镇流器自动装配线及E片进料压装设计

孟玉明，华顺明，王晓军，张雷，陈俊华

（1.太原科技大学 机械工程学院，太原 030024；2.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100）

0 引言

镇流器是日光灯上起限流作用和产生瞬间高压的设备，由E 片、I 片、线圈、调磁通铝条、底板和外壳等部分构成。其核心部件为在叠层矽钢片上绕制绝缘漆包线而成的铁芯线圈。

目前，镇流器装配工作绝大部分均由手工完成，存在生产效率低、劳动强度大、产品质量分散、生产成本高等问题。而采用自动装配线生产镇流器，不仅质量一致性好、生产效率高，而且可以实现产品电磁参数的自动测量、产品自动分拣以及生产过程统计与故障监测，大幅度减轻工人劳动强度，提高生产效益，改善生产环境［1］。

图1 镇流器及其主要元件

图2 镇流器环形自动线布局

图1 所示为企业委托的某型号镇流器及其主要元件照片。其手工装配工艺流程为：线圈置于夹具→E 片定长分组→E 片成组压入线圈（开口向下手锤敲入）→翻转→放置铝条→压力机压I 片→电检→分拣。手工完成这一系列装配动作大约需要7～8 名工人，劳动强度和密集度均较大。

针对该型镇流器主要零件的具体结构和装配工艺流程特点，本文讨论研发一种镇流器自动装配线。通常的自动线布局为线型或环型两种，前者整条自动线直线分布，平移由步进电机加齿轮齿条实现，升降由步进电机加丝杠和直线导轨实现；后者整条生产线环形分布，在圆周上均布6 个工位，装配、检测、分类通过气缸的顺序动作来实现。在分析机械装置的占地空间和简约设计基础上，最终确定生产线采用环形［2］，如图2 所示。工位1～6 分别完成E 片进料压装、线圈进料压装、铝条定长截断安放、I 片进料压装、电磁参数检测、产品下料分拣。

1 总体设计

环形镇流器自动装配线转台直径1 200 mm，台面高度750 mm，主要包括六工位分割器、随行夹具、各工位装配头、专用电磁参数测量仪、带式输送机及电气控制系统等，绝大部分执行器为气动执行元件，PLC 控制。

采用Pro/E 软件进行零件的参数化设计及自动装配［3-4］，其自动装配线主要组成部分如图3 所示。生产节拍设计为6 s，其中转台回转时间为2 s，在各工位停留时间为4s。转台按照E 片→线圈→铝条→I 片→检测→下料的装配顺序通过各工位，自动完成产品预定的全部装配、测量和分拣过程。

图3 镇流器自动装配线组成

2 E 片自动进料与压装工艺分析

本产品E 片为0.5 mm 厚矽钢片，由高速压机连续冲压而成，其形状及尺寸如图4 所示。装配前来料为队列散片，装配过程需要完成如下过程：1）补料。工人每次以整列方式上料至料仓，每列1105±2 片，放10 列（即设计人工上料间隔为9～10 min）；2）推料。将第1 列自料仓间歇推出至进料道；3）分料。从进料道分选109～110 片（即总长为54.5～55 mm，误差为1 片厚度），推至待装配区；4）压装。将E 片压入随行夹具。显然，本工位装配动作多且精度要求高，能否可靠、准确地实现，是自动线能否成功的关键。

本工序难点在于装配过程防倒片、分选正确、压入定位准确。推料过程有两点需要保证：一是为保证后续分料尺寸准确，需保持一定推料压力；二是分料气缸退出推料队列时，需防止倒片。压装过程压装对象为随行夹具，也有两点需要保证：一是E 片需始终处于夹紧状态，呈整体压入夹具；二是压头必须对正随行夹具的两个正交定位基准面。

基于以上分析，将进料机构和分料机构［5］设计为如图5 所示结构。

图4 镇流器E 片结构与尺寸

图5 E 片自动进料与压装机构简图

根据对气动连杆机构建模与分析［6］，进料机构采用了两个气动元件：进料气缸和翻板气缸。其工作原理如图6 所示，进料气缸将一列E 片送入分料机构的E 片料槽后，进料气缸复位，翻板气缸工作，E 片由于重力原因下滑，翻板气缸复位，进料气缸工作，从而达到一个循环，可保证持续进料。

为保证进料机构进料顺畅，如图7 在进料机构的设计中增加了E 片导轨8 和导轨配块9，使得进料气缸7进料时，能够保证E 片沿导轨进料，且不倒片。

进料气缸7 配有减压阀，其整定实验压力约为0.05 MPa（相对大气压力），保证每次进料后不会将E 片队列夹压过紧，使分料机构能顺利将E 片压入随行夹具。进料机构支架底部配有调节地脚，可以调节进料机构的位置。在进料翻板转轴处装有自润滑轴承，保证翻板动作准确和减小摩擦。在进料机构和分料机构的连接上，采用斜角连接，以使E 片能够顺利通过连接部位，从进料机构进入分料机构，避免E 片队列出现卡滞现象。

分料机构主要性能指标有：1）保证E 片的长度为54.5～55 mm；2）E 片在料槽中不能倾倒；3）E 片不能产生塑性变形。据此，在设计分料机构时，E 片料道末端的分选槽采用长度可调结构。通过调节螺母保证E 片队列的分选槽长度准确定位在54.5～55 mm 之间。为防止料槽中的E 片倾倒，根据E 片的结构特点采用弹性料道挂E 片的结构设计，其原理如图8 所示。推料气缸将第1 列推入随行夹具上方的弹性悬料板后，电磁阀配气方式为中封式，保证队列始终被压紧，此时分料气缸压头下压，使挂E 片的白钢条向两边让开，同时分料气缸阻止送料机构送料，E 片顺利被压入夹具；分料气缸压头上行复位后，挂E 片白钢条以弹簧力自动复位，送料机构继续送料，E片在弹性悬料板的夹持和导引作用下不会发生倒片现象。

图6 E 片进料机构原理图

图7 E 片进料压装结构图

图8 E 片分料机构原理图

3 关键结构设计与理论分析

3.1 翻板气缸固定位置分析

以整列方式上料至料仓，放10列，E 片的宽度为41mm，兼顾考虑翻板的固定与连接，设计翻板的 长 度 L2为480 mm；由分割器的高度尺寸确定翻板到固定架的高度H=270 mm；选用的翻板气缸为AirTac SE-32×300，当气缸达到最大行程时长度L1=792 mm；经过试验翻板的角度 φ2在45°左右时，E 片可以顺利滑下。工位一送料机构矢量图如图9 所示。

机构闭环矢量方程为

图9 送料机构矢量图

根据矢量方程可以得到：

将式（3）和式（4）代入式（2），整理得：

将L1＝792 mm、L2＝480 mm、H＝270 mm、φ2＝45π/180 代入式（5），可以确定翻板气缸固定位置X=166 mm。即当翻板气缸的固定位置X=166 mm 时，可保证翻板的角度为45°，E 片可以顺利滑下。

3.2 翻板角速度分析

考虑气缸的起动冲击现象［7-8］，需要分析气缸的运动曲线对翻板的角速度的影响。对A 点进行速度分析得：

由此，可得翻板角速度

因此，给出气缸AirTac SE-32x300 随时间的速度曲线，就可得出翻板随时间变化的角速度曲线。同样，可试验选取最优的翻板角速度曲线，进而得出气缸随时间的速度曲线，调节气缸的节流阀使其实际的曲线与理论曲线相近。

4 结论

E 片进料压装机构经调试后运行，能够实现E 片队列的连续送料，无倒片、卡片现象。经分料装置分料，压装后E 片组长度满足54.5～55 mm 的设计要求。在6 s 节拍模式下，样机设备连续运行15 d，每日2 班16 h，未出现故障。

本文摆动式进料机构的设计方案，允许工人采用托盘方式进行补料，利用单列推料的1 min 时间，可以从容将每只托盘中的9～10 列E 片，一次性推入水平料仓。样机试运行结果表明，本自动装配线能够大大减轻一线工人的劳动强度，提高生产效率，降低生产成本。

［1］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］王庆九，朱新杰.一种硬标签装配与检测平台的设计［J］.机械设计，2011，28（8）：82-85.

［3］韩志强.基于Pro/E 的零件参数化设计及自动装配技术的研究与实现［D］.西安：长安大学，2007.

［4］詹友刚.Pro/Engineer 中文野火版2.0 产品设计实例教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［5］王少纯，韩秀琴，戴达军，等.汽车减振器自动装配线垫圈自动供料机研究［J］.机械设计与制造，2003（2）：83-84.

［6］应申舜，吴文悌.气动连杆机构建模与分析［J］.机床与液压，2006（1）：91-93.

［7］黄俊，李小宁.气缸起动冲击现象机理及影响因素实验分析［J］.液压与气动，2007（1）：8-10.

［8］戴龙成，宣益民，尹健，等.气压式连杆机构的动力性能和动态仿真研究［J］.机械设计与研究，2001，17（4）：36-38.