液壓閥芯零件自動供料系統設計

謝賽

（北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京101300）

0 引 言

液壓閥芯是煤礦綜采工作面液壓支架電液控制系統內的主要零部件[1]，其具有產品批量大、供貨周期要求短的特點。原有的生產模式主要為手工裝配，生產效率低，裝配質量不穩定，為解決生產過程中出現的問題以及滿足液壓閥芯不斷增長的市場需求[2]，筆者公司自主研發了一條液壓閥芯自動裝配生產線。圖1所示回液閥芯零件自動供料系統為該生產線設計的主要模塊。本文主要針對回液閥芯自動供料系統開展技術研究，設計了一套旋轉分度頂升供料系統，解決了液壓閥芯生產線全自動供料的要求，并滿足各項技術參數要求。

圖1 液壓閥芯零件（回液閥芯）

1 技術要求分析

該系統針對的零件為回液閥芯，其材質為不銹鋼，基本結構為中空圓柱體，外徑為φ20 mm，內徑為φ13 mm，外部溝槽內安裝有聚氨酯O形密封圈和聚四氟乙烯擋圈。通過需求分析調研，該系統應滿足如下技術要求：1）零件單件供料節拍在25 s以內；2）供料系統要求同時兼顧產品在線裝配要求，裝配定位精度為±0.08 mm；3）供料過程對零件特別是其密封錐面不得造成損傷；4）系統具有缺料報警功能；5）零件人工補料間隔時長在2 h以上，且不得停機補料；6）系統采用模塊化設計，與生產線能形成快速互聯互通。

2 自動供料技術分析

通過技術要求分析可以看出，由于回液閥芯零件為液壓系統高壓精密密封零件，所以本系統的設計關鍵在于如何在對零件不產生損傷的情況下完成裝配過程的自動供料。通過調研分析，目前在自動化裝配行業對于金屬小零部件主要采用的自動供料方式有振動供料、提升式料倉供料、滾筒式料倉供料和托盤供料等幾種形式。

1）振動供料。振動供料為目前金屬小零部件自動供料的最常用方式，主要實現形式有振動盤和直線送料器等。振動盤主要結構示意圖如圖2所示，其料斗下方設計有電磁鐵，通過彈簧鋼板斜向連接盤體和底座，電磁鐵控制器按照設定頻率（頻率可調）提供給電磁鐵脈沖電流，使得彈簧鋼板產生周期性的斜向上的振動力，從而引起料斗圍繞其垂直軸做扭擺振動[3-4]。零件受扭擺力沿料斗內的螺旋軌道運動，按照預定姿態供料到出料口。對于輸送距離較遠的系統，常在振動盤后面增設直線送料器，以保證足夠的運送力。振動供料具有結構簡單、系統穩定等特點，但是由于其靠振動原理實現自動供料，振動過程中會由于碰撞對精密金屬零件產生損傷，所以通常用于電子零部件、機加工原材料零部件或者非金屬零部件的自動供料。

2）滾筒式料倉供料。滾筒式料倉供料如圖3所示[5]，其工作原理是用電動機驅動系統中的滾筒不斷轉動，圓筒中的特有結構將零件拾取，當滾筒轉到頂部時，零件自動掉落到傳送機構導軌上，導軌通過傾斜或振動設計，將工件輸送到指定位置[6]。該供料系統主要優點在于可以完成較大零件的供料，并且裝置成本低，但其與振動盤供料類似同樣會對零件產生損傷，也具有較大的噪聲。

圖2 振動盤示意圖

3）提升式料倉供料。提升式料倉供料系統主要用于螺釘、金屬彈片等小零件的供料，相對于前面提到的振動供料和滾筒式料倉供料，由于零件在供料過程中碰撞少，所以對零件的損傷比較小。提升式料倉供料系統的原理是：采用電動機或者氣缸將料倉內的物料通過多級抬升階梯運送到出料口，上料方式簡單，系統穩定性好，主要結構形式如圖4所示。其主要缺點是對于復雜零部件無法按照既定的方向排列運送，需要增加額外的大量外部機構，所以主要用于螺釘特別是大長徑比螺釘等結構特征簡單的零部件供料。

4）托盤供料。托盤供料是一種最為傳統的供料方式，目前手工生產線大部分金屬零部件供料都采用這種方式，該供料方式運用到自動化生產線需要增加大料的自動化配套設施，諸如上料機器人、托盤回收機構、托盤輸送機構、視覺系統、定位機構等。雖然托盤供料方式改造成本較高，且占地空間較大，但其靈活性和柔性同樣受到許多自動化生產線的青睞。

綜合分析上述4種常見的供料方式，并按照回液閥芯自動供料系統設計技術要求，上述供料方式在原理和結構上都有一定的局限性，無法滿足系統的設計要求，所以需要綜合考慮上述設備的優缺點，重新設計一套自動供料系統。

圖3 滾筒式料倉

圖4 提升式料倉

3 總體結構設計

基于上述各供料系統的缺點和設計技術要求，特別是供料過程不得對零件及密封錐面造成額外的損傷和滿足供料節拍和兼顧裝配精度的要求，本文就回液閥芯自動供料設計了一套旋轉分度頂升供料系統，總體結構如圖5所示。該系統主要由三個部分組成：物料旋轉系統（凸輪分度系統、旋轉盤和物料載體模塊），頂升系統（頂升電缸、下限位傳感器和定位傳感器）及上料系統（夾取系統和平移電缸）。物料旋轉系統主要用于物料間隔分度供料，共有16個工位，每用完一個工位的物料分度盤旋轉一個工位，將下一個工位的物料提供給頂升系統；頂升系統主要作用為將旋轉系統提供的物料按節拍單件向上推送，每次將一件回液閥芯工件推送到定位傳感器感應的指定位置；上料系統將頂升系統提供的指定位置的回液閥芯利用平移電缸上的氣動三爪夾取，然后平移電缸將回液閥芯在指定位置蘸取潤滑油后裝配到生產線工件內，完成一個供料工藝流程。

該旋轉分度頂升供料系統不僅滿足了設計技術要求，還具有以下幾個方面的優點：1）采用機械式的凸輪分度結構，定位精度高，可靠性高；2）采用多傳感器進行定位及工件檢測，保證了裝配產品的方向合格率；3）系統為模塊化設計，可以實現與生產線的快拆快裝；4）系統運行過程噪聲在40 dB以下，不僅滿足國家標準，還保護了操作人員的職業健康。

圖5 旋轉分度頂升供料系統

4 關鍵結構設計

4.1 凸輪分度系統設計

凸輪分割器的設計是該自動供料系統的關鍵，本文設計選用中空法蘭盤輸出精密凸輪間歇分割器，其工作原理是輸入軸上的球形凸輪（弧面凸輪）與輸出軸上帶有均勻分布滾針軸承的從動輪無間隙垂直嚙合，弧面凸輪輪廓面的曲線段驅使從動輪上的滾針軸承帶動輸出軸轉位，直線段使分割器靜止，并定位自鎖。通常情況下，球面凸輪旋轉一圈，輸出軸便完成一個轉位和一個停頓的分度過程[7]。凸輪分割器具有定位精度高、使用壽命長等優點，一般單導程間歇分割器分度精度達到±30″，該系統采用的為雙導程分割器，分度精度為±60″，中空法蘭盤設計節省安裝空間，更利于上方旋轉盤、工件和傳感器等輔助裝置的安裝。

除了凸輪分割器本體的選型設計，凸輪分度系統設計的另外一個重要方面為輸入軸驅動電動機的設計，其中關鍵是輸入軸旋轉電動機功率的計算。本文設計物料旋轉部分的旋轉盤半徑R1=300 mm，厚度H=16 mm，旋轉盤材料為Q235A，工件位置半徑R2=330 mm，每工位滿載情況下工件總質量m1=2 kg，每工位夾具質量m2=0.5 kg，旋轉系統共含有16個工位，凸輪分割器導程數m=2，設計每工位旋轉時間T1=1 s，靜止時間T2=1/3 s，系統輸入軸轉速為n=45 r/min，選定旋轉系統的電動機為三相異步電動機，額定電壓220 V，根據上面各設計參數，計算驅動電動機最小輸出功率如下[8]：

凸輪分割器驅動角為θ=360°·[T1/(T1+T2)]=270°；旋轉盤質量為W0=π·R21·H·ρ1= 35.27 kg，其中，ρ1=7.8 g/cm3；工件總質量為W1=16m1=32 kg；工位夾具質量為W2=16m2=8 kg。

由此可以得到旋轉盤轉動慣量J0、工件轉動慣量J1和工位夾具轉動慣量J2分別為：

則總轉動慣量為J=J0+J1+J2=5.94 kg·m2。

4.2 物料載體模塊設計

根據設計要求，工件人工補料間隔時長在2 h以上且不得停機補料，另外系統需具有缺料報警功能。為滿足上述要求，設計圖6所示的物料載體模塊，該模塊由兩個部分組成：1）由底板、直線軸承、本體和球頭柱塞組成的基體部分通過螺栓連接固定在旋轉盤上，隨旋轉系統旋轉盤運動，系統設計共可以搭載16個模塊；2）由限位塊、托塊和柱體組成的活動部分為物料載體模塊主體部分，在操作工人每次更換物料時，只需要將此部分快速插入到基體部分即可，無需對供料系統進行停機，更換物料時間在5 s以內，對生產節拍不產生影響。

模塊設計的兩個關鍵部件為物料載體模塊內的直線軸承和球頭柱塞。直線軸承安裝在本體內，主要起到定位作用，保證快速更換物料后，物料仍然能夠滿足夾取系統的拾取精度要求。工裝一共設計有3個球頭柱塞，選取的球頭柱塞內部帶彈簧，能夠對柱體產生一定的保持力而又不會導致柱體無法拔出，滿足快速更換成組回液閥芯的要求。根據生產節拍及系統滿載物料情況下的計算，該設計滿足間隔2 h進行補料的要求。

物料載體模塊頂部對應設計有紅外傳感器檢測系統，每次頂升氣缸往上運動一個位置，回液閥芯工件到達檢測位，紅外傳感器會檢測工件有無，如果測量輸出信號為“1”，代表此處存在工件，系統信號傳送給平移電缸夾取工件，如果測量輸出信號為“0”，代表此處無工件，系統信號傳送給頂升氣缸，頂升氣缸向上運動一個位置，如此循環。假如直到頂升氣缸上限位仍未檢測到工件，則頂升氣缸下移到原始位，與下限位傳感器進行冗余分析后，分割器旋轉一個工位，如此循環3個轉動工位（工位數量可在實際運行中根據工況進行調整），上端檢測傳感器仍輸出為“0”，則系統缺料報警，提示操作人員進行補料。

圖6 物料載體模塊

旋轉分度頂升供料系統現場實際運行情況如圖7所示。

5 結 論

旋轉分度頂升供料系統解決了液壓閥芯零件自動供料容易對產品造成損傷的問題，并且實現了零件安裝面的100%合格。該系統屬于液壓閥芯自動裝配生產線的一部分，生產線已于2018年4月投入使用，系統運行情況穩定，達到了最終的設計要求。通過對該系統的研究與設計，為精密液壓產品自動化生產提供了參考依據。

圖7 旋轉分度頂升供料系統實際效果