灭火器器头装配工作站研究与设计

周瑞丽，张继忠，龚玉梅，张辉，金建华

(1.台州职业技术学院，浙江台州 318000；2.浙江忠华消防器材有限公司，浙江台州 318000)

0 前言

器头是灭火器的核心部件，也是灭火器的主要操作机构。常用的灭火器器头主要包括保险装置、启动装置、安全装置、压力反应装置、密封装置和喷射装置，如图1所示。器头的性能直接影响灭火器的使用效能，因此对产品质量和装配工艺要求较高。一方面，像其他阀门类零件一样主要采用手工装配方式，不仅装配质量不稳定，且工序较为分散，场地和工位多(见图2)，生产成本较高，急需进行自动化装配生产线研发；另一方面，按照器头装配生产线的工艺要求，所设计的装配工作站需要完成顶杆总成装配、弹簧和塑料接头装配、接头与阀体的旋紧、手柄以及保险销的装配、保险销铆接等工作。在国内，一些学者和企业已经开始进行阀门零件自动化组装线的研究，但这些研究还停留在理论层面。在器头自动装配线的研发中，还存在着安全销的定位不准、上料卡件、压铆不严等难以突破的技术瓶颈。

图1 推车式灭火器器头总装图

图2 传统手工装配生产现场

针对上述问题，运用ECRS(Elimi ate-Combine-Rearrange-Simplify)理论，对装配各工序内容以及相关作业动作进行删减、合并、重组和简化，设计了灭火器器头自动装配工作站，实现将所有工序集中到一个工位的自动化操作，从而达到稳定装配精度、提高生产质量的目的。相比传统手工装配，该方案所需工位少且场地更小、装配效率更高、成本显著降低。该工艺方案还可以推广到其他阀门零件的组装中。

1 自动装配工作站工作原理

自动装配工作站采用结构紧凑的转动盘式结构。该结构以电机驱动的转动圆盘作为工作站主体，沿圆周方向依次均匀设置器头放置孔，如图3所示。器头放置孔的形状和尺寸根据主零件阀体尺寸确定，器头在工作台的装配姿态根据工作位置原则确定。在放置孔上安装定位块和压紧板，实现阀体的定位夹紧。根据装配顺序，在转动盘外围依次设置自动上料机构、顶杆安装机构、弹簧和塑料接头安装机构、提把压把安装机构、自动铆接机构以及自动卸料机构。各机构具有自动相位定位功能，以保证顶杆、弹簧、塑料件、提把、压把、铆接动作的稳定性。机构的信号与PLC控制单元相连，并由PLC控制单元控制，实现各工序协调动作。

图3 自动装配工作站布置方案

2 自动装配工作站机械结构设计

2.1 自动供料机构与卸料机构设计

供料机构采用振动盘形式，排列和调整零件在输送中的姿态，通过机架上的转动轴横臂和气动夹爪完成抓起和放下动作，并由下方的升降部件和转动部件将器头放入到器头放置孔内，器头的定位和夹紧由设置在器头孔旁边的定位块和压紧板完成，如图4所示。卸料机构与上料机构机械原理相同。

图4 抓卸料单元结构

2.2 顶杆总成装配机构设计

装配顶杆总成时，主要应保证顶杆总成自动上料和安装时能准确定位。根据顶杆总成的结构特点设计钢丝振动盘，通过振动调整顶杆被夹具抓取前的姿态。抓取时，顶杆密封帽在上方的姿态比较方便抓取；安装时，器头位于顶杆总成上方，所以需要顶杆完成180°的旋转动作才能准确插入到器头内。因此安装顶杆总成时，不仅要进行总成的供料、定位，还要完成翻转动作设计，以及最后实现准确插入到器头顶杆孔的动作。

2.3 弹簧、塑料接头装配以及旋紧机构设计

弹簧与塑料接头的装配主要应解决弹簧和塑料接头的供料方式和定位问题。塑料接头采用振动盘运送，在振动盘的直线送料器端部设置阻挡条；弹簧采用输送管运送，输送管端部也同样设置阻挡条，弹簧送料器末端直接与塑料接头送料器连接，以保证每次1个接头输送到时，1个弹簧落入接头内。然后，将装配有弹簧的塑料接头通过十字滑台运送到旋紧器的上方，由旋紧器的旋转运动和气缸的向上运动共同作用，使塑料接头旋入到器头上，如图5所示。动作完成后，复位，开始下一组动作。

图5 弹簧、塑料接头装配以及旋紧机构结构

2.4 手柄及保险销装配机构设计

手柄装配机构包括手柄装配机构及保险销装配机构。如图6所示，在手柄装配时，首先由气缸驱动气动夹爪完成夹紧手柄动作后再缩回；接着，由手柄位置校准气缸通过齿轮齿条传动，带动转动轴转动，转动轴带动支撑板向上转动，使手柄位置对准器头上相应的手柄放置位置，然后气动夹爪放开，把手柄安装到器头上，最后夹爪缩回，再取下一个手柄。保险销装配机构在手柄放置完后工作，首先安全销位置校准气缸工作，驱动活塞杆伸出，穿过手柄和器头的孔，使两者的孔对准，这时保险销供料系统将输送管内的保险销送入到手柄和器头的孔内，同时气缸缩回，手柄装配工作完成，然后循环进行下一个手柄的装配。

图6 手柄、保险销装配机构结构

2.5 保险销自动铆接机构设计

保险销自动铆接机构通过设置在支架内侧的铆接机完成铆接作业。如图7所示，转动盘转动时，铆接驱动气缸工作，使支架上升，当转动盘转过一个工位时，支架下降，这时铆接机对准保险销，进行压铆。

图7 保险销自动铆接机构结构

3 动力装置设计

为使工作站中各装配动作节拍一致，选择PLC作为整个装配工作站的控制单元。通过综合考量装配动作和尺寸参数，选择装配动力装置。器头装配中涉及到的各机构动力元件包括动力气缸、装配气缸和伺服电机。由PLC控制相应的电磁阀、传感器等元件来实现气缸的前进和后退，保证气缸和伺服电机间实现工序的层次化推进。图8所示卸料机构，转动部件和升降部件拟采用2个不同气缸驱动，移动驱动气缸驱动活塞杆带动转轴实现上下运动，转动驱动气缸驱动活塞直线运动，并通过齿轮齿条机构转化为齿轮的转动，由此带动与齿轮同轴的转轴转动。

图8 卸料机构结构

4 样机生产能力试验结果

(1)在满足装配工艺的前提下，增加了上下料数量统计、工位故障、产能显示功能。样机如图9所示，采用PLC 控制系统，人机对话触摸屏操作。工作环境温度:5～45 ℃；湿度：10%RH～75%RH；电源：AC220V，50 Hz；压缩空气:压力0.4～0.6 MPa，流量大于400 L/min。

图9 灭火器器头装配工作站

(2)工作站装配与传统手工装配系统对比

自动化装配工作站在生产节拍、工位数等方面与传统手工装配对比的结果见表1。

表1 工作站装配与传统手工装配系统对比结果

5 结语

(1)设计模块式自动化装配工作站，以替代现有传统的手工装配生产模式，实现高效、正确的零件装配，提高装配质量稳定性，减少工位数，降低生产成本。

(2)所设计的工作站中的推杆定位装置可以实现推杆的精准定位，解决了安全销装配时孔径稍有错位就发生卡机、报警的问题，降低了装配难度，提高了装配效率。

(3)模块式自动化装配工作站，可以扩展应用到其他阀门产品的装配，为阀门类产品装配工作站的设计提供参考。