摩托车单向器自动装配机气动系统设计

张新聚 李亚男

摘要：针对当前摩托车单向器组件主要采用手工装配、装配效率低、随机性大、无法对装配过程实现有效管理控制的情况，为了易于对零件装配过程进行实时监测和提高生产效率，开发了一种智能摩托车单向器自动装配机。介绍了摩托车单向器自动装配机的上料系统、装配系统、检测系统和落料系统的机械结构，重点阐述了设备的气动系统设计，并进行了实验研究。结果表明，该设备可实现组成单向器的5種零件自动上料和装配，同时降低了操作人员的劳动强度，生产效率提高约50%。其气动系统噪音小、工作可靠，可应用于摩托车单向器的大批量生产。研究结果可为其他相似异形零件自动装配机的开发提供参考。

关键词：机电一体化技术；摩托车单向器；自动装配机；智能；气动系统；PLC

中图分类号：TP271文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx03009

摩托车是现代生活中常用的交通工具之一。在东南亚一些国家，拥有摩托车是当地居民生活质量和收入提高的一个重要标志，摩托车的社会需求量巨大。摩托车单向器又称超越离合器，是摩托车的一个主要部件。超越离合器的功能是当按下起动按钮时，起动电机的动力通过超越离合器传递给曲轴，进而带动发动机点火。当发动机转速逐步提高到一定程度后，发动机就会与起动机脱开，发动机转速进一步提高达到额定转速，驱动摩托车运动，而起动电机空转进而停止工作，以免起动电机被发动机反拖而损坏[1]。

第3期张新聚，等：摩托车单向器自动装配机气动系统设计河北工业科技第35卷当前，还没有针对摩托车单向器的全自动生产设备，单向器装配主要采用手工方式，生产效率低，操作工人劳动强度大，企业劳动成本高，并且无法对零件装配过程进行实时监控。因此，开发摩托车单向器自动装配机是相关加工企业的迫切要求，可明显提高企业设备信息化和自动化水平，具有较强的经济价值和社会价值。本文主要对自动装配机的气动系统进行研究，该部分是自动装配机平稳运行的关键。

1装配机工作原理和主要结构组成

1.1装配机工作原理

装配机所装配的摩托车单向器的主要零件如图1所示，包括（从左到右）：1个星轮、3个弹簧、3个销柱、1个金属垫片和1个橡胶套，共计5种9个零件，装配机需要将此9个零件组装为一个完整的部件。

摩托车单向器自动装配机是一个典型的机、电、气一体化设备，采用PLC作为核心控制元件，协调整机各个执行部件进行工作。该设备总体结构如图2所示，主要包括自动上料系统、装配系统、落料系统、工位转换系统、气动系统和控制系统等。考虑到需要在星轮上连续装配其他8个零件，装配精度要求较高，总体设计时将加工工位设置为环形布置形式，即将8个加工工位均布在直径为700 mm的铝合金圆盘上，在8个加工工位设置相同的星轮夹具，实现星轮在8个工位上一致准确定位。为保证8个星轮夹具转位准确，工位转换系统采用了凸轮分割器模块，分割器的定位分割精度为±30 s，同时，转位迅捷，有利于生产率的提高。

该设备所组装零件都是单个异形件，自动装配时，需要按照特定的方位将各零件定时输送到加工工位。摩托车单向器的5种零件都采用北京易方达公司生产的振动料盘自动上料，通过振动料盘的剔除、矫正机构，可使零件在振动料盘出口按既定方位单个输出。为确保零件准确平稳到达加工工位，在弹簧、星轮、橡胶套和垫片振动料盘后端加装了直线料道。在直线料道输入端安装光电传感器或光纤传感器，检测直线料道上的零件是否达到要求的数量。未达到数量要求时，振动料盘持续工作供料；达到数量要求时，料盘停止供料，减小上料振动对设备装配过程的影响[2-4]。

1.2装配系统与落料系统

装配系统是摩托车单向器自动装配机的核心执行模块，分为弹簧/销柱装配模块和垫片/橡胶套装配模块。落料系统是将装配好的单向器组件从垫片/橡胶套装配工位转移到成品容器，该模块与垫片/塑胶套装配模块配合工作，共同完成单向器的落料动作。

弹簧/销柱装配模块如图3所示，1个单向器需要装配3对具有预紧力的弹簧和销柱。

首先，销柱通过振动料盘和不锈钢圆管轨道，按照直立方位输送到销柱推杆前端，由于销柱上下端部是球面形式，为保证销柱在推杆前端的直立状态，在销柱推杆前端粘结了1块磁石，通过磁力使销柱保持直立状态；其次，弹簧通过其上料机构按照既定方位到达弹簧推杆前方，通过气缸将其向前推动并与销柱压缩在一块，销柱推杆通过气缸将第1组弹簧、销柱推送到星轮第1个凹槽上方；最后，通过下压气缸，将其装配到星轮第1个凹槽中，完成第1组弹簧、销柱的装配。

第2、第3组弹簧、销柱装配与第1组弹簧、销柱装配相类似，不同的是这2组弹簧、销柱到达星轮上方后，需要步进电机通过同步带带动心轴，进而带动弹簧、销柱分别转动150°和270°，到达星轮第2和第3个凹槽上方后，压入星轮相应凹槽。

垫片/橡胶套装配模块如图4所示。垫片和塑胶套分别通过振动盘和直线料道输送至装配工位， 电磁机械手下插到塑胶套中，带动塑胶套横移到垫片上方，然后通过电磁机械手吹气结构，

将塑胶套落料至垫片孔中；电磁铁机械手通电，通过磁力吸附垫片/橡胶套组件，利用气缸动力将其一并输送至星轮上方，压入星轮，完成整个装配工作。最后，电磁铁机械手上移，带动整个单向器组件到达落料模块的落料槽上方，实现落料。

2气动回路设计

摩托车单向器各个零件质量都较小，非常适合采用气动系统提供动力。设备各主要工艺动作，如星轮进入转位夹具动作、弹簧/销柱装配模块动作、垫片/橡胶套装配模块动作、落料模块动作等，都采用气动系统进行驱动。根据计算，气动系统主回路气压采用045 MPa，气动元件主要采用亚德客产品[5-8]。

2.1弹簧/销柱装配模块（二工位）气动回路设计

该回路所要完成的工艺动作是将上料系统分别输出的弹簧、销柱组合在一起，在二者具有一定预紧力的情况下，装配到星轮凹槽中[9-12]。

2.1.1弹簧/销柱装配模块气缸选型

由于弹簧和销柱的外形尺寸很小，所以在选用气缸时主要根据运动的方式选择气缸类型。本模块中选择双轴气缸，这种气缸具有良好的导向性。本模块中执行机构的运动行程≤50 mm，载荷小，所以拟选用缸内径为6 mm的双轴气缸，该气缸在不同气压下的理论输出力大小也不相同，如表1所示。

气动系统主回路气压采用0.45 MPa，根據表1可得压侧输出力大小为25.45 N，拉侧输出力大小为14.15 N，均满足推动零件所需推力的要求。在该工位所选用的气缸型号如表2所示。

本模块中工艺动作顺序为弹簧上料气缸推料—弹簧和销柱上料气缸进行推料—弹簧上料气缸退回—弹簧和销柱上料气缸退回—下压气缸下压—下压气缸退回。该工位气动回路设计如图5所示。

2.2垫片/橡胶套装配模块（三工位）气动回路设计

该回路所要完成的工艺动作是将上料系统分别输出的垫片、橡胶套组合在一起，然后通过电磁机械手将其一并装入星轮中，最后，电磁机械手与落料模块配合，完成单向器组件的落料。

2.2.1垫片/橡胶套装配模块及落料模块气缸选型

由于垫片和塑胶套的质量很小，所以在本模块中选用气缸类型时，主要考虑执行机构运动的平稳性和位移的准确性。本模块中选择的气缸种类为双轴气缸和滑台气缸，这两种气缸均具有良好的导向性。本模块中执行机构的运动行程≤100 mm，所以拟选择缸内径为6 mm或10 mm的双轴气缸及行程为100 mm的滑台气缸。气缸在不同气压下理论输出力的大小如表3所示。

由于气动系统主回路气压采用0.45 MPa，根据表1可得缸内径为6 mm双轴气缸压侧输出力大小为25.45 N，拉侧输出力大小为14.15 N。根据表3可得缸径为10 mm的双轴气缸压侧输出力为70.7 N，拉侧输出力为65.35 N；缸径为10 mm的滑台气缸输出力为55.3 N，均满足该工位气缸推动零件运动所需推力的要求。该工位选用的气缸型号如表4所示。

2.2.2垫片/橡胶套装配模块及落料模块气动回路图

该模块执行的工艺动作是：垫片、橡胶套分别由上料机构将工件按照指定方位输送到装配工位，橡胶套真空吸盘机械手抓取振动上料机构输送到位的橡胶套，橡胶套移位气缸带动吸盘机械手上升，移位到垫片上方，真空吸盘反向吹气，橡胶套落料，吸盘机械手返回抓取下一个零件，电磁吸盘机械手被垫片移位气缸带动至垫片孔上端，电磁吸盘机械手将橡胶套压进垫片孔中，同时，电磁吸盘机械手上电，抓取垫片、橡胶套通过垫片移位气缸移位到星轮夹具上方，星轮夹具中已有装配好3组弹簧、销柱的星轮，将垫片、橡胶套一块压进星轮，电磁吸盘机械手复位，完成单向器装配，同时落料模块移位气缸带动落料槽移位至电磁吸盘机械手下端，电磁铁断电，单向器组件落料至落料槽，完成单向器的落料。其气动回路设计如图6所示[13-15]。

3结语

对摩托车单向器自动装配机的气动系统进行实验研究，分析了单向器组件装配的效率，完成了摩托车单向器自动装配机的样机设计加工，并在实验室进行了安装调试和试加工。

由于弹簧/销柱装配模块需要装配3对弹簧、销柱，进行3次循环，所以气缸工艺动作总数为18次，加上步进电机带动心轴进行转位，该模块所用时间为20 s。垫片/橡胶套装配模块及落料模块气缸工艺动作数为12次，所用时间为12 s。经过样机试生产，弹簧/销柱装配模块是该设备占用时间最长工艺环节，为20 s，样机生产率为3个/min，远高于人工效率2个/min，摩托车单向器装配效率提高约50%。这说明本文的结构设计能够满足单向器零件的自动上料，完成单向器的自动装配工艺动作；通过对气缸气压值的实验研究，得出实验气缸的压力和拉力能够满足零件进退所需；通过分析装配与落料模块的工艺动作和时间发现，该套设备能够满足单向器组件的装配要求，气动系统噪音小、工作可靠，为摩托车单向器的大批量生产提供了技术支持。

设备开发的不足之处是弹簧/销柱装配工位工艺动作较多，工艺时间长，影响了整机的生产效率。未来设备升级改造时，可将现有的弹簧/销柱装配工位增加为3个，每个弹簧/销柱装配工位只装配1对弹簧、销柱，同时，可省去该工位心轴的旋转工艺动作，进一步提高设备的生产效率。

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