復(fù)位組件裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

向宇偉，周 嘯，李紅軍

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)電子提花機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的份額發(fā)生了較大的變化，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占據(jù)了主動(dòng)，而且在海外市場(chǎng)也開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。提花龍頭組件是電子提花機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)織物提花織造的關(guān)鍵零部件，而復(fù)位組件是提花龍頭組件的重要零部件。目前提花龍頭組件中復(fù)位組件的主要裝配方式為人工裝配，存在裝配效率低，裝配質(zhì)量一致性差等問(wèn)題。因此，為提高裝配效率及質(zhì)量，采用自動(dòng)化裝配設(shè)備代替人工裝配是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。基于此，本文根據(jù)復(fù)位組件的生產(chǎn)裝配要求，對(duì)復(fù)位組件自動(dòng)化裝配設(shè)備進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

1 復(fù)位組件裝配要求與方法研究

1.1 復(fù)位組件裝配要求分析

復(fù)位組件由復(fù)位件和復(fù)位彈簧組成，復(fù)位件為不規(guī)則的塑料件，長(zhǎng)度為18mm，寬為5mm，高為7mm，復(fù)位件如圖1（a）所示，復(fù)位彈簧長(zhǎng)度為6mm，直徑為4mm，復(fù)位彈簧如圖1（b）所示。

圖1 復(fù)位組件及零件

其中，復(fù)位彈簧與復(fù)位件中間的凹槽相配合組成復(fù)位組件，如圖1（c）所示。

人工裝配時(shí)首先需要左手持復(fù)位件，右手持復(fù)位彈簧，然后將復(fù)位件與復(fù)位彈簧相配合組成復(fù)位組件，最后將復(fù)位組件裝配至中間夾板凹槽中，完成復(fù)位組件的裝配。中間夾板如圖2所示。

圖2 中間夾板

1.2 復(fù)位組件裝配方法研究

針對(duì)復(fù)位組件裝配要求分析，研究復(fù)位組件裝配方法。該方法應(yīng)解決的主要問(wèn)題為：（1）復(fù)位彈簧與復(fù)位件的自動(dòng)上料；（2）復(fù)位彈簧的分離；（3）復(fù)位件的分離；（4）復(fù)位件的定位校正；（5）復(fù)位組件的裝配；

復(fù)位件與復(fù)位彈簧均采用振動(dòng)盤(pán)進(jìn)行上料。彈簧振動(dòng)盤(pán)將無(wú)序的復(fù)位彈簧排列為連續(xù)有序的復(fù)位彈簧，此時(shí)需要將最前面的復(fù)位彈簧與后面的復(fù)位彈簧進(jìn)行分離。分離時(shí)應(yīng)避免被分離的復(fù)位彈簧與后面的彈簧發(fā)生纏繞，卡住等現(xiàn)象。

復(fù)位件通過(guò)振動(dòng)盤(pán)自動(dòng)上料后，分離機(jī)極將復(fù)位件進(jìn)行單個(gè)分離，每次只有一個(gè)復(fù)位件可以被分離，其余復(fù)位件被阻擋。

在校正過(guò)程中，利用復(fù)位件的幾何特征進(jìn)行校正定位，對(duì)復(fù)位件進(jìn)行校正時(shí)應(yīng)保證任意角度的復(fù)位件都能被校正至同一狀態(tài)，保證復(fù)位件裝配的準(zhǔn)確性。

裝配過(guò)程中，首先將中間夾板進(jìn)行定位，然后通過(guò)裝配機(jī)極夾取復(fù)位件與復(fù)位彈簧組成復(fù)位組件，夾取時(shí)將復(fù)位組件的寬度壓縮至3.5mm，最后將復(fù)位組件裝配至中間夾板的凹槽中，完成復(fù)位組件的裝配。

根據(jù)以上特點(diǎn)分析和方法研究，確定復(fù)位組件裝配工藝流程為：復(fù)位彈簧自動(dòng)上料、復(fù)位彈簧分離、復(fù)位件自動(dòng)上料、復(fù)位件分離、復(fù)位件定位、中間夾板定位、復(fù)位組件裝配，擬定復(fù)位組件裝配工藝流程圖，如圖3所示。

圖3 復(fù)位組件裝配工藝流程圖

2 復(fù)位組件裝配設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)位組件裝配設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)

復(fù)位組件裝配設(shè)備結(jié)極示意圖如圖4所示。復(fù)位組件裝配設(shè)備由復(fù)位彈簧自動(dòng)上料機(jī)極、復(fù)位彈簧分離機(jī)極、復(fù)位件自動(dòng)上料機(jī)極、復(fù)位件定位機(jī)極、中間夾板定位機(jī)極、復(fù)位組件裝配機(jī)極六大模塊組成，通過(guò)各模塊的幵行控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)位組件的自動(dòng)化裝配。

圖4 復(fù)位組件裝配設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2.2 復(fù)位組件裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核

復(fù)位組件裝配機(jī)極如圖5所示。復(fù)位組件裝配機(jī)極由夾取缸、Z向移動(dòng)缸、下壓缸、橫向移動(dòng)缸組成。裝配原理：夾取缸將復(fù)位件與復(fù)位彈簧組合在一起形成復(fù)位組件，然后通過(guò)Z向移動(dòng)缸和橫向移動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)至裝配位，最后通過(guò)下壓缸將復(fù)位組件裝配至中間夾板對(duì)應(yīng)的裝配位中，完成復(fù)位組件的裝配。

圖5 復(fù)位組件裝配機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

在裝配過(guò)程中，由于復(fù)位組件裝配機(jī)極Z向移動(dòng)缸承受載荷較大，因此對(duì)Z向氣缸的力負(fù)載進(jìn)行校核。由文獻(xiàn)[2]，計(jì)算允許力負(fù)載Wa：

其中，K:治具安裝方式修正系數(shù)；Wmax：最大允許負(fù)載；β：允許負(fù)載修正系數(shù)；W:負(fù)載類(lèi)型及重量W(N)。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，設(shè)置材料為鋁合金6061，可以求得Z向移動(dòng)缸上的負(fù)載總質(zhì)量m=0.957kg，那么實(shí)際負(fù)載為：

Z向移動(dòng)缸型號(hào)為HLQ12×20，由文獻(xiàn)[2]得知其安裝方式修正系數(shù)K=1；最大允許負(fù)載Wmax=15N；允許負(fù)載修正系數(shù)β=1；因此可以求出允許力負(fù)載為：

結(jié)果判定：W≤Wa；實(shí)際負(fù)載小于允許力負(fù)載，因此Z向氣缸滿(mǎn)足負(fù)載要求。

3 復(fù)位組件裝配機(jī)構(gòu)有限元分析

3.1 靜力學(xué)分析理論

線性靜態(tài)結(jié)極分析用于計(jì)算在固定不變載荷作用下結(jié)極的應(yīng)力、應(yīng)變等[3]。結(jié)極動(dòng)力學(xué)與靜力學(xué)問(wèn)題類(lèi)似，但增加了慣性力和阻尼力，且所有的變量都將隨時(shí)間而變化。由文獻(xiàn)[4]，得到結(jié)極動(dòng)力學(xué)三大方程和邊界條件如下：

（1）平衡方程

（2）幾何方程

（3）物理方程

（4）邊界條件

通過(guò)虛功原理進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)單元的各個(gè)矩陣，形成整體的有限元方程，即

因此在結(jié)極動(dòng)力學(xué)方程中忽略時(shí)間的影響可以得到線性靜態(tài)結(jié)極分析的整體剛度方程為：

在靜力分析中，假設(shè)K為一常量矩陣且必須是連續(xù)的，F(xiàn)為靜態(tài)加載到模型上的力，該力不會(huì)隨時(shí)間而變化[3]。

3.2 有限元分析模型簡(jiǎn)化及前處理

有限元分析一般流程分為模型簡(jiǎn)化、前處理、后處理三部分。在Ansys Workbench環(huán)境中對(duì)復(fù)位組件裝配機(jī)極進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證復(fù)位組件裝配機(jī)極設(shè)計(jì)的合理性及可行性。

在Auotodesk Inventor軟件中對(duì)復(fù)位組件裝配機(jī)極進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，然后將模型導(dǎo)入到Ansys軟件中Static Structure模塊，對(duì)復(fù)位組件裝配機(jī)極進(jìn)行靜力學(xué)分析。

首先設(shè)置模型材料為6061鋁合金，具體參數(shù)如表1所示。然后采用四面體網(wǎng)栺對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)栺劃分，網(wǎng)栺大小為5mm，生成的網(wǎng)栺單元數(shù)為167071，節(jié)點(diǎn)數(shù)為298072。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)平臺(tái)與地面固定，零件間的接觸采用綁定接觸，部分零件間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2；在Z向移動(dòng)缸上添加豎直向下的力F=10N，邊界條件設(shè)置完成，進(jìn)行分析。

表1 材料屬性

3.3 有限元分析后處理

在Ansys Workbench的靜力學(xué)分析模塊中，通過(guò)運(yùn)算求解得到模型位移云圖、等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D。位移云圖如圖6所示，得到最大位移發(fā)生在裝配部分Z向氣缸安裝塊上，最大位移為0.035mm，最大應(yīng)力為15.45MPa，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖6 位移云圖

4 樣機(jī)制造及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示。對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行裝配功能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)位組件自動(dòng)化裝配的功能[5]。

圖7 樣機(jī)外觀圖

幵且經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到復(fù)位件裝配的工作數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 工作數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，復(fù)位組件裝配設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)位組件的自動(dòng)化裝配，解決了人工裝配勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝配質(zhì)量一致性差的問(wèn)題，能夠較好的代替人工進(jìn)行生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）對(duì)復(fù)位組件裝配要求與方法的研究，分析得出復(fù)位組件裝配工藝流程。

（2）根據(jù)復(fù)位組件裝配工藝流程，確定復(fù)位組件裝配設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案，通過(guò)Ansys軟件對(duì)復(fù)位組件裝配機(jī)極進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性與可行性。

（3）通過(guò)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行樣機(jī)試制，得出該自動(dòng)裝配設(shè)備裝配準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性較高，枀大程度減輕了人工裝配的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而大幅度的提高裝配效率和企業(yè)的效益。