簡述一種自動化壓裝可變位壓頭設計

胡勝雨

摘 要 本文針對自動化壓裝裝配中實際應用的一種情況設計一款壓裝壓頭結構，并進行粗略的計算和強度校核。

關鍵詞 自動化;壓裝;壓頭結構

隨著科技的快速發展，越來越多的技術應用到自動化領域。人們對于產品的質量要求也越來越高，大量的自動化設備的應用使產品的質量能夠更好地管控，同時也能對產品的歷史進行追溯。本文針對現實情況，依據應用要求設計一款在自動化生產裝配線中應用的自動壓裝機構，著重介紹其中關于壓裝壓頭機構部分。其結構示意圖見圖1所示。

壓頭機構的主要組成部分如圖中所描述，在工作工程中，整個壓頭機構的動力部分由伺服電機提供，選用伺服電機的好處是可以精確控制壓頭在壓裝過程中位移，這對壓裝裝配工藝中位置有要求的情況是十分有利的。整個壓裝力的傳遞由壓缸機構來執行，其內部主要是由滾珠絲杠組成，滾珠絲杠傳動效率高，可達90%以上，相對于普通絲杠傳動效率高位置精度更加精確。壓缸機構兩側的導向軸起導向作用外還兼顧著平衡壓裝時由于壓裝力不是完全豎直是引起的水平方向的分力，如果此分力全部作用到壓缸機構上，會加劇內部絲杠與端部密封結構的摩擦損耗，影響使用壽命。增加兩根導向軸能有效避免水平方向的分力作用到壓缸機構上對壓缸機構產生破壞[1]。

關于電機的選擇，本文此次僅對所需驅動扭矩進行計算，計算公式如下

式中：T-所需驅動扭矩 N·mm

Fa-輸出力 N

Ph-導程 mm

η-傳動效率

Tp-摩擦引起的扭矩 N·mm

i-減速比

式中所需數據依據實際情況，輸出力Fa=196000N，絲杠導程Ph=20mm，傳動效率η=0.95，摩擦扭矩Tp=25000N·mm，減速比i=1/40。

根據計算結果選取相應的伺服電機。選取伺服電機除了電機的輸出扭矩要求，對于伺服電機的功率，可帶負載轉動慣量，控制方式的都有要求，并有相對應的計算公式進行計算選取，這里不做介紹。

在壓缸機構和壓頭之間裝有壓力檢測裝置，內有壓力傳感器，可對壓裝過程中壓力狀態進行監控。針對不同壓裝工藝要求設置不同的壓裝力，配合伺服電機和滾珠絲杠的使用可對壓裝過程進行有效的監測和控制，并通過計算軟件可以合成壓力位移曲線，對于后期產品的品質分析提供數據分析來源[2]。

下端的壓頭部分主要有兩大部分組成，分為主可變壓頭和副壓頭，這兩部分共同裝配在一塊可移動基板上，并有一個氣缸驅動來變換兩組壓頭的工作位置。變換時機由PLC依據產品型號進行控制。對于本次壓裝生產要求，兩組壓頭中主可變壓頭是一套可同時兼容兩種產品的壓頭裝置，副壓頭僅對應一種產品。主可變壓頭采用內外套裝結構，外部是針對產線上大型產品壓裝的外壓頭，內壓頭針對相對小一個型號的產品。內外壓頭的轉換采用氣缸推動轉換，內壓頭與外壓頭之間有導向軸貫穿連接，導向軸上套有壓縮彈簧，彈簧力一直保持向外部頂住內壓頭內外壓頭之間有介入擋塊機構。這里規定副壓頭對應壓裝1號產品，主可變壓頭外壓頭對應壓裝2號產品，主可變壓頭的內壓頭對應壓裝3號產品。當設備上來料為1號產品時，PLC控制主副壓頭轉換機構中的氣缸動作，推動移動基板將副壓頭推送到壓缸機構正下方，伺服電機驅動整個壓裝機構下移開始壓裝，壓裝時監控壓裝力和下壓位移量是否滿足產品規定的壓裝要求，要是都滿足則判斷壓裝合格，如果其中有一項數據異常，與產品壓裝要求數據不符合則進行異常報警，并將數據存儲為后續分析做準備。當設備上來料為2號產品時，PLC控制主副壓頭轉換機構中氣缸動作，推動移動基板將主可變壓頭推送到壓缸機構正下方，壓裝機構下壓，此時的主可變壓頭中內外壓頭之間的介入擋塊機構不動作，壓裝時內壓頭會被2號工件內部結構頂起退縮到外壓頭內部上方位置，不介入壓裝過程，其余動作過程與副壓頭壓裝1號產品時一樣，壓裝結束后壓頭抬升時彈簧機構將內壓頭頂回到原位置。當壓裝3號產品時，主可變壓頭還應在壓缸機構正下方，這是時主可變壓頭中的內壓頭開始工作，在壓裝之前主可變壓頭中的介入擋塊機構動作，將內壓頭擋住防止其抬升回到上部，將其阻擋在工作位置，直到整個壓裝過程完成。在每個壓裝過程結束后伺服電機驅動整個機構上升到初始設定的原點位置，下端部分的壓頭機構也可以回到初始原點位置，也可以不用回，但需要控制系統記住當前各壓頭的位置狀態，保證下次壓裝時能夠選取正確的壓頭機構。

對于此次壓頭的結構設計，從結構上看，在同等壓力條件下，內壓頭的結構尺寸相對其余兩種壓頭的結構尺寸來看是最容易損壞的一個，因此對內壓頭的結構強度進行有限元分析，其結果如下圖所示。

從圖2內壓頭模型強度分析看出，在額定壓力情況下，內壓頭所受壓力強度最大值為1.64Mpa，內壓頭材料為45碳鋼并做調質處理，其本身屈服強度為3.75Mpa，安全系數達到2.3倍，滿足使用條件。圖3為內壓頭受壓后的變形量分析，從圖中看出最大綜合位移量為0.03mm，對于產品本身的壓裝位置精度要求±0.1mm來說完全滿足[3]。

本次設計的壓裝壓頭結構下端的主副壓頭結構設計成了一種可以拆卸更換的機構形式，當產品換型時這種壓頭不能滿足壓裝要求，可將其拆下換上其他結構的壓頭，不需要更換所有壓裝機構，提高了整體設備的通用性。

參考文獻

[1] 聞邦椿.機械設計手冊（第2卷）（第5版）[M].機械設計手冊（第2卷）（第5版）.北京：機械工業出版社，2010：21.

[2] 寇寶泉，程樹康. 交流伺服電機及其控制[M].北京：機械工業出版社，2008：109.

[3] 陳超祥，胡其登.SOLIDWORKS Simulation高級教程（2018版）[M].北京：機械工業出版社，2018：59.