料滑落到機械手輥道上;之后前伸氣缸縮回,搬運機構(gòu)帶動機械手移動到磨床入料口傳送帶位置;送料時送料氣缸滑座上連接推板向前伸出,伸出時,由于滾子在內(nèi)凸輪中的滑動,機械手平臺由傾斜變?yōu)樗?實現(xiàn)平穩(wěn)送料功能。

1—滾子;2—內(nèi)凸輪滑槽;3—壓輪。

3.4 搬運機構(gòu)

搬運機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖10所示。搬運機構(gòu)由兩個滾珠絲杠副連接而成,可以完成一個平面上水平和豎直兩個方向上的運動。滾珠絲杠副有很多優(yōu)點,主要為傳動效率高,約為92%～96%,可消除軸向移動產(chǎn)生的間隙,定位精度高,剛度好,運動平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象,傳動精度好[4]。搬運機構(gòu)的作用為使安裝在其滑臺上的取料送料氣動機械手機構(gòu)在料倉取料口和磨床入料傳送帶之間移動。

1—橫向移動滾珠絲杠;2—料倉連接軸;3—底座;4—橫向滑臺;5—伺服電機;6—縱向移動滾珠絲杠;7—氣動機械手機構(gòu);8—縱向滑臺。

4 關(guān)鍵零部件模態(tài)分析

模態(tài)分析即分析機械結(jié)構(gòu)的固有頻率,使裝置的激勵頻率區(qū)別于該固有頻率,達到避免共振的一種分析方法。本裝置的激勵頻率來源于帶動搬運結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠運動的伺服電機,其激勵頻率f=nm/60,其中f為激勵頻率,Hz,nm為伺服電機轉(zhuǎn)速,min。由于滾珠絲杠的長度限制,本裝置的伺服電機轉(zhuǎn)速控制在2 000r/min以下,求得每臺伺服電機的激勵頻率最高約為33Hz。

為避免發(fā)生共振,影響取料精度,取裝置的取料送料機械手的托板作為分析對象,該托板材質(zhì)為鋁合金7075,密度為2.81×103kg/m3,彈性模量為71GPa,泊松比為0.33,使用ANASYS Workbench的model模塊對該零件進行模態(tài)分析,得出前6階的固有頻率。如表1及圖11所示。該零部件最低的固有頻率也遠遠大于激振頻率,所以初步排除該設(shè)計的共振隱患。

表1 前6階模態(tài)的固有頻率

圖11 托板模態(tài)分析

5 自動送料裝置控制系統(tǒng)設(shè)置

5.1 系統(tǒng)硬件

電氣控制系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng),其可以完成基本的繼電器邏輯電路控制系統(tǒng),具有體積小、控制量大、無觸點開關(guān)等特點,完全可以代替現(xiàn)有繼電器系統(tǒng),實現(xiàn)直接對電氣元件的控制[5]。設(shè)計電氣程序輸入點數(shù)36個,輸出點數(shù)27個,選用三菱FX3U-80M,其輸入輸出各有點數(shù)40個,符合使用需求。自動搬運裝置控制系統(tǒng)硬件圖如圖12所示。

圖12 自動搬運裝置控制系統(tǒng)硬件圖

5.2 系統(tǒng)控制程序

系統(tǒng)控制流程如圖13所示,當(dāng)料倉中有料時,搬運機構(gòu)的伺服電機帶動滾珠絲杠,將滑臺上的機械手機構(gòu)送至取料位置,傳感器檢測到取料完成后,機械手機構(gòu)移動到送料位置進行送料。

圖13 自動搬運裝置控制總流程圖

5.3 現(xiàn)場調(diào)試及試用

自動搬運裝置實際現(xiàn)場工作圖如圖14所示。研制完成的自動送料裝置在汽車輪轂軸承制造現(xiàn)場進行調(diào)試及試用,裝置運行正常平穩(wěn),搬運成功率接近100%,搬運一件物料用時約在14s,滿足實際生產(chǎn)需要。

圖14 自動搬運裝置實際工作圖

6 結(jié)語

研制了一種汽車輪轂軸承內(nèi)、外圈磨床自動送料裝置,采用PLC控制氣動系統(tǒng)、傳感器檢測系統(tǒng)、伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠機構(gòu)實現(xiàn)了自動送料作業(yè)。經(jīng)使用證明,該自動送料裝置適用于相關(guān)企業(yè)送料需求,解決了生產(chǎn)實際問題,實現(xiàn)了送料的自動化,提高了生產(chǎn)效率,降低了人工成本,滿足工程需要。該裝置也可推廣于類似的送料場合。