汽车座椅保持架滚珠自动装配系统设计

     随着经济的发展，为了适应越来越激烈的市场竞争，许多企业把产品生产模式由大批量的单一品种的流水线生产逐步转变为模块化的柔性自动化生产。而随着汽车行业的快速发展，汽车零部件的生产效率问题愈发突出，其中最耗时的一道工艺过程便是装配。保持架作为汽车座椅导轨滑块中的核心部件，生产工序简单，使用量巨大。目前在国内汽车座椅保持架的装配工作基本上由人工完成，由于装配工作是一个繁琐机械的、重复性很强的工作，操作工长时间重复一个动作，非常容易疲劳，从而对劳动生产率和产品合格率产生不利影响；此外，劳动力的大量使用还会增加生产成本。国外的自动装配设备也有其不足的一面，比如装配冲击大、维护费用高、成本高，这对于追求低成本的中小企业来说并不是很适用。因此，如何利用现有的自动化技术设计一套高效的自动装配装置就显得愈发重要。

    1 自动装配系统的工作原理

    滚珠自动装配系统主要由零件输送子系统、上料卸料子系统、装配冲压子系统以及控制检测子系统等4大部分组成。根据滚珠自动装配系统的4大组成模块，本文设计了如图1所示的保持架滚珠自动装配装置的总体机械结构，其根据工序要求主要分为4个工位，按照电动推杆所在位置区分，4个工位及其功能分别为：1）工位一，钣金件送料；2）工位二，滚珠送料；3）工位三，冲压；4）工位四，推出。

     

    图1 设备结构示意图

    具体的操作流程为：操作工将待加工保持架钣金件和滚珠放入对应的振动盘里，按下振动盘的启动键，振动盘开始工作，当看到有工件和滚珠被送到输料管末端位置时，按下设备工作台的启动键，电动机和4个工位处的推杆同时开始它们各自的工作。工位一处的推杆将工件推入夹具中；工位二处的推杆将抽板推至与夹具滚珠通道对应处，以便将滚珠送入夹具中；工位三处的推杆推动冲压头，完成滚珠与工件的装配；工位四处的推杆将夹具中完成装配的工件推出夹具送入成品通道。动作完成后推杆收回， 当所有推杆都回位后， 电动机开始旋转， 回转工作台旋转30°， 进入下一个工作节拍。

    在工厂里，工人主要靠手将钣金件反扣至散布滚珠的工作台上，然后用小木锤将滚珠敲进钣金件。这个工作重复性、机械性高，工人很容易疲劳，并因此降低工作效率及成品率。如果按照人工加工的方法，使用机械完成整个过程，就可以大大提高工作效率及成品率。

    使用冲压头、夹具相互配合完成滚珠装配工作的具体流程及工位如下：

    首先，将钣金件送到夹具下方，保证钣金件上的槽与夹具上的孔同轴线，完成后将滚珠落入夹具上对应的孔中（如图2（a）所示）。在送料工位中，滚珠在自身重力作用下，落在钣金件的槽中心，此时滚珠、钣金件对应槽、夹具对应孔以及用于冲压的冲压头四者共轴线。为了保证滚珠能够落在适当位置，在设计时，夹具上的孔径略大于滚珠及冲压头直径，当滚珠落下时会在自身重力作用下落入夹具槽中，并能保证较高的同轴度。此外在设备控制中，冲压头采用行程控制，当冲压头到达预设高度时，将会停止冲压，冲压高度由工件高度计算得出（如图2（b）所示）。

     

    图2 功能实现示意图

    2 关键部件设计

    设备配备一套柔性工装以实现不同型号工件的装配，该工装主要包括柔性夹具、柔性滚珠送料装置和柔性冲压装置。这些部件均能够根据待加工件型号、尺寸的变化实现兼容加工。此外通过柔性工装之间的互相配合，能够实现传感器无法识别的细小误差的自行修正，在最大程度上保证设备运行的稳定性，同时防止由偏差引起的设备损坏。

    2．1 柔性夹具

    夹具是工装中最为重要的部分之一，也是整个设备是否能够加工多种工件即实现柔性装配的基础。设备中的柔性夹具大体结构可分为3大部分：1）将夹具固定在转盘上，同时为夹持工件以及固定滑块提供基准的主框架部分；2）锁紧工件使用的夹紧板套，包括夹紧板以及附属的固定螺栓套组；3）可移动的夹持滑块套组，在其作用下可以在水平面内移动用以保持滚珠位置的滑块。其结构外观如图3所示。

     

    图3 夹具模型图

    根据待加工工件的常用几何尺寸，设计出的夹具夹持范围为宽8mm ～50mm，长≤80mm，高≤30mm，通过调整夹具下部的夹紧板外侧的调节螺柱，改变两板之间的距离，即可以夹持不同型号的保持架。夹具上部的套筒与夹持块组合起到导引滚珠落下的作用，可通过可伸缩螺杆和夹持滑块调整其位置，以保证滚珠准确地落入工件相应位置。整体更换过程操作、调试简单、易行。其可调结构示意图如图4所示。

     

    图4 夹具可调部分细节图

    2．2 柔性滚珠送料装置

    为了适应型号众多的滚珠保持架，滚珠送料装置也需要进行一定的配套设计。设备中的滚珠送料装置固定在工位二处的电动推杆支架上，主要由如下几部分组成：1）主体导轨部分，这部分一端固定在机架上，另一端为下挡板架和保持块架提供滑轨；2）下挡板架部分，下挡板架在靠导轨一侧有固定用的螺纹孔，使用时需要用螺钉通过下挡板架上的螺纹孔与下挡板上的螺纹孔将下挡板固定在夹具对应位置上；3）保持块部分，保持块架可以在导轨上自由滑动，但在其中心有一个螺纹孔，使用时需要将其固定在传动件上，同时将保持块对准螺纹孔后以螺钉固定在保持块架上。滚珠送料装置结构如图5所示。

     

    图5 滚珠送料装置结构示意图

    滚珠送料装置的调整类似于夹具的保持块调整，不同的是滚珠送料装置是在电动推杆处于工作位置时进行调节，调节步骤大致如下：1）调节下挡板架与下挡板位置，使其与夹具保持块保持同轴，拧紧下挡板架固定螺钉与下挡板锁定螺钉固定二者位置；2）调节保持块架与保持块位置，使其与下挡板孔同轴，拧紧传动位置螺钉和保持块锁定螺钉：3）根据滚珠大小的不同在保持块上加减套筒，同时根据滚珠大小设定电动推杆工作周期。

    2．3 柔性冲压机构

    柔性冲压机构配有可拆卸式冲压头以及冲压头滑动导轨。整个冲压机构固定在提供动力的电动推杆的主固定块上，在其下有两组调整冲压头座位置的滑块以及冲压头。其总体结构及细节如图6所示。

    如图6（b）所示，按照夹具孔大小选取合适的冲压头将其安装在X方向滑块上，首先调整冲压头X方向位置使其与夹具位置保持同轴，拧紧图中第3步所用螺钉固定X方向滑块；然后调整Y方向滑块，同样使其与夹具位置保持同轴，拧紧Y方向滑块固定螺钉，即可完成冲压头的改装。

     

    图6 冲压头结构示意图

    2．4 小范围偏差自行修正

    在实际的测试过程中，由于转盘制动以及步进电机的进度问题，每工作一圈都会产生一定的偏差。在人工装配中出现这种情况时，工人可以根据视觉、感觉进行修正；而在设备中，较大的偏差可以被固定在转盘四周的传感器所识别并做相应处理，但一些较小的偏差无法被电控设备检测到，也就无法进行处理。但这种较小的偏差往往会导致冲压头或夹具被冲坏，尤其是在加工精度不高或磨损严重时，很有可能造成设备损坏。因此在设计柔性工装时，除了需要考虑各部分之间的间隙配合外，还需要考虑在发生小偏差时如何自行修正，如图7中，冲压头和夹具发生冲突时，由于倒角的作用，一部分轴向力转化为水平力，在夹具设计过程中预留的使较大外力产生偏移的设计生效，分别在固定螺母和锁位螺钉处发生微量位移，防止夹具被冲坏。

     

    图7 冲压头与夹具小偏差冲突

    3 PLC控制部分设计

    3．1 硬件设计

    汽车座椅滚珠装配控制系统硬件结构如图8所示， 以PLC为核心监控整个系统的运行状况。PLC具有外设端口和串行口， 方便与PC或手持编程器相连， 适用于现场调试、状态监控及故障查询。

    3．2 软件设计流程

    系统软件设计流程如图9所示，根据该流程图可细化每一模块的控制流程。根据本装配设备多工位、全自动的特点，所设计的工作过程如下：装料完毕后即可启动振动盘，当钣金件到达工位一，接近开关输入控制器准备信息；针对步进电机容易失步的缺点，电机和4个工位处的推杆要进行复位处理；此后各工位的推杆将依次工作，工位一处的推杆将工件推入夹具中，工位二处的推杆将抽板推至与夹具滚珠通道对应处把滚珠送入夹具中，工位三处的推杆推动冲压头，完成滚珠与工件的装配，工位四处的推杆将夹具中完成装配的工件推出夹具送入成品通道。动作完成推杆收回，回转工作台旋转30°，进入下一个工作节拍。在工件进料口、出料口和冲压头部位设置接近开关和光电开关，一旦工件没有输送到位或冲压头击打在夹持块上即停止工作并报警，从而避免机器空运行和损坏夹具。

     

    图8 控制系统硬件结构图

     

    图9 系统软件设计流程

    3．3 触摸屏界面的设计

    为了方便系统工艺参数设定，便于实时监控加工状态，本控制系统选用触摸屏作为人机交互的接口界面，其系统控制界面主要包括操作界面、状态显示界面、参数设置界面和统计界面等，软件面板主界面如图10所示。

    操作界面包含手动、单步、循环3种工作模式，分别对应调试、单步调整和大规模工业生产。在面板上还设置有软件开关、复位和急停功能按钮。状态显示界面用于显示设备的运行情况，如果系统出现故障可以给出故障报警和出错信息提示，为及时排除故障提供帮助。统计界面用来记录并分析设备的工作状况，包括目前的装配数量、合格品率等，为生产管理提供依据。参数设置界面可以选择装配件型号，并对工作台旋转速率、振动盘送料速率等参数进行调整。当出现报警时，报警灯闪烁，通过查看报警界面可查看报警记录。

     

    图10 软件面板主界面

    使用专用软件在计算机上完成设计触摸屏画面后，通过计算机的RS-232 串行口下载到触摸屏。PLC对触摸屏数据库进行实时读写，以便达到两者之间的信息交互。

    4 结束语

    设计保持架滚珠自动装配系统主要是为了解决目前大部分汽车附件企业因为大量使用劳动力导致的成本高、效率低、合格率低的问题。该设备采用柔性装配和机电一体化理念，结构简单，自动化程度高，在一定程度上填补了国内基础装配领域自动化的空白，尤其是对于劳动密集型的中小企业，可以明显降低劳动力成本，对其他类似加工工艺的自动化也有一定的借鉴意义。