电梯导轨连接件自动铆接系统开发

2022-05-31朱红萍郭胜唐文献

沙洲职业工学院学报 2022年1期

朱红萍郭胜唐文献

（1.沙洲职业工学院，张家港 215600；2.镇江宇城智能装备科技有限责任公司，镇江 212000；3.江苏科技大学，镇江 212000）

引言

随着城市中高层建筑的迅速增加，电梯已成为人们日程生活不可或缺的垂直交通工具。电梯导轨是由钢轨和连接板构成的电梯构件，电梯导轨的安装质量直接影响着电梯的安全、稳定运行。目前国内电梯企业大多采用点焊和铆钉铆接的方式来连接钢轨和连接板构件。其中铆接装置通常由人工完成上钉、拉铆工作，其生产效率低、精度低[1][2]。为了提高生产过程的自动化程度、降低劳动强度，急需研究和设计电梯导轨的自动化装配生产线，而其中电梯导轨的铆接安装是生产工艺流程中的关键环节。笔者旨在研发一套快速高效拉铆系统，以降低劳动强度，提高拉铆精度。

1 电梯导轨送钉拉铆系统整体方案确定

电梯上使用的导轨根据形状一般可分为“L”型、“T”型和空心型三种[3]。其中“T”型导轨的制造和使用目前已实现标准化和规范化，本文主要探讨“T”型导轨自动送钉拉铆系统的开发。

根据电梯导轨装配线送钉拉铆工艺的要求，电梯自动拉铆装置需要实现的功能是将连接垫片自动送至拉铆工位需装配的电梯导轨内，并借助视觉定位系统将连接垫片和电梯导轨上的铆钉孔对准，最后将送钉系统送来的铆钉插入铆钉孔内，完成拉铆动作。

自动拉铆设备主要完成以下工作：

（1）当电梯导轨到位后，定位夹具固定电梯导轨。

（2）设备的物料装置取出一个导轨垫片并与电梯导轨同轴对齐。

（3）设备将导轨垫片送入电梯导轨内部，导轨垫片的铆钉孔与电梯导轨的铆钉孔对齐。

（4）拉铆枪上钉，到达铆钉孔位1，拉铆，然后抛掉尾钉。

（5）拉铆枪再上钉，到达铆钉孔位2，拉铆，然后抛掉尾钉。

拉铆具体工艺流程如图1 所示。当电梯导轨输送至拉铆工位时，定位夹具将导轨定位，同时垫片自动送料系统将垫片送至等待位，视觉定位系统通过相机分别采集导轨端部和垫片图像，经分析处理后得到导轨端部和垫片的铆接孔坐标信息。垫片自动送料系统根据导轨和垫片的铆接孔位差值确定垫片进给量，并将垫片送至铆接位，此时垫片铆接位与导轨端部铆接位完全重合。振动盘将铆钉输送到安装在三坐标模组上的自动拉铆枪，三坐标模组根据导轨铆接孔位坐标信息，将自动拉铆枪移动到对应的拉铆孔位完成拉铆动作。

图1 送钉拉铆工艺流程简图

视觉系统需要两次拍照是由于导轨定位夹具无法限制导轨的轴向自由度，导轨定位后存在轴向偏移误差，因此，垫片系统需要根据偏移误差确定垫片的进给量，以保证垫片和导轨端部的铆接孔对齐。

2 电梯导轨拉铆送钉机械结构设计

电梯导轨拉铆送钉系统主要包括送料装置、拉铆装置和控制系统三大部分。该系统主要实现自动拉铆装置中的两部分功能：一是铆钉的自动送料，二是拉铆枪自动拉铆。

铆钉通过振动盘的振动，沿着料槽的轨道输送至固定位置，再通过分离装置将排列整齐的铆钉分离出单独一个铆钉，该铆钉通过移钉装置移动到吹钉孔，供气装置供给的高气压气体将铆钉沿着送钉管管道输送到拉铆装置。通过振动盘整列定向铆钉，具有通用性强、工作可靠、耗能小、生产率高的优点，同时通过高压送铆气体将铆钉输送至拉铆装置，结构紧凑简单，送钉稳定可靠。整个系统中各个动作的执行和衔接通过传感器（接近开关、光电开关等）输入信号，PLC 控制系统控制气缸、电机等源动件以实现自动化。

此系统相关设计参数为：抽芯铆钉型号为Ø 4×16，送钉时间5 s，拉铆工艺孔大小为2×Ø 4.2 mm，孔间距38 mm。电梯导轨和垫片拉铆后的结果如图2 所示。

图2 电梯导轨和垫片的铆接

2.1 电梯导轨自动送钉机构设计

电梯导轨拉铆送钉系统中的送钉装置包括振动盘、分离装置和移钉装置[4][5][6]。振动盘主要负责将铆钉整体输送和整列；分离装置和移钉装置则通过气缸的伸缩，分离出单独的铆钉以便输送给拉铆装置。

由于铆钉钉体直径不完全相同，可以在轨道上开滑槽加以整列，槽宽应介于钉体的最小直径和最大直径之间。铆钉在重力作用下自动按统一方向掉进滑槽内，达到整列的目的。本处钉体最小直径dmin=2.18 mm，最大直径dmax=8.29 mm，取槽宽为3 mm。同时，综合考虑选取轨道的螺旋升角α=5°，螺距t=76.8 mm。螺旋轨道是焊接在料斗筒体上的，随着料筒一起振动，因此需要在出料口下方安装一段静止的轨道（输料槽）来承接铆钉进行后续的输送。出料口（振动）与输料槽（静止）之间留有的间隙取c=2 mm。

分离装置主要由气缸、分离块和光电开关组成，如图3 所示。气缸驱动分离块做直线运动，将整列完成的铆钉进行单独的分离输送。当气缸处于初始位置时，整列过来的铆钉被分离块的前凸块拦住无法继续向前，此时，光电开关（控制系统信号输入）检测到铆钉后，控制系统控制气缸伸出，带动分离块向前做直线运动，被拦在前凸块的铆钉得到释放，而后面相邻的铆钉被分离块的后凸块挡住。当输送完被释放的铆钉后，气缸收回，分离装置回到初始位置，准备进行下一周期的分离。

图3 分离装置组成

被分离块分离出来的铆钉需要通过移钉装置移动到送钉孔，铆钉被高压送铆气体输送到下一工作环节。移钉装置主要由移钉块、光电开关、滑台气缸、气缸安装板和挡板组成，如图4 所示。

图4 移钉装置组成

2.2 电梯导轨拉铆装置设计

拉铆装置包括夹咀装置、自吸装置、驱动装置和枪头装置四个部分，如图5 所示。夹咀装置设有连接管与送钉管相连，将由振动盘输送来的铆钉夹住并配合自吸装置产生的负压，将铆钉吸入枪头装置的枪嘴内。驱动装置由丝杆滑块机构构成，驱动枪头装置的三爪卡片机构将铆钉夹紧并拉断铆钉芯，拉铆结束后，三爪卡片松开，排出尾钉。

图5 自动拉铆枪结构示意图

其中，夹咀装置主要包括平行四边形连杆机构设计、上夹咀和下夹咀设计、导开块设计、锁板位置设计和滑台气缸的选型等。

驱动装置主要由轴承支撑座、心轴固定座、心轴支撑块、丝杠、联轴器、电机支撑座、电机、导轨、滑块、导轨固定座和轴承等零件组成，实现整个拉铆过程的动力输出。

枪头装置是夹紧铆钉进行拉铆的主要构件，主要设计包括内筒套及外筒套设计、卡爪爪片设计、卡爪顶座设计、弹簧的选型和心轴的设计与校核。

3 电梯导轨拉铆送钉控制部分设计

根据自动拉铆送钉单元的控制要求，并结合机械部件的动作过程，对自动拉铆送钉的PLC 程序进行编制以及对触摸屏组态进行设计。本处控制系统的主控核心单元所选用的是西门子S7-1200 PLC，编程采用西门子官方所提供的TIA 博途V15 软件。

拉铆定位单元通过输入的丝杆模组限位开关信号、拉铆枪状态信号、储料（铆钉）与送钉装置状态信号控制拉铆枪定位机构的三组丝杆模组、拉铆枪和储料（铆钉）与送钉装置。

送料定位单元通过输入的丝杆模组限位开关信号、转盘分度信号、气缸限位信号、物料装置的暂停和复位信号控制垫片定位机构、物料装置、上料机构。

拉铆、送料定位单元分别由两个PLC 控制，PLC 与图像处理及位置识别系统（PC）通过以太网通信，以此来控制目标位置图像采集装置（CCD 摄像机）采集铆钉孔图像。触摸屏用来集中检测、控制两块PLC。PLC 与PLC，PLC 与触摸屏通过以太网通信，保持各系统之间互联共通。其关键点是通过视觉系统对拉铆位置准确定位，视觉拉铆定位监控界面如图6 所示，可实时显示连接板与导轨孔位画面。

图6 视觉拉铆定位监控界面

该模块的触摸屏画面主要包括复位、送钉、拉铆三个按钮，对自动拉铆送钉系统中的主要动作进行操作，送钉和拉铆按钮上方有送钉信号和拉铆信号的显示图标，为何时按下对应按钮提供可视化信息，如图7 所示。拉铆页面用来给拉铆枪送钉，并监视拉铆枪定位机构的三轴数控装置的运动状态。拉铆页面设置了三轴的回零按钮、三轴的当前位置坐标监视、三轴的运行速度修改和目标位置设定，移动按钮用来控制轴运动到设置的目标位置。拍照按钮用来指示相机拍照，旁边的移动按钮用来让模组运动到拍照位置。