液壓鉸鏈鉸杯自動上料機構設計

摘要：鉸杯上料是液壓鉸鏈生產過程中必不可少的環節，但由于其體積較大且形狀不規則，導致其裝配過程仍依靠人工來完成，對此設計了一種鉸杯自動上料機構以代替人工上料。鉸杯上料機構主要由上料機構與裝配機構兩部分組成，實現了兜仔的自動上料、自動分料及向治具上自動安放的功能。通過對裝配機構進行模態分析和諧響應分析，找出系統固有頻率，驗證了外界激振頻率不會引起系統共振，導致結構破壞。其結構簡單且工作穩定，現階段已應用于液壓鉸鏈生產線中。其裝配方法適用于其他型號的鉸鏈，具有較強的通用性，值得推廣。

關鍵詞：液壓鉸鏈；送料機構；裝配機構；模態分析

中圖分類號：TH162；TH122 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.003

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0014-09

Abstract：The hinge cup assembly is an essential step"in the production process of hydraulic hinge. However， due"to its large volume and irregular shape， the assembly process still depends on manual labor. Therefore， a kind of hinge cup assembly mechanism is designed to replace manual assembly. The hinge cup assembly mechanism is mainly composed of the feeding mechanism and the assembly mechanism， which realizes the functions of automatic feeding， automatic distributing and automatic placement onto"the fixture. Through the modal analysis and harmonic response analysis of the assembly mechanism， the natural frequency of the system is identified， and it is verified that the external excitation frequency will not cause the system resonance， which"results"in structural damage."The"structure is simple and stable， and it has been applied to the hydraulic hinge production line at this stage. The assembly method is suitable for other types of hinges， showing"strong versatility， and is worthy of promotion.

Key words：hydraulic hinge；feeding mechanism；assembly mechanism；modal analysis

液壓鉸鏈是應用于門板類家具的重要五金連接件，由于具有良好的緩沖能力，因此自其問世以來便是應用最為廣泛的鉸鏈產品[1-3]。

液壓鉸鏈結構如圖1所示，主要鉸杯、直臂組件、U型針、四孔以及緩沖器組件所構成。其中鉸杯作為裝配的首到工序，由于其體積加大且形狀較為特殊，現階段對其裝配還主要依靠手工來完成，不僅導致效率低下、生產成本高，且存在一定的安全隱患[4-5]；此外，這也制約了液壓鉸鏈實現自動化生產。對此，設計了一種液壓鉸鏈鉸杯裝配機構，應用于所研發的液壓鉸鏈裝配線上，以實現鉸杯的自動化裝配。

1 液壓鉸鏈鉸杯裝配機構總體概述

本文所研究的鉸杯結構如圖2所示，其最大尺寸為62.5×38.3×14.4 mm，其兩側對稱開有圓形通孔，中心通過沖壓工藝開設有形狀不規則的凹槽。裝配過程中，隨行夾具首先由傳輸機構輸送至鉸杯裝配機構下方，要求通過裝配機構將鉸杯豎直安放至隨行夾具中，從而為后續零部件的裝配做準備。

考慮到鉸杯機構較為復雜，為實現其自動化裝配，在設計過程中，設計了送料機構以實現鉸杯的自動化輸送工作；設計了鉸杯裝配機構以實現鉸杯的逐一定位分離，以及向隨行夾具上的安放工作[6-7]。其整體裝配圖如圖3所示，機構選用了PLC作為控制系統，選用了震動盤作為鉸杯的篩選上料裝置，并采用了電機和氣缸作為機構的驅動元件。

2"鉸杯送料機構

考慮到鉸杯體積較大且兩側的壁厚較薄，若采用直振進行振動傳輸，不僅傳輸效率低下，且容易使相鄰鉸杯之間發生重疊影響裝配[8]，對此鉸杯送料機構采用了振動盤與輸送帶結合的方式來實現零件的篩選和輸送，如圖4所示。送料過程中，鉸杯首先由振動盤篩選使其按統一的朝向流入輸送帶，并由輸送帶將其輸送至鉸杯裝配機構的上料槽之中，從而實現上料。

3 鉸杯裝配機構

由送料機構輸送的鉸杯需要經過逐一定位、分離才可進行裝配[9-10]，對此鉸杯裝配機構設計過程中，設計了定位裝置用來實現鉸杯的逐一分離、定位以及夾持[11-12]；設計了裝配裝置用來按壓鉸杯，實現其豎直向下的裝配。

3.1"定位裝置

定位裝置如圖5所示，主要由上料槽、推料氣缸、推桿、傳感器、彈簧以及滑塊組成。上料槽中心開有相互垂直的凹槽，其中一側凹槽與傳送帶相對接，以實現鉸杯向上料槽上的輸送；另一側凹槽上安裝有推桿和推料氣缸，以實現鉸杯上料后的逐一分離；此外，在凹槽交匯處的前端還開有豎直朝向的方形通孔，以實現鉸杯的垂直出料。

工作過程中，由送料機構傳輸的鉸杯可沿上料槽上的凹槽橫向流入上料槽，直至鉸杯與凹槽內壁相抵停止運動，從而實現上料后的初步定位；隨后由推桿推動鉸杯，使其沿凹槽內壁移動至方形通孔上方，從而將輸送的鉸杯的逐一定位分離，并為后續的下壓出料做準備。在設計過程中，為了實現對鉸杯上料情況的檢測，在上料槽上鉸杯移動的終點位置安裝了傳感器；此外，為了避免鉸杯上料時位置出現偏移，在上料槽上鉸杯后側對應位置還增加了磁鐵以吸附鉸杯。

考慮到鉸杯裝配時需要沿上料槽通孔垂直下料，為了確保鉸杯能夠在通孔上方移動到位，而不會受重力下落滑出；同時也為了對分離后的鉸杯實現定位，對此在方形通孔兩側設置了一種可自動開合的滑塊結構。其滑塊結構如圖6所示，主要由滑塊1、滑塊2、彈簧以及固定板構成，滑塊1與滑塊2均對稱設計有兩個，分別安裝在上料槽兩側通孔之中，其后側通過彈簧與固定板相連接；滑塊2前端設置有斜面，用來將鉸杯兩側托起；滑塊1前端設置有梯形凹槽，側面安裝有磁鐵，用來夾持和吸附鉸杯，以防止其發生上下轉動。

工作過程中，鉸杯首先沿滑塊2移動至通孔上方；隨后通過鉸杯前端圓弧面將滑塊1撐開并卡入滑塊2之中，從而實現鉸杯逐一分離后的托起、夾持和定位。

3.1.1"自動開合滑塊結構受力分析

滑塊是鉸杯定位、支撐和下料的重要零件，其有兩種工況，一是鉸杯靜置于滑塊斜面上，此時滑塊受鉸杯重力與彈簧的彈力的作用；二是氣缸將鉸杯壓入定位裝置，此時滑塊受鉸杯重力、彈簧彈力和氣缸推力的作用。該結構為對稱結構，取其中一邊進行受力分析，結構受力圖如圖7所示。

式中：為滑塊與鉸杯之間的摩擦力；θ為滑塊斜面與水平面的夾角，根據實際情況取60°；為鉸杯對滑塊的法向壓力；為氣缸對鉸杯的壓力；m為鉸杯的質量，為16.3g；g為重力加速度；為鉸杯與滑塊斜面之間的滑動摩擦系數，取0.3；為彈簧壓縮力。

3.1.2"彈簧的選型與計算

彈簧是開合機構中的重要零件，彈簧設計的優劣決定著鉸杯定位的準確性和裝配過程的流暢性，故對彈簧進行詳細設計。初選氣缸缸徑為16 mm，經查閱手冊得其輸出力為100.5"N。結合式（1）～（3）可得工況一的最小彈簧壓縮力為0.34 N，工況二的最大彈簧壓縮力為217.5 N，故彈簧壓縮力0.34 N≤≤217.5 N。

綜合考慮彈簧受力情況及尺寸大小，選擇彈簧＝100 N，最大變形λmax＝10 mm，彈簧直徑為[13-14]：

式中：d為彈簧直徑；K為彈簧的曲度系數；C為彈簧旋繞比，初選C＝5.5；τp為許用切應力，彈簧選用60Si2Mn，查詢標準GB/T 23935-200[18]可知τp＝420 N/mm2。

K的計算如下：

K約為1.28，代入式（4）可得彈簧直徑d約為2.07"mm，取整為2"mm。

彈簧有效圈數計算如下：

式中：n為彈簧有效圈數；G為彈簧切變模量；D為彈簧中徑，；k為彈簧剛度。

求得n＝11.9。

彈簧通過拉桿安裝在開合機構上，拉桿直徑為9 mm，因此彈簧內徑為9 mm。由上述計算可知，彈簧設計參數如表1所示。

3.2"裝配裝置

裝配裝置結構如圖7所示，主要由安裝板、下壓氣缸、導柱以及導桿所構成，安裝板安裝在機架大板上的支撐柱上，其下側固定有定位裝置；側面豎直安裝有下壓氣缸和導柱。考慮到鉸杯凹槽底面較為平整，因此裝配時采用了下壓鉸杯凹槽的方式進行出料。裝配過程中，由下壓氣缸驅動導柱按壓鉸杯，使鉸杯從滑塊中推出并落入下方的夾具之中，從而實現鉸杯向治具上的最終裝配。

在實際裝配過程中，由于上料槽與下方夾具之間存在較大間隙，當鉸杯從定位裝置推出時容易在豎直方向產生轉動，從而造成鉸杯裝配不到位，對此在導柱兩側又增加了導桿，用來對鉸杯輔助定位。在鉸杯裝配時，導柱會隨導桿進行下移，并提前穿入鉸杯的兩側通孔中，從而在鉸杯下落途中實現對其定位，避免了鉸杯在下落途中姿態發生改變。

4"裝配裝置模態分析

模態參數主要包括系統的固有頻率、模態振型及阻尼比；當系統的固有頻率與外界激勵頻率接近時，系統可能會發生共振現象，導致機構發生破壞，從而影響設備正常使用[15-16]。在鉸杯裝配機構中，鉸杯的自動上料、送料功能是通過振動盤和直震器完成，在工作過程中系統不可避免會產生一定頻率的振動，為了防止由于機構共振產生的裝配失敗和機構損壞問題，對裝配裝置進行模態分析。模態分析步驟如圖9所示。

4.1"簡化數模

裝配裝置整體結構如3.2節所示，在UG中完成其三維數模的建立，為了便于模型網格劃分，首先忽略圓角、倒角、銷孔及部分不影響有限元模型主要特征的凸臺、凹槽；然后刪除模型中的螺栓，在有限元模型的建立過程中使用約束替代；最后將不影響機構強度的修飾特征進行簡化，以減小模型的計算量。

4.2"定義材料屬性

合理的材料選擇能提高零件強度、減小制造成本，提高機構可靠性。假設材料密度均勻，機加工件大部分采用45#鋼，作為驅動裝置的氣缸缸體為鋁合金，活塞桿為不銹鋼，作為導向裝置的線規與滑塊為不銹鋼材質。相關材料屬性如表2所示。

4.3"劃分網格

網格質量決定著模型計算精度及計算速度，對與較為規則的零件采用六面體單元、使用結構或者掃掠技術劃分；對于較為復雜的零件采用四面體單元、使用自由技術劃分，網格劃分后的模型如圖10所示，共有單元442"804個，節點104"156個。

4.4"約束及邊界條件設置

根據機構實際運動情況將螺栓連接處的接觸關系設置為綁定約束，具有相對運動的表面接觸關系設置為“表面與表面接觸”，摩擦系數設為0.3；裝配裝置通過立柱安裝在機架上，故固定約束立柱與支撐板連接處的六個自由度。

4.5"結果分析

由模態理論可知，在裝配裝置的各階振型中，低階振型決定了上料裝置振動的具體參量，故模態分析提取前六階固有振型進行動態特性分析。前六階模態分析云圖如圖11所示；階數、頻率和振型特點如表3所示，根據表3的數據可知，裝配機構的前六階頻率為11～35"Hz。

5"裝配裝置諧響應分析

諧響應是指當隨時間變化的周期性載荷作用在機構中時，機構會產生持續性的周期性響應[17]。為進一步保證裝配機構不會因為外界振動而引起共振，對裝配機構進行諧響應分析，通過分析不同頻率載荷下機構的位移響應值曲線確定機構的共振頻率。

裝配裝置在自動上料機構中的工作狀態是導柱對鉸杯的循環壓入，近似機構受到簡諧載荷的作用；此外，在導柱壓入過程中彈簧的循環伸縮也會對機構產生簡諧載荷的作用。因此，在前述模態分析的基礎上，采用模態疊加法對機構進行諧響應分析，研究其在簡諧載荷的作用下機構的位移響應特性。

因為本課題只研究機構某點對頻率的敏感性，故施加的周期性載荷在合適的范圍即可，經研究確定，在導柱底面中心建立參考點1，然后將導柱底面耦合在參考點1上，如圖12所示。

首先在參考點1上施加方向為x向（彈簧伸縮方向）、大小為217.5"N的簡諧載荷，掃頻頻率為0～50"Hz，步長為1"Hz。求解結束后得到裝配機構x向頻率－振幅響應曲線和y向頻率－振幅響應曲線，如圖13（a）（b）所示，由圖可得，裝配機構在簡諧載荷作用下固有頻率為28.79"Hz的4階振型或50"Hz時，機構將產生最大位移變形。

然后在參考點1上施加方向為z向（導柱壓入產品方向）、大小為100"N的簡諧載荷，掃頻頻率為0～50"Hz，步長為1"Hz。求解結束后得到裝配機構z向頻率－振幅響應曲線，如圖13（c）所示，由圖可得，裝配機構在簡諧載荷作用下固有頻率為28.79"Hz的4階振型時，機構將產生最大位移變形。

綜上所述，裝配機構發生共振時的頻率與模態分析中的固有頻率一致，且對28.79"Hz附近的振動最為敏感，此頻率下機構中的導柱零件會出現位移的最大峰值，為保障裝配機構在自動上料過程中能正常工作，應該盡量避免該頻率附近的振動產生。直震器和振動盤的調頻范圍為40～120"Hz，根據樣機調試結果，此次設計將其頻率調制60"Hz，前6階模態頻率遠離外界激勵頻率，機構不會因為外界激勵發生共振破壞。

6"結語

本文設計了一種能夠應用于液壓緩沖鉸鏈生產線的鉸杯裝配機構，機構解決了鉸杯的自動化上料、自動化定位以及自動化安放等難題，實現了液壓鉸鏈中鉸杯的自動化上料。通過模態分析和諧響應結果找出系統結構共振頻率，保證了該機構不會因為外界激勵發生共振。該機構不僅結構簡單、制造成本低廉、工作穩定，而且具有一定的通用性，現已應用于多種型號的膠裝裝配線制中，因此具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1]賴玉活，龍裕嘉，林偉健. 液壓鉸鏈翻轉機構設計[J]. 制造技術與機床，2021（3）：140-142.

[2]林文燦，易朋興. 一種烤箱自平衡門鉸鏈機構的設計與分析[J]. 機電信息，2023（2）：21-24.

[3]賴玉活，龍裕嘉，黃艷，等. 液壓鉸鏈鉚釘自動裝配機構設計[J]. 組合機床與自動化加工技術，2021（9）：142-144.

[4]劉慶玲. 新型大變形LEJ鉸鏈的結構設計與變形分析[J]. 機械傳動，2022，46（12）：148-154.

[5]趙祥杰. 銷軸組裝機上料裝置的研究[D]. 錦州：遼林工業大學，2021.

[6]周浩，盧劍鋒，田紫鋒，等. 一種芯體定位裝配及運送裝置的設計[J]. 現代機械，2021（5）：42-46.

[7]陳云輝. 一種新型自動化上料機構在點膠機中的應用[J]. 智能制造，2022（4）：63-65.

[8]郤智強，史振國，梁寶英. 薄壁襯套智能壓裝機設計與研究[J]. 山西大同大學學報（自然科學版），2021，37（6）：108-111.

[9]趙歡，葛東升，羅來臻，等. 大型構件自動化柔性對接裝配技術綜述[J]. 機械工程學報，2022：1-21.

[10]譚駿，朱元慶，王德龍. 某盤型工件內外自由曲面自動化測量夾具設計[J]. 制造技術與機床，2021（10）：97-99.

[11]王乾州. 磁鋼組件自動裝配設備及自動組裝夾具設計[D]. 大連：大連理工大學，2021.

[12]蓋立武，李宗堂，萬長東，等. 清洗機增壓零件專用夾具設計[J]. 組合機床與自動化加工技術，2022（9）：47-49.

[13]周君濤. 一種單兵攜行裝置的結構設計與分析[D]. 南京：南京理工大學，2021.

[14]陳思露，徐克，張慶. 一種航天伺服作動器載荷試驗臺的結構設計[J]. 機械制造與自動化，2022，51（5）：98-102.

[15]胡建飛，劉宏旭，溫慶榮，等. 高精度單軸轉臺結構設計及仿真分析[J]. 激光與紅外，2020，50（6）：718-723.

[16]金雨飛. 老虎腿加工中心結構設計及優化仿真研究[D]. 哈爾濱：東北林業大學機械工程，2022.

[17]李剛，宋振東，何元一，等. 衛星平面可展天線背架結構設計與分析[J]. 機械設計與制造，2022，375（5）：42-47.

[18]中國國家標準化管理委員會.圓柱螺旋彈簧設計計算：GB/T 23935-2009[S]. 北京."中國標準出版社，2009.