穿銷工序中銷軸送料裝置的設計及運動分析

胡思杰,何高清,時明明,包明帝

(1.合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009;2.安徽農業大學工學院，安徽 合肥 230036)

穿銷工序中銷軸送料裝置的設計及運動分析

胡思杰1,何高清1,時明明2,包明帝1

(1.合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009;2.安徽農業大學工學院，安徽 合肥 230036)

目前國內搖臂生產過程中的穿銷工序大多采用手工或半自動方式完成，生產周期長、質量不穩定，無法滿足大批量且高質量的生產要求。為了提高穿銷工序的自動化程度和穿銷質量，同時為了使銷軸在送料過程中自動有序下落，設計了一種銷軸送料裝置。基于Adams虛擬仿真軟件對送料裝置進行仿真分析，對單顆銷軸施加不同大小的力，并改變撥叉轉速，得到銷軸通過撥叉與料箱間隙的時間。仿真結果表明，送料裝置最佳工作轉速范圍為125～225 r/min和300～425 r/min，此時銷軸的送料效率穩定且最高。驗證試驗結果表明，其結果和仿真分析基本一致，符合設計要求。撥叉機構配合銷軸送料裝置，在合理的轉速下能有效提高穿銷工序的效率，降低了人工在搖臂生產線中的介入程度，提高了產品的生產質量及一致性。該裝置不僅適用于提高搖臂生產線送料工序效率，而且對提高其他送料裝置效率也具有重要的借鑒意義。

自動化； 穿銷工序； 碰撞分析； 可靠性； 運動控制

0 引言

目前，國內外搖臂鉚壓生產線正在向自動化、高效率、智能化方向發展。作為搖臂生產線的重要組成部分，穿銷工序對實現自動化以及提高生產效率起著至關重要的作用。其中，銷軸送料裝置是穿銷工序的重要組成部分。現階段，銷軸送料大多采用手工或半自動的作業方式，工作效率低、工人勞動強度大、企業的生產成本高，同時還會因工人處理不當或其他人為因素造成工件的二次損壞[1]。

為提高銷軸送料的工作效率以及自動化程度，對料箱的出口進行設計，同時在料箱中添加撥叉機構以及推銷裝置，以提高銷軸送料的效率及自動化程度，保證后續穿銷工序的順利進行；同時，也提高了整套自動化設備的加工生產效率。

1 穿銷模塊結構及工作原理

穿銷模塊的主要結構如圖1所示。

圖1 穿銷模塊結構圖

穿銷模塊主要分為銷軸送料裝置、軸承送料裝置、穿銷裝置等部分。在穿銷工序中，將銷軸直接倒入銷軸送料裝置的料箱，由其中的撥叉機構撥正，并整齊排列在溜槽中，再由推銷機構將銷軸推入穿銷裝置；與此同時，軸承送料裝置將軸承逐個送入穿銷機構，在軸承進入指定位置后，穿銷裝置將銷軸穿進軸承中，完成穿銷。

2 銷軸送料裝置

穿銷裝置在完成各零件的裝配前，首先要完成銷軸的送料工作。因此，銷軸送料裝置能否順利送料及其送料效率，對穿銷裝置能否順利完成穿銷起到決定性作用，并關系到整個設備的加工效率和成品率。以往裝配生產線送料流程多為人工操作，且輸送的銷軸呈無序散落狀態。通過人工將銷軸擺正后放入送料裝置，或在送料前加入中間環節，降低了生產效率，增加了裝置以及工作流程的復雜性[2-3]。針對裝配生產線中的銷軸送料裝置進行設計，在料箱底部添加撥叉機構，輔助銷軸自動、有序落入送料槽，然后通過推板將有序排列的銷軸推入送料管。裝置整體結構簡單、緊湊，且自動化程度高。

2.1 銷軸送料裝置的結構及原理

工作時，銷軸被倒入料箱中，落入溜槽板上部，此時銷軸處于雜亂無序的狀態。啟動撥叉機構，由電機帶動撥叉軸轉動，進而帶動撥叉軸上的撥叉盤同步轉動，撥叉盤上的凸起會撥動雜亂無序的銷軸。由于滑槽的寬度只能容納一個銷軸，因此會使得銷軸按順序進入溜槽板的滑槽中，最下排的銷軸會被溜槽板前端的推板擋住。當需要送料時，由電磁閥控制氣缸帶動推桿動作，先將推桿退出，推桿上的一排銷軸會滑入橫向槽中，由于該橫向槽的寬度恰好與銷軸的長度相匹配，因此該排銷軸在橫向槽中也處于有序狀態；然后將推桿推進，推桿會將橫向槽中的一排銷軸推入送料管中，實現自動送料。銷軸送料裝置結構如圖2所示。

圖2 銷軸送料裝置結構圖

2.2 銷軸碰撞運動分析

在送料裝置運動過程中，銷軸是以群體的形式存在的，銷軸與銷軸之間、銷軸與料箱之間以及銷軸與撥叉機構之間均存在碰撞，進而影響銷軸的運動。通過分析銷軸的碰撞運動，可以了解不同銷軸之間的運動傳遞情況，從而為后續的仿真分析提供依據。在進行理論分析時，假設銷軸為均勻的球體，忽略銷軸形狀對碰撞的影響。根據物料群碰撞理論[4-5]，建立兩顆銷軸的彈性碰撞模型，如圖3所示。設兩顆銷軸的質量均為m，kg;碰撞前速度分別為v01、v02(v01>v02),m/s;碰撞后銷軸的速度分別為v1、v2，m/s;坐標向上為正。

圖3 兩顆銷軸的彈性碰撞模型

由動量定理可知:

m(v01+v02)=m(v1+v2)

(1)

(2)

式中:e21為兩銷軸的碰撞恢復系數。

由式(1)、式(2)可知:

(3)

(4)

根據式(3)、式(4)，將v01與v1、v02與v2分別進行比較，得v01>v1、v02

2.3 銷軸送料裝置虛擬仿真分析

利用Adams仿真軟件對銷軸送料裝置進行仿真分析[6-11]，得到單顆銷軸在不同大小的力F以及不同撥叉驅動轉速n下的擺正時間t，進而得到最佳撥叉驅動轉速的取值范圍，為后續的裝備設計提供幫助。

2.3.1 虛擬樣機模型的建立

通過CATIA軟件繪制銷軸送料裝置的三維模型，然后將模型簡化后導入Adams軟件，并在導入的模型中添加約束以及運動副等，具體如表1所示。

表1 模型中約束以及運動副的添加情況

2.3.2 銷軸在送料裝置中的運動仿真

正態分布理論及實踐經驗均表明，在將銷軸隨機倒入料箱的過程中，銷軸在料箱中的分布符合正態理論，同時考慮到仿真的復雜性以及仿真分析的要求，僅對單顆銷軸在送料裝置中的運動進行分析。在分析過程中，將不同銷軸之間的相互作用力簡化為F，其方向與重力mg之間的夾角θ小于30°；對仿真中撥叉推動銷軸向上運動的瞬間進行分析，此時銷軸受到的垂直于料箱底面的支持力為N，摩擦阻力為Ff，撥叉對銷軸的作用力為F1，其方向為銷軸質心與撥叉機構轉動軸心O點連線的垂直方向。銷軸在撥叉向上推動瞬間的受力分析如圖4所示。

圖4 受力分析圖

在Adams軟件中繪制銷軸模型，并定義材料屬性，然后放置在送料裝置的料箱中；根據各部件的接觸情況，在銷軸與料箱以及銷軸與撥叉機構之間添加接觸約束，同時對銷軸施加力F，最后進行仿真。

通過碰撞理論可知，影響銷軸擺正通過料箱底部的因素主要有撥叉機構的轉速n以及銷軸之間的相互作用力F。在虛擬仿真過程中，分別取F1=0 N、F2=3 N、F3=5 N，然后在F1～F3的作用下，分別給撥叉機構施加不同的轉速n，測定銷軸通過撥叉與料箱底面之間的間隙時所用的時間t；同時根據實際工作要求，設定仿真過程中單顆銷軸通過間隙時間t的上限為2 s，以此進行比較分析，選定轉速n的取值范圍。不同轉速和受力對送料時間的影響曲線如圖5所示。

圖5 不同轉速和受力對送料時間的影響曲線

由圖5可知，當n處于低速段(0～100 r/min)時，t達到上限值2 s；在中速段(100～550 r/min)時，t處于1.5 s以下；而在高速段(550～675 r/min)時，t大都超過1.5 s，且部分數值達到2 s的上限值。與此同時，隨著F的增大，n的取值范圍有所增大。通過對比以上3種情況下t的變化情況，選定有效撥叉轉速n的范圍為125～225 r/min及300～425 r/min。

3 驗證試驗

為驗證仿真結果的可靠性[12]，對200顆長度為12 mm、外徑為8 mm的銷軸進行多次重復落料試驗，然后分別測定在不同撥叉轉速下銷軸擺正并有序通過間隙的時間，時間上限設定為60 s。試驗中，對每個轉速測試15次，并取平均時間，最后繪制時間-轉速曲線圖，如圖6所示。

圖6 時間-轉速曲線

由圖6可知，送料裝置中的200顆銷軸隨著撥叉轉速n的逐漸提高，銷軸通過間隙的時間t整體呈下降趨勢；當n在125～450 r/min內取值時，t變化較為平穩，且數值均在35 s以下，符合對n的取值要求；而當n大于450 r/min后，t呈現上漲趨勢，并大都超過35 s。由于試驗中設備自身存在一定的上下振動和誤差等因素，可能會對t造成一定的影響，但是時間隨轉速變化的趨勢基本上與虛擬仿真結果保持一致，故仿真分析所得轉速取值范圍有效，可為確定銷軸送料裝置中撥叉轉速提供依據。

4 結束語

根據對銷軸在送料機構中的運動分析，研究了其在下落過程中的受力情況，通過Adams軟件對銷軸送料裝置進行仿真，得到撥叉轉速n與銷軸通過間隙時間t的關系曲線。進行了有序輸送200顆銷軸的試驗，得出在不同撥叉轉速n下銷軸通過間隙的時間t的趨勢與虛擬仿真結果基本一致，驗證了仿真結果的可靠性。確定了撥叉轉速n的取值范圍是125～225 r/min及300～425 r/min，在此范圍內單顆銷軸通過間隙的時間t均較為平穩，且數值均小于1 s，完全滿足裝置的工作要求。該送料裝置滿足穿銷工序的使用要求，且實現了送料過程中銷軸的有序下落，提高了整體工序的自動化程度。

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Design and Motion Analysis of the Pin Shaft Feeding Device in Peg Process

HU Sijie1，HE Gaoqing1，SHI Mingming2，BAO Mingdi1

(1.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009，China；2.School of Engineering,Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China)

At present,most of the peg processes in rocker arm production in our country are completed by manual or semi-automatic way:the production cycle is long,and the quality is unstable,which cannot meet the requirement of high-quality batch production.In order to improve the level of automation and quality of the peg process,and to make the pin shaft automatically dropping orderly in the process,the pin shaft feeding device is designed.The simulation analysis is carried out based on Adams virtual simulation software for the feeding device;different magnitude of force is applied to the single pin,and the speed of fork is changed,to obtain the time of the pin shaft going through the gap between the fork mechanism and the bin.The results of simulation show that the best working speed of feeding device is in the ranges of 125 ～ 225 r/min and 300 ～ 425 r/min,and the feed efficiency of pin shaft is stable and highest.Finally,the results are verified by the experiments,and the results are basically the same as the simulation analysis,and meet the design requirements.The fork mechanism cooperates with the pin shaft feeding device,effectively improves the efficiency of peg process in a reasonable speed,reduces the degree of manual intervention for the rocker arm production line, and improves the product quality and high consistency.Not only are the results suitable for improving the efficiency of feeding process in rocker arm production line,but also provide important reference for improving the efficiency of other feeding devices.

Automation; Peg process; Collision analysis; Reliability; Movement control

胡思杰(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事自動化裝備方向的研究。E-mail:982221803@qq.com。 何高清(通信作者)，男，在讀博士研究生，副教授，碩士生導師，主要從事數控技術、智能制造與自動化裝備的研究和應用。 E-mail:hegq2008@163.com。

TH13；TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706008

修改稿收到日期:2017-01-09