渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦盤組件自動(dòng)裝配專機(jī)設(shè)計(jì)

周 波，余心明

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

0 引言

渦旋壓縮機(jī)是一種新型高效的容積式壓縮機(jī)，廣泛用作新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)[1]。動(dòng)渦盤組件是渦旋壓縮機(jī)的重要部件，包括固定在動(dòng)渦盤的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸承、擋圈等。滾珠防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是常用的一種防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)型式，常采用圈銷類型[2]。渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦盤的裝配水平直接影響著渦旋壓縮機(jī)的整體裝配水平。

國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)、科研院所對(duì)渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行了深入研究，他們在渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、制造關(guān)鍵技術(shù)、裝配及系列產(chǎn)品開發(fā)方面取得了突出成果[3-5]。另外我國試制了首條無油渦旋空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)線；羅偉對(duì)渦旋壓縮機(jī)裝配線進(jìn)行了規(guī)劃平衡改善，并指出自動(dòng)化裝配線是發(fā)展方向[6-7]。目前，工程上渦旋壓縮機(jī)的裝配多采用流水線裝配，但對(duì)圈銷結(jié)構(gòu)渦旋壓縮機(jī)尤其是動(dòng)渦盤組件的裝配卻鮮有報(bào)告。通過對(duì)相關(guān)企業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，動(dòng)渦盤組件裝配環(huán)節(jié)多采用半自動(dòng)裝配，即自動(dòng)線將工件輸送到各工位后各工位工人進(jìn)行裝配。此勞動(dòng)強(qiáng)度大，人力成本較高，裝配質(zhì)量難以持續(xù)保證，而目前缺少針對(duì)性的自動(dòng)裝配專機(jī)，現(xiàn)有的自動(dòng)裝配機(jī)又難以滿足該環(huán)節(jié)自動(dòng)裝配工程需要。

為解決上述問題，提高相關(guān)企業(yè)渦旋壓縮機(jī)裝配的自動(dòng)化水平和裝配效率，保證裝配質(zhì)量，在考慮相關(guān)企業(yè)現(xiàn)有渦旋壓縮機(jī)裝配線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)圈銷結(jié)構(gòu)渦旋式壓縮機(jī)動(dòng)渦盤組件的自動(dòng)裝配專機(jī)。

1 總體方案及結(jié)構(gòu)布局

動(dòng)渦盤組件由軸承、擋圈、銷、墊板和防自轉(zhuǎn)孔板(定珠圈)組成。銷與動(dòng)盤為過盈配合，與孔板對(duì)應(yīng)孔為間隙配合，其通常選用圓柱銷或彈性銷。銷外伸出動(dòng)盤的高度為孔板高度的80%～95%，對(duì)壓裝位置精度要求較高[8]。軸承與軸承孔為過盈配合。

動(dòng)渦盤組件自動(dòng)裝配專機(jī)包括：直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、軸承裝配機(jī)構(gòu)、擋圈裝配機(jī)構(gòu)、銷裝配機(jī)構(gòu)、墊板裝配機(jī)構(gòu)、孔板裝配機(jī)構(gòu)。

動(dòng)渦盤組件實(shí)物如圖1所示，專機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

1.定珠圈 2.墊板 3.孔用擋圈 4.軸承 5.銷 6.工藝孔圖1 動(dòng)渦盤組件

圖2 總體結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到控制精度、后續(xù)的維保，本專機(jī)的動(dòng)力以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主、氣動(dòng)為輔；考慮到渦旋壓縮機(jī)直線型裝配線的特點(diǎn)，專機(jī)主體采用直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)隨行滑臺(tái)和定位夾具在各工位上的精確定位；考慮整個(gè)渦旋壓縮機(jī)裝配要求，專機(jī)的裝配時(shí)間應(yīng)滿足后續(xù)裝配的節(jié)拍時(shí)間要求；考慮到物料添加問題，料倉、機(jī)械手等部分放在專機(jī)的外側(cè)，壓裝部分在內(nèi)側(cè)。

伺服電動(dòng)缸是本專機(jī)壓裝機(jī)構(gòu)的核心，是將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過絲杠-螺母傳動(dòng)副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，主要由伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、缸體、絲杠、推桿等組成，并內(nèi)置壓力傳感器和位移傳感器[9]。

圖3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械手的作用是將物料精確放置在動(dòng)渦盤相應(yīng)位置，通過伺服電機(jī)執(zhí)行z軸豎直運(yùn)動(dòng)和繞z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手豎臂上裝氣動(dòng)手指或吸盤完成相應(yīng)夾取操作。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖3所示，系列動(dòng)作如圖4所示。

圖4 機(jī)械手系列動(dòng)作

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 軸承裝配機(jī)構(gòu)

軸承裝配機(jī)構(gòu)主要由供料部分、壓裝部分和機(jī)械手組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軸承裝配機(jī)構(gòu)示意圖

考慮到將料從料倉頂部頂出的絲杠螺母升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且料倉不便于加料，采用氣缸從料倉底部推料供料型式；考慮到動(dòng)渦盤軸承孔加工有一定深度的小錐度倒角，利用機(jī)械手將軸承放置到動(dòng)渦盤軸承孔中定位。底部擋邊上開有檢驗(yàn)口，用以檢測料倉底滑道內(nèi)有無物料。機(jī)械手上裝有氣動(dòng)手指，其高度小于軸承高度；壓頭組件壓頭保證力施加在軸承外圈。

工作過程：料倉中的軸承逐個(gè)推出，機(jī)械手夾取軸承放置到動(dòng)渦盤軸承孔中，伺服電動(dòng)缸壓裝軸承，同時(shí)傳感器對(duì)壓裝過程進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 擋圈裝配機(jī)構(gòu)

擋圈自動(dòng)裝配裝置包括：存推料部分、壓裝部分和導(dǎo)套部分。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 擋圈裝配機(jī)構(gòu)示意圖

料倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)與擋圈結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，為防止輸送動(dòng)渦盤的過程中與裝置接觸摩擦，動(dòng)渦盤應(yīng)與裝置有一定間隙；裝配時(shí)導(dǎo)套底部直邊段插入動(dòng)渦盤擋圈槽處。為防止擋圈裝入擋圈槽的瞬間，壓制力的突然消失，造成導(dǎo)套在彈簧的作用下反彈引起機(jī)構(gòu)的過大振動(dòng)，壓頭件的防回彈軸部分下端面設(shè)有膠墊。彈簧有足夠的彈性以抬升導(dǎo)套，且抬升的距離不應(yīng)過大。導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以對(duì)擋圈的歪斜進(jìn)行調(diào)整，保證擋圈順利進(jìn)入擋圈槽內(nèi)。定位導(dǎo)柱與導(dǎo)套過盈配合，定位導(dǎo)柱與臺(tái)座間隙配合。伺服電動(dòng)缸在原點(diǎn)位置時(shí)壓頭件底面應(yīng)略高于進(jìn)料口，配合導(dǎo)套的進(jìn)料口結(jié)構(gòu)，可有效防止擋圈的歪斜。

工作過程：推料機(jī)構(gòu)將料倉中的擋圈推至導(dǎo)套內(nèi)，伺服電動(dòng)缸執(zhí)行壓裝操作將擋圈壓到槽內(nèi)。

2.3 銷裝配機(jī)構(gòu)

銷裝配機(jī)構(gòu)主要包括壓裝部分、機(jī)械手和送料部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 銷裝配機(jī)構(gòu)示意圖

導(dǎo)套組件設(shè)有導(dǎo)套，作用是使銷豎直對(duì)正動(dòng)渦盤銷孔，便于后續(xù)壓裝操作。壓頭組件上有壓頭，壓頭數(shù)量與銷孔數(shù)一直，壓頭大小與導(dǎo)套相適應(yīng)。緊湊型氣動(dòng)手指末端的兩側(cè)加裝根據(jù)工件尺寸和形狀專門設(shè)計(jì)的夾塊，夾塊結(jié)構(gòu)與銷結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，特別應(yīng)保證裝彈性銷時(shí)銷正好閉合防止彈性銷被壓潰。

振盤由專業(yè)廠家設(shè)計(jì)，無需另行設(shè)計(jì)，應(yīng)采取消音隔音措施[10]。送料機(jī)構(gòu)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪分度器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的高精度間歇回轉(zhuǎn)。凸輪分度器固定在工作臺(tái)上，輸入端連接伺服電機(jī)，輸出端連接轉(zhuǎn)盤。送料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 送料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

工作過程：機(jī)械手將送料機(jī)構(gòu)上的銷放到導(dǎo)套內(nèi)，伺服電動(dòng)缸執(zhí)行壓裝操作將銷壓入到槽內(nèi)。

2.4 墊板裝配機(jī)構(gòu)

墊板裝配機(jī)構(gòu)由機(jī)械手和供料部分組成，供料部分工作原理與軸承供料部分相似。墊板裝配機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 墊板裝配機(jī)構(gòu)示意圖

工作過程：墊板推料氣缸將料倉中的墊板推到料槽中，真空吸盤機(jī)械手負(fù)責(zé)吸住墊板放置在動(dòng)渦盤對(duì)應(yīng)位置上。

2.5 孔板裝配機(jī)構(gòu)

孔板裝配機(jī)構(gòu)主要由壓裝部分、機(jī)械手和供料部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 孔板裝配機(jī)構(gòu)示意圖

工作過程：機(jī)械手定位柱下壓推到裝盤上的孔板；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中定位圓筒進(jìn)入銷孔中，從而孔板被轉(zhuǎn)正。然后機(jī)械手系列動(dòng)作并通過銷和銷孔倒角將孔板穩(wěn)固在銷上，繼而壓裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓裝操作。

料倉結(jié)構(gòu)與孔板相適應(yīng)，定位柱要保證質(zhì)量，遇到損傷要及時(shí)更換，結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 定位柱結(jié)構(gòu)示意圖

3 氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)物料的推送和夾取操作。氣動(dòng)系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

推料氣缸選擇活塞帶磁性的氣缸，便于利用磁性開關(guān)來檢測氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)行程[11]。手指氣缸與真空發(fā)生器均采用雙電控二位五通電磁閥控制，避免異常斷電導(dǎo)致夾取物料的滑落。手指氣缸初始處于伸出狀態(tài)，手指處于打開狀態(tài)[12-13]。

4 控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、編碼器、光電傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、聲光報(bào)警器、按鈕開關(guān)、行程開關(guān)和電磁閥構(gòu)成。各裝配工位設(shè)有PLC，直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)PLC為總站PLC。總站PLC 控制專機(jī)動(dòng)作，讀取各工位工作信息并把這些信息傳遞給觸摸屏進(jìn)行顯示，同時(shí)把觸摸屏的指令發(fā)送給相關(guān)單元，控制相關(guān)單元的工作情況[14]。

控制系統(tǒng)框圖如圖13所示[15]。

圖13 控制系統(tǒng)框圖

4.2 系統(tǒng)控制程序

系統(tǒng)可完成手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)按工序順序控制完成相應(yīng)操作。裝配完成后，取件機(jī)械手將裝配好的動(dòng)渦盤組件取走放在輸送線上送至下一工序，工作臺(tái)伺服電機(jī)回原點(diǎn)；通過伺服電機(jī)的編碼器和電流傳感器實(shí)現(xiàn)過程的閉環(huán)控制[16]。

圖14 總體控制流程圖 圖15 軸承裝配控制流程圖

系統(tǒng)具備自檢功能，通過光電傳感器監(jiān)測有無動(dòng)渦盤、料倉內(nèi)有無物料；遇到異常情況系統(tǒng)具備報(bào)警保護(hù)功能；通過伺服電動(dòng)缸模塊化的閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)壓裝過程的位移、力和時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控，控制壓力、位移和速度。具體系統(tǒng)的控制流程如圖14～圖19所示。

圖16 銷裝配控制流程圖 圖17 擋圈裝配控制流程圖

圖18 孔板裝配控制流程圖 圖19 墊板裝配控制流程圖

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種針對(duì)圈銷結(jié)構(gòu)渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦盤組件自動(dòng)裝配專機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)零部件的自動(dòng)化裝配。裝置采用PLC控制，通過氣動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各工位間的精確切換進(jìn)而完成各工序的裝配操作。裝置能夠適應(yīng)相關(guān)企業(yè)現(xiàn)有渦旋壓縮機(jī)裝配線，升級(jí)了相應(yīng)動(dòng)渦盤組件裝配裝置，提高了渦旋壓縮機(jī)的自動(dòng)化裝配水平和裝配效率，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化裝配，降低了人力成本，能夠滿足工程需要。