一种卡钳矩形密封圈的自动装配装置设计

2023-12-29郝培达

机械工程师 2023年12期

郝培达

（青岛新松机器人自动化有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

近年来，我国汽车行业在技术和市场方面发展迅速，我国正逐渐成为世界汽车制造中心，这促使汽车零部件生产商不断改进新技术，提高生产效率。鉴于自动化装配在生产效率、质量和稳定性等方面所体现的优势，越来越多的企业用自动化装备替换人工进行装配生产。

目前，由于矩形密封圈安装位置、尺寸的特殊性[1-2]，使得国内的卡钳矩形密封圈的装配大多为手工站，操作工拿取矩形密封圈装配到卡钳凹槽中，或者操作工拿取矩形密封圈，放置到安装工装上，再由安装机构完成装配。矩形密封圈安装工艺中要求其安装前浸油处理，人工装配需要接触沾满油的矩形圈，工作环境较恶劣，长时间接触则有损健康。同时由于密封圈槽在卡钳内部，需要人工将矩形密封圈变形后安装到凹槽内，容易造成矩形密封圈扭曲现象，影响其性能。在此背景下，对矩形密封圈自动上料、自动装配的研究，显得十分必要。

本文对矩形密封圈的自动化装配进行了研究，设计了一套矩形密封圈自动上料、自动装配的装置，提高了生产效率，节省了人力，提高了装配合格率。

1 矩形密封圈的安装原理

由于矩形密封圈位于卡钳缸孔的沟槽内，其外圆的直径大于卡钳缸孔内径，从下部不能直接放入。人工安装时，将矩形密封圈压缩成椭圆形，先将一边放到卡钳凹槽内，然后将剩余部分变形推入到凹槽内，再进行一圈的整理工作。自动安装需要矩形密封圈先发生形变，让其能够以水平状态伸入到缸孔内。可通过工装使矩形圈发生图1所示的形变，使得其外部边缘尺寸小于缸孔内径，这样，矩形圈就可以进入到卡钳缸孔内进行安装[3]。

图1 矩形密封圈的安装原理图

图2 矩形密封圈安装工装

2 矩形密封圈安装机构的设计

2.1 安装工艺过程

卡钳矩形密封圈安装需要首先将矩形密封圈变形，使其可进入到卡钳缸孔内。矩形密封圈的变形方式有多种，常用的有2种：一种是从4个方向同时挤压矩形密封圈，使矩形密封圈外沿小于缸孔内径；另一种是从一边挤压矩形密封圈使其形成图1所示的形变。针对大缸径尺寸的矩形密封圈，由于其压缩后自身弹力并不能保证其可以完全弹进卡钳凹槽内，还需要增加工装机构，辅助撑开矩形密封圈，将其推进卡钳凹槽内。由于卡钳本身结构导致安装空间较小，单侧挤压矩形密封圈，使其变形进入缸孔的方式更加适用。

矩形密封圈自动安装的基本工艺过程如下：1）矩形密封圈挤压变形。夹爪撑开机构闭合，伺服电动机带动工装推动外侧钩爪，外侧钩爪推动密封圈收缩为图1所示的形状。2）挤压后密封圈移动到卡钳缸孔内，与卡钳凹槽平齐。前进气缸带动密封圈安装机构前移，到达卡钳下方，举升机构上升，将带密封圈安装机构举升到与卡钳凹槽平齐。3）将矩形圈推到凹槽内。伺服电动机带动工装向原点方向回移一定距离，使矩形密封圈变为松弛状态，外侧钩爪下移，此时矩形密封圈外侧无任何阻挡。三爪气缸撑开，间隔120°的3个夹爪工装将矩形密封圈推到凹槽内。伺服电动机带动工装继续向原点方向回移，直至将压缩方向的矩形密封圈也推到凹槽内。

经过上述操作后，矩形密封圈安装到卡钳凹槽内。

2.2 矩形密封圈安装机构结构设计

图3为设计的矩形密封圈安装机构。其中，横移机构位于支撑板上，在横移气缸带动下，可将其上面的机构横向移动；举升气缸固定在横移机构底板上，举升气缸可将横移机构上的部件举升；伺服电动机带动滚珠丝杠旋转，可控制安装工装上的钩爪前后移动，且可精确控制移动距离。

图3 矩形密封圈安装机构

图4 为设计的安装工装。其中导轨滑块固定在底板上，气缸固定座安装在滑块上，固定座后端与滚珠丝杠组件相连，伺服电动机可带动滑块移动；顶升气缸固定在气缸固定座上；钩爪-Ⅰ通过连接件固定在顶升气缸伸出端，可随气缸伸出杆上下移动；钩爪-Ⅱ固定在顶升气缸底座；三爪气缸固定座固定在底板上；三爪气缸固定在固定座上；三爪气缸夹爪上连接有夹爪工装，其形状外表面为圆形，用于将矩形圈撑到卡钳凹槽内；弹性支撑座套在三爪气缸上的工装上，用于承接放置的矩形密封圈，因变形后矩形圈是需要放到卡钳缸孔内的，所以此支撑座是弹性的，可上下移动；上盖固定在三爪气缸上的工装上，其与工装之间有凹槽，矩形密封圈可在凹槽内移动、形变。

图4 矩形密封圈安装工装结构图

矩形密封圈安装时，首先矩形密封圈放到安装工装上的弹性支撑座上，套在上盖周边，其一边位于钩爪-Ⅰ和钩爪-Ⅱ之间，伺服电动机转动，带动滚珠丝杠、导轨滑块，进而带动钩爪-Ⅰ和钩爪-Ⅱ，将矩形密封圈压缩变形为图1所示的形式，位于上盖下方。横移气缸将此套工装前移到卡钳缸孔下方，举升气缸举升，将矩形密封圈举到与卡钳缸孔凹槽平齐。钩爪-Ⅰ后移，三爪气缸撑开，钩爪-Ⅰ在顶升气缸带动下下降，此时钩爪-Ⅱ还位于矩形密封圈内侧，然后钩爪-Ⅱ继续后移，将矩形密封圈勾到卡钳缸孔凹槽内。

3 矩形密封圈上料机构的设计

3.1 上料工艺过程

自动上料就是把物料定时、定向、定量地运送到指定位置。自动上料机构一般分为料斗式和料仓式，料斗式适用于外形简单、易于自动定向排列的物料；料仓式适用于外形复杂、难于定向或有特殊要求（如浸泡油脂）的物料[4-5]。

针对本次设计产品的物料——矩形密封圈来说，其质地柔软，且安装前需要浸泡油脂，使得其无法使用料斗进行自动上料。所以采用料仓式自动上料方式，根据矩形密封圈的形状，采用料柱放置矩形密封圈。料柱的长度不能太长，否则会影响人工上下料，这就导致了单个料柱不能放置较多数量的矩形密封圈。为了减少人工上料频次，采用多个料柱进行物料存储，料柱放置于转盘上，由转盘带动更换料柱。

矩形密封圈自动上料的基本工艺如下：

1）取料。包括以下步骤：a.横移抓取夹爪横移到料柱上方，夹爪闭合，夹爪提升气缸将夹爪伸出，此时夹爪与料柱的距离为0.5 mm；b.伺服滑台带动推料板推动料柱上的矩形密封圈上移，最上层矩形密封圈接触到夹爪上的推板，光纤传感器检测到矩形密封圈，伺服滑台停止上移；c.抓取夹爪张开，将矩形密封圈撑紧，伺服滑台下移2 mm，取料完成。

2）切料转运。包括以下步骤：a.切料气缸伸出，其推板轻压到夹爪撑开的矩形密封圈上；b.横移机构带动夹取矩形密封圈的夹爪横移，切料气缸同步横移，防止表面油脂黏附将下层矩形密封圈提起，此时矩形密封圈横移到密封圈安装工装上方。

3）上料。包括以下步骤：a.夹爪提升气缸下移，此时夹爪夹取的矩形密封圈下表面距离矩形密封圈安装工装上盖0.5 mm；b.夹爪气缸闭合，推料板将矩形密封圈推到安装头的凹槽内；c.伺服电动机带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠上的勾爪将矩形密封圈挤压变形，夹爪提升气缸上移，完成矩形密封圈上料。

3.2 上料机构结构设计

图5为自动上料机构。其中凸轮分割器固定在底板上，转盘固定在凸轮分割器转轴上，每旋转45°停一下，共8工位。8个料柱均布在旋转盘上，提料盘套在料柱上，矩形密封圈套在料柱上，提料盘可将矩形密封圈向上提起。提升板固定在滑台上，由伺服电动机控制滑台的上升、下降，提升板位于提料盘的下方，伺服电动机带动提升板上升，进而带动提料盘和矩形密封圈上升。

图5 自动上料机构

图6为横移抓取机构。导轨和横移气缸安装于焊接支架上，可带动抓取机构在取料位置和物料放置位置之间进行切换。滑台气缸安装于横移连接板上，可将下部夹爪机构提起、落下。夹爪气缸安装于夹爪气缸连接L板上，用于撑开抓取矩形密封圈。推板气缸同样安装于夹爪气缸连接L板上，气缸前部安装推板，待矩形密封圈横移到位后，夹爪闭合，推板将矩形密封圈推到安装机构上。激光对射传感器安装于推板上，用于检测上料机构伺服滑台提升的矩形密封圈是否到位，给伺服电动机停止信号。