智能装备运动机构装配工艺的设计

刘志伟 王 军 罗冬初 龙 清 黄智成

（1.东莞职业技术学院 智能制造学院，东莞 523808；2.广东大族粤铭激光集团股份有限公司，东莞 523808）

智能装备的运动机构有很多方式，如龙门架式、滑台式和悬臂式等。其中，十字滑台是其中非常典型的运动机构，在激光焊接机、插线机、打孔机、涂胶机、检测装置和大型数控设备中应用广泛[1-2]，多用于焊接头移动、激光切割、工件定位、搬运、零件分拣以及涂胶等方面。在激光焊接机等智能装备的装调过程中，十字滑台的安装工序属于瓶颈工序。目前，大部分工作均由人工完成相应的装调工作，生产效率较低，影响企业的生产产能[3-4]。它的机械部分的安装通常包括工作台、滚动导轨副、滚珠丝杠副以及滚动轴承等。各运动部件之间存在相互关联性，目前人们通常孤立地考虑安装工艺，导致存在安装精度和安装效率不高的问题[3,5]。

本文依据《加工中心检验条件 第2 部分：立式或带垂直主回转轴的万能主轴头机床几何精度检验（垂直Z轴）》（GB/T 18400.2—2010）和GB 17421 通用标准，对智能装备的运动机构相关要求进行分析研究，探讨如何快速完成机械结构的安装与检测方案，对解决瓶颈工艺、提升企业的生产效率具有重要作用。

1 几何精度要求及装配工艺分析

智能装备的几何精度要求主要包含各轴线运动的直线度、各轴导轨间平行度和轴线运动的垂直度等方面的要求。

1.1 各轴线运动的直线度

运动机构的各部分之间存在很大的关联性，需要综合考虑安装工艺，以总体提高安装精度，提高总体的安装效率。X轴和Y轴导轨中，任何一条导轨的直线度均可能影响到另一条平行导轨的平行度，也会影响到两轴各导轨之间的垂直度。因此，安装过程中确保导轨直线度时要为后面的平行度和垂直度考虑[1,4]。参考《机床检验通则 第1 部分：在无负荷或精加工条件下机床的几何精度》（GB/T 17421.1—1998）的有关条文和备注规范的检验方法，采用基准平尺法，确保每一条导轨在一个平面内的直线度。为考虑直线度对导轨平行度和垂直度的影响，本文对调整导轨进行检测点细分，与基准平尺之间的距离按曲线变化的最近点和最远点进行检测，分别标记为d0,d1,d2,…,dn-1,dn，如图1 所示。

各点之间的最大值和最小值分别用式（1）和式（2）表示。

安装过程中是要快速找出dmin和dmax并对其进行控制，以达到快速调节直线度的作用。

调整内六角螺丝，以调整斜压块的前后位置关系。每次调整dmin和dmax附近的斜压块，使导轨与基准平尺之间的距离越来越小，使整个曲线趋于直线状态，以控制导轨的直线度，直到在合格范围内，起到快速调整精度的作用。导轨和安装结构，如图2所示。

1.2 各轴导轨间平行度

采用基准平尺对导轨的平行度进行调整与检测，将已调整好的导轨作为基准导轨，调整好基准平尺，并控制在精度范围内，再调整另一导轨。基准导轨与调整导轨之间存在关联，如果基准导轨发生倾斜，调整导轨也会发生倾斜，以满足平行度要求。

设计二分法来快速调整平行度，将基准导轨和调整导轨一分为二，以中点M为分割点。在基准导轨的直线度调整过程中，控制好整个导轨的倾斜角θ。采用高效率直观的方法，将基准导轨左右两端的若干个偏差值进行求和，左端偏差值为A=SUM(d0,d1,d2,…,dm-1,dm)，右端偏差值B=SUM(dm+1,dm+2,…,dn-1,dn)。A和B求和后的数值不能偏差太大，否则说明中心线发生大的偏差，不利于调整平行度。

1.3 Y 轴线运动和X 轴线运动间的垂直度

垂直度是方向公差中控制被测要素与基准要素夹角为90°的公差要求。对智能装备运动机构来说，Y轴线与X轴线运动间的垂直度非常重要，涉及到直线插补运动的精度，直接影响智能装备运动的轨迹，影响零件的垂直度公差。

采用大理石直角尺测量两轴线的垂直度，以其中一个轴线作为基准，对另一轴线的底座进行调整，以满足两轴线之间的垂直度要求，如图3 所示。基准轴的平行度与调整轴平行度之间存在一定的关联。如果基准轴的导轨发生倾斜，那么将导致基准轴的轴线发生倾斜。要确保两轴线的垂直度，调整导轨也会发生倾斜，才能满足垂直度要求[2,5]。

因此，对基准导轨的直线度的控制尤为重要。如果出现导轨轴线的倾斜角θ值，会让两轴线的两端方向上的变动值△1 和△2 增大。随着导轨长度的增长，△1 和△2 的变动值变得更大，会对两轴线之间的垂直度误差带来更多影响。变动值太大，说明两轴之间的垂直度偏差太大，影响智能装备运动机构的性能。

2 关键安装工艺设计

做好装配前的准备工作可以事半功倍。安装前进行清洗工艺，把待装零件表面的污物、机械杂质、表面油脂用柴油洗擦干净，以油盘为主要设备及工艺装备，并用柴油、干净布、油扫作为辅助材料。清理污物和杂质后再安装，可以减少各装配处的误差。

2.1 导轨组件的装配

为考虑直线度对导轨平行度和垂直度的影响，对检测点进行细分，标记好d0,d1,d2,…,dn。根据二分法来快速调整平行度，确保好各导轨的直线度和导轨间的平行度。此外，采用平尺、扳手、百分表及表座等为主要设备及工艺装备，用记号笔为辅助材料，如图4 所示。

主要安装过程如下：

（1）将Y轴底座放置在工作台上，将安装导轨的平面擦拭干净，并将基座调试水平；

（2）用汽油清洗安装面，将X轴/Y轴导轨置于安装面，需注意箭头方向；

（3）先中间再两侧依次预紧导轨螺钉、预紧斜压块螺钉、紧固导轨螺钉，并在丝杆座安装面上安放水平尺垫块；

（4）将水平尺安放在垫块上，调整水平尺高度使之两端与导轨等高，并移动表座，检测各位置的高度尺寸，要求偏差在0.02 mm 之内，随后拆下导轨，用垫片（或塞尺）调整低点的高度；

（5）重复上述步骤，直至尺寸合格，并按相同的方法调试另一条导轨。

2.2 丝杆轴承座的装配

各轴之间的垂直度与各轴的轴线安装关系密切。丝杆轴承座与丝杆的同轴度会直接影响各轴的轴线精度，进而影响各轴之间的垂直度。此外，采用平尺、扳手、百分表、表座等为主要设备及工艺装备，采用记号笔为辅助材料。

它的主要安装过程如下：

（1）将丝杆验棒置于丝杆轴承座孔，用螺钉紧固，完成丝杆验棒的安装；

（2）将装配验棒的轴承座组件分别安放在Y轴底座上，用螺钉预紧；

（3）检查两验棒主母线高度，先调整主母线偏高的轴承座，使主母线与导轨平行；

（4）调整另一个轴承座，在轴承座底部垫垫片或塞尺，使两验棒主母线等高，再调整两轴承座位置使轴承座侧母线同轴，并与两导轨对齐；

（5）用扭力扳手将螺钉紧固到规定要求。

2.3 丝杆的装配

采用扳手、铜棒为主要设备及工艺装备，采用记号笔为辅助材料。

丝杆装配的主要安装过程如下：

（1）将Y轴丝杆置于轴承座孔内；

（2）轴承依标准加入适当牛油，轴承采用背靠背的装配方式，故先将第一个轴承内较宽的朝下到底，再用专用工装压下；

（3）装入第二个轴承且“箭头”须对齐（锁扣朝下），装配轴套，再将锁紧螺母（M20）锁上，安装轴承压盖；

（4）再安装另一端轴承、卡簧以及轴承压盖。

3 实验结果及分析

把优化后的装配工艺在激光焊接机上进行试验，将常规的装配工艺方案和优化后的工艺方案进行对比试验，结果如表1 所示。经比较，由于综合考虑导轨直线度、平行度和垂直度这几个主要精度，个别相对独立的工序工时未发生变化，但导轨组件、丝杆轴承座和丝杆的装配时间减少，缩减了总体时间，提升了装配效率。

表1 优化前后对比

4 结语

通过分析影响装配精度的因素，针对装配过程中的瓶颈工艺进行改进，采用极值标记法快速调整导轨直线度，系统考虑直线度、平行度和垂直度的关联性，设计了装配工艺方案。试验比较显示，总体装配工艺效率提升了17%，可以提高产能，对智能装备的生产具有实用价值。