汽車輪轂軸承內、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 船舶與海洋工程學院,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量及為輪轂的傳動提供精確的向導。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]。目前已由第一代發展到了第四代,逐步成為與車輪連為一體的內部件,并朝著與傳感器相結合的數字化方向發展[3]。這使得其結構集成化程度越來越高,形狀也越來越復雜。

由于汽車輪轂軸承的特殊形狀,工業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較成熟、通用性較強的工業機器人,將物料擺放在入料傳送帶上進行送料。但引進工業機器人系統費用較高,一般中小型企業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,也降低了生產效率。為此結合工廠實際情況,研制一套附有料倉的自動送料裝置。

1 汽車輪轂軸承內、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,裝置根據生產節拍自動將料倉中儲存的汽車輪轂軸承內、外圈物料搬運到磨床入料口傳送帶,往復運行,以實現自動送料作業。

技術要求:

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、安全,送料速度滿足生產節拍需求;

4)人工入料簡便,裝置結構緊湊,可靠性高,安全耐用等。

汽車輪轂軸承內、外圈物料形狀及關鍵尺寸如圖1所示。

圖1 汽車輪轂軸承內、外圈形狀示意圖

2 自動送料裝置的整體方案設計

2.1 結合物料特殊性的整體設計

汽車輪轂軸承內、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機器人輸送系統以及結構較復雜的環形輸送系統,計劃采用傳送帶直線輸送系統。

傳送帶直線輸送系統結構較為簡單,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中,輸送料道為利用物料自身質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該有以下幾個機構。

1)料倉機構,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,投入后要實現緩沖隔料。

2)取料送料機械手機構,可以拿取料倉中的物料并完成安全平穩送料。

3)搬運機構,移動機械手機構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位置進行取料;取料完成后搬運機構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,重復取料、送料作業;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 方案設計

結合工藝流程并考慮可行性和經濟成本,設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成圖

3 自動送料裝置結構設計

3.1 整體結構

自動送料裝置整體結構如圖4所示。首先人工將物料投入料倉當中,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送料功能,其安裝在縱向運動絲杠螺母的滑座上,結構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,實現橫向和縱向的運動,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、調試、參數調整、數據采集等操作。料倉空間位置通過調整座等結構精確定位,確保搬運的精確性,順暢性。裝置整體可實現物料的自動送料,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;2—搬運機構;3—電氣控制柜;4—調整座;5—料倉機構;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

料倉機構結構如圖5所示。根據人工入料的便利性、設計料倉高度、對場地面積和存放工件數量等因素綜合考慮,最終料倉采用2組3層,每層2條輥道的結構。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設置傳感器,檢測料倉取料口是否有物料。料倉結構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

緩沖隔料機構結構如圖6所示。緩沖隔料的功能由緩沖隔料塊實現,其形狀設置為一種不對稱結構、可左右搖擺的偏置構件。沒有物料作用時,由于結構不對稱和偏置作用,大端低于輸料槽底部,而小端翹起高于底面;當物料滾動壓下小端(觸發輥筒)時,增加滾動阻力,即提供緩沖作用,同時在工件質量的作用下,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,實現工件的平穩輸送。

1—物料;2—觸發輥筒;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

取料口機構結構如圖7所示。當機械手需要取料時,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,隨即緩沖隔離塊復位,輥道中的物料依次向下滑動一個料位。當機械手離開取料口時,取料口壓板在復位彈簧的作用下復位,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—復位彈簧;4—固定環;5—擋板軸。

3.3 取料送料氣動機械手機構

取料送料氣動機械手機構結構如圖8、圖9所示。該機構具有平穩送料功能,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),送料時又由傾斜變為水平(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,由于滾子在內凸輪中的滑動,機械手平臺由傾斜變為水平,實現平穩送料功能。

1—滾子;2—內凸輪滑槽;3—壓輪。

3.4 搬運機構

搬運機構結構如圖10所示。搬運機構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點,主要為傳動效率高,約為92%～96%,可消除軸向移動產生的間隙,定位精度高,剛度好,運動平穩,無爬行現象,傳動精度好[4]。搬運機構的作用為使安裝在其滑臺上的取料送料氣動機械手機構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;8—縱向滑臺。

4 關鍵零部件模態分析

模態分析即分析機械結構的固有頻率,使裝置的激勵頻率區別于該固有頻率,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構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為伺服電機轉速,min。由于滾珠絲杠的長度限制,本裝置的伺服電機轉速控制在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,所以初步排除該設計的共振隱患。

表1 前6階模態的固有頻率

圖11 托板模態分析

5 自動送料裝置控制系統設置

5.1 系統硬件

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

圖12 自動搬運裝置控制系統硬件圖

5.2 系統控制程序

系統控制流程如圖13所示,當料倉中有料時,搬運機構的伺服電機帶動滾珠絲杠,將滑臺上的機械手機構送至取料位置,傳感器檢測到取料完成后,機械手機構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 現場調試及試用

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

圖14 自動搬運裝置實際工作圖

6 結語

研制了一種汽車輪轂軸承內、外圈磨床自動送料裝置,采用PLC控制氣動系統、傳感器檢測系統、伺服電機驅動滾珠絲杠機構實現了自動送料作業。經使用證明,該自動送料裝置適用于相關企業送料需求,解決了生產實際問題,實現了送料的自動化,提高了生產效率,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。