自动铆接机的机械结构设计

聂永增

(广东省技师学院，广东 惠州 516100)

随着劳动力成本的不断提高，越来越多的企业关注工厂自动化这一领域，也给该行业带来了发展商机。机械自动化设备的开发包含为客户提供从方案、加工、组装到调试的一体化解决方案。即从产品的构思→方案→建模→出图→加工→组装→调试，提供给客户一整套的解决方案。在机械工程各环节中，机械设计是机械生产的第1步，应在各种限定的条件下进行设计优化，综合考虑各项要求，包括最佳的工作性能、最少的制造成本和最低的能源消耗等[1]。

某企业专业生产和组装五金制品，在生产过程中，一些零件的需求量非常大(以10万件计)，零件紧固、密封和可置换性要求高。本文以该企业生产的精密接头零件(见图1)为例进行研究，要求装配体中的上盖与底座进行铆接。

图1 精密接头零件图

1 设计思路

该零件是自动化生产线中的重要零件，装配工艺要求较高，其高要求主要体现在3个方面：一是紧固性要求高；二是零件变形控制要求高；三是可置换性要求高。相对而言，手工操作的成本高、产品一致性和稳定性差、生产效率低；利用工业机器人进行装配，其自带的视觉传感系统可对零件进行识别，然后通过机械手进行装配，省去了一些周边设备，但成本高。

通过设计制作出一台非标准自动化设备来完成装配和铆接动作，可确保紧固性要求、非装配位置的尺寸和装配件的稳定一致，提高生产效率，降低生产成本[2]。其机械设计逻辑思路如图2所示。建模和仿真应用SolidWorks软件完成。

图2 机械设计逻辑思路

2 零件分析

本次装配的零件属于微小零件，底座和上盖尺寸<10 mm，两者之间采用过盈装配。零件材质为Q235，w(C)=0.12%～0.22%，属于低碳钢，硬度为36～40 HRC。装配截面图如图3所示，干涉厚度约为0.06 mm，装配长度为2.4 mm。考虑到装配动作不多，涉及零件只有3个，同时考虑合理利用空间及方便布局，本次选择回转式装配机。

图3 装配截面图

3 自动铆接机的机械结构设计

为了确保整个机械构造结构紧凑，逻辑关系便于梳理，维修操作方便，整体设计如图4所示。其机械结构包括底座送料机构、垫片送料机构、上盖送料机构、分度盘机构、压铆机构、卸料机构和箱体等。

图4 整体设计图

3.1 自动送料机构的选择

振动盘是一种自动组装或自动加工机械的辅助送料设备，简称自动定向排序送料装置，能够对乱序的零件进行自动筛选和排序[3]，实物图如图5所示。可根据零件的尺寸来选择不同尺寸的顶盘，顶盘尺寸为φ80～φ1 000 mm。本次设计的零件都是微小零件，底座和上盖零件尺寸<10 mm，同时参考市场上振动盘的性价比，选择顶盘尺寸为φ140 mm的振动盘输送垫片，选择顶盘尺寸为φ175 mm的振动盘输送底座和上盖。

图5 振动盘实物图

设计振动盘出料口与进料轨道位置如图6所示，振动盘出料口与进料轨道对齐，并通过高度调节螺栓调整振动送料器与进料轨道的高度(通常振动器的出口高度要比轨道的进料口高度高出0.3 mm)。

图6 振动盘出料口及进料轨道

垫片是精密接头零件的装配零件之一，厚度只有0.6 mm，外径只有8.5 mm，输送轨道设计如图7所示。直线轨道长度为170 mm，实践发现，仅仅依靠振动盘的力度，垫片会出现卡死现象，无法继续前进，而通过增加直振器(见图8)可解决垫片前进动力不足的问题[4]。

图7 垫片(直振/钢带)输送轨道

图8 直振器实物图

3.2 精密接头零件装配分度盘及回转机构的设计

精密接头零件的装配有3个进料位，加上铆接装配工位和卸料位，分度盘至少有5个工位，考虑到制造及操作等更加方便，应再扩展1个工位；因此设计分度盘为6个工位，且旋转方向为顺时针方向[5]。

分度盘的间歇回转需要选择合适的控制机构。步进电动机回转机构、气动分度盘机构、棘轮棘爪机构和凸轮分割器是4种常见的回转间歇机构，经对比(见表1)以及市场最新应用情况，选择采用凸轮分割器及传感器配合普通电动机来实现间歇控制功能[6]。设计分度盘如图9所示。

表1 常用回转间歇操作机构主要技术指标对比

图9 设计分度盘

3.3 气缸、气液增压缸的选择及铆合部分的设计

综合考虑，3个进料位和1个卸料位采用适当的气缸进行零件装卸，4个工位共用到8个气缸。前后运动采用标准型气缸，上下运动为了避免干涉采用薄型气缸[7](见图10)。

图10 气缸的选择

为保证铆压效果，将装配工位设计为直压型气液增压缸，以纯气压源为动力，利用增压器的大小活塞面积比，将低压气压提高数十倍变为高压油压，达到高压输出的目的。一般来说，气液增压缸的行程较小，行程控制时应充分考虑和利用，避免出现限位无效的情况。形状控制方面应确保铆合的质量，而且不对装配件造成干涉与损害。按照经验，单边留出0.05 mm作为零件放置的间隙，具体设计如图11所示。

图11 铆合部分的机械设计

4 自动铆接机机械构造的建模与装配

自动铆接机整个结构应用SolidWorks软件设计、装配和修改，以旋转工作台为中心，3条进料轨道平行放置，压铆工位设置在3条进料轨道对面，旋转工作台呈顺时针旋转，卸料工位位于压铆工位下一个位置。零件装配时，准确装配的关键是控制好自由度，包括线性尺寸、平行度、垂直度、同轴度及角度等[8]。当出现干涉时，首先应考虑装配是否正确，排除装配问题后，应对零件特征进行修改，直到合适为止。

上述对自动铆接机各个系统进行了总体布置及机械结构设计，设备能够满足生产需要，结构简单紧凑，性能可靠，组装灵活，操作方便。后续还应进行电气控制设计方面，即PLC硬件控制电路设计和PLC控制程序设计[9]，以及零配件的采购、装配与调试，本文不再赘述。完成的设备如图12所示，装配成品如图13所示。

图12 全自动精密接头零件装配一体机设备图

图13 装配成品图

5 结语

应用自动铆接机提高了精密接头零件的装配效率。该设备把应用于机械装配控制系统相关的自动化技术融为一体，实现了快速连续自动装配，避免了人工操作导致的部分铆压不到位、紧固性不好、装配零件变形和装配件稳定性不好等情况，减少了人工成本。装配自动化今后将会向模块化、柔性化和自动化等方面发展，以满足多品种生产和自动化装配要求[10]。

[1] 王志强. 非标机械设计在工厂中的应用[J]. 中国机械，2014(6):185-185.

[2] 李文广. 浅谈非标设备的设计与制造[J]. 化学工程与装备，2010(10):106-107.

[3] 李洋. 浅谈非标设计的标准化[J]. 中国机械, 2013(7):191-191.

[4] 许菁. 运用CAD技术进行非标设备模块化设计[J]. 网友世界·云教育, 2013(Z3):46-47.

[5] 曹仁涛. 现代机械设计方法浅析[J]. 甘肃科技，2012(23):77-78.

[6] 吴修文，郭红玉，何伟宁. 生产装配线中气动分度盘的设计[J]. 农业装备与车辆工程，2009(1):42-44.

[7] 张萍. 机械设计基础[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[8] 苏义. 基于现代化的机械装配自动化应用及发展研究[J]. 电子测试，2015(10)：36-37.

[9] 郑相周，唐国元. 机械系统虚拟样机技术[M]. 北京：国防工业出版社，2007.

[10] 秦勇坚. 现代化机械装配自动化的应用与发展[J]. 科技信息，2013(5)：137.