单向器自动装配机机械结构设计

张新聚，牛虎利，李亚男，袁生浩

（河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄 050018）

1 引言

摩托车是重要的交通工具和运动器械，具有广大的消费市场[1-2]。在摩托车的众多零部件中，单向器是摩托车起动电机的重要部件，其作用是在发动机高速转动时保护起动机安全运行[3-4]。随着摩托车生产的自动化程度的提高，单向器的生产也应该实现自动化，但是目前还没有摩托车单向器自动化装配生产线，或者说自动化程度较低[5-7]。在单向器生产过程中，单向器的制造和装配质量直接影响到起动器的性能与稳定性，为提高其稳定性及生产效率，利用自动化机械设备代替人工装配是一个亟待解决的问题[8]。所以根据某摩托单向器的生产装配要求，对某摩托车单向器自动装配机进行研究开发。

2 单向器装配技术要求分析

单向器主要由带有三个偏心圆弧槽的星轮、三个滚柱、三个矩形弹簧、薄垫片和塑料套9部分组成，如图1（a）所示。装配的主要任务是将三组滚柱2和矩形弹簧3成对压入星轮1的偏心圆弧槽中，其次将垫片4和塑料套5分别装配在装有三组滚柱和矩形弹簧的星轮上，最终完成单向器装配组件6。

图1 单向器组件及尺寸图Fig.1 Parts Drawing of One-Way Clutch

其中，根据单向器各组件的尺寸要求进行设计单向器自动装配机，所用的零件主要尺寸，如图1（b）所示。

单向器具有自锁作用[9]，滚柱受力示意图，如图2所示。滚柱受矩形弹簧的推力F2，星轮偏心圆弧槽外侧给的压力F1，以及安装在星轮内孔中的塑料套的径向压力F3，在这三个力的作用下单向器转动只能按图所示ω2方向进行转动，若滚柱沿F2方向运动会受弹簧力F2的作用形成自锁，不能转动，将起到保护发动机的作用。

图2 滚柱受力示意图Fig．2 The Stress Diagram of a Roller

根据单向器各组件的尺寸在装配三组弹簧和滚柱时采用成对外压进星轮的偏心圆弧槽中，所以装配尺寸不能大于星轮偏心圆弧的长度，弹簧的长度为4mm，滚柱的装配长度为3mm若成对压入则大于星轮的偏心圆弧长度6mm。因为弹簧具有伸缩性为避免无法下压的情况，在装配过程中弹簧下压需处于压缩状态。通过对弹簧的大量压缩试验得出，弹簧压缩的极限尺寸为2mm，所以在下压时弹簧和滚柱的整体长度5≦L＜6mm。

在装配过程中，垫片和塑料套是两个分散的零件，星轮内孔尺寸为17．1mm，垫片孔为17．5mm，塑料套尺寸为17mm，由于各轴孔配合尺寸偏差太小，需要对装配方式进行分析：第一种装配方案，先将垫片装配至星轮孔上端，再将塑料套压入星轮内孔中；第二种装配方案，将垫片和塑料套装配好，再同时压入星轮内孔中。对两种方案进行对比分析，第一种方案，塑料套在装配时，若垫片孔和星轮内孔定位不准确，会出现垫片压变形或塑料套无法压入星轮内孔中，且垫片厚度为0．3mm很难进行单独装配。第二种方案则能够有效的避免第一种方案出现的问题所以第二种方案具有可行性。

垫片、塑料套与星轮在装配时要考虑各圆心的同轴度误差避免塑料套在装配时无法压入星轮内孔中。根据各零件的尺寸得到：塑料套和垫片在装配时同轴度误差＜0．25mm，塑料套和星轮内孔装配时同轴度差＜0．05mm。

综上所述，在装配的过程中的装配要求为：

所设计的单向器自动装配机弹簧和滚柱下压时压缩长度5≦L＜6mm；

所设计的单向器自动装配机塑料套和垫片在装配时圆心的同轴度误差小于0．25mm；

所设计的单向器自动装配机塑料套和星轮内孔装配时圆心的同轴度误差小于0．05mm。

3 单向器自动装配机总体方案设计

单向器自动装配机结构示意简图，如图3（a）所示。采用的自动装配流水线的布局形式为环形。根据装配的实际要求该环形自动装配流水线总共包括8个工位，进行上料装配的工位为3个，落料工位1个，每个工位均包括自动检测装置。3个上料装配工位分别为：星轮上料工位2、三组弹簧与滚柱上料工位3、垫片和塑料套上料工位4。落料工位为：单向器装配组件下料工位5。该装配系统由PLC控制系统驱动分度盘分割器[10]，进行工位转换，在相应工位上由气缸执行机构或气动手爪分别完成零件的定位和装配。单向器组件中的零件各异，均采用振动盘完成自动上料，单向器自动装配机结构，如图3（b）所示。

图3 单向器自动装配机Fig．3 Automatic Assembly Machine for One-Way Clutch

单向器自动装配机各工位气缸型号，如表1所示。

表1 自动装配机所用气缸表Tab.1 Cylinder Table of the Automatic Assembly Machine

3.1 各工位设计方案

星轮上料工位，如图4（a）所示。为了准确的抓取星轮，在手爪气缸的末端设计了星轮抓取机构，夹具内侧设计与星轮的外径大小一样的圆弧，从而限制X，Y方向的自由度，为了定位星轮的外侧的凸槽，且在夹具的一侧开槽，并且与星轮能够贴合，从而更好的限制住绕Z轴旋转的Rz方向的自由度。装配原理为：星轮通过振动盘上料至上料板2槽中，手爪气缸1将星轮夹取并通过气缸运动将星轮通过导料轴3进行上料至转盘夹具座中，完成星轮的上料。

弹簧与滚柱上料工位，如图4（b）所示。该工位分为弹簧滚柱上料模块4和弹簧滚柱旋转下料模块5，通过这两个模块之间的相互配合完成三组弹簧和滚柱的装配。装配原理为：弹簧通过振动盘进行上料至上料转盘，转盘转动90°将弹簧进行分料。滚柱通过振动盘及导料管依靠自身重力进行上料，气缸推动弹簧与滚柱成对在上料槽中，成对的零件再通过气缸推动进入弹簧滚柱旋转下料模块，由于出料口与星轮的三个孔位偏差分别为30°、150°、270°，通过电机分别带动三组成对的弹簧滚柱进行30°、150°、270°旋转，到位后下压杆进行压料上料，完成该工位的装配任务。

垫片和塑料套上料工位，如图4（c）所示。该工位通过装配板进行垫片和塑料套的装配。在板子上开槽，一侧槽是与塑料套的外径大小相同的轨道，另一侧开深与垫片深度一致的凹槽轨道同时在垫片槽端部的中心部位开孔，直径大小为塑料套直径。落料工位，如图4（d）所示。单向器所有组件完成装配后通过落料机构进行卸料。装配原理为：塑料套和垫片分别通过振动盘进行上料至装配板6的塑料套槽和垫片槽孔中，塑料套被带有轴的气缸沿轨道移动至垫片槽孔中通过自身重力落入槽孔内，完成塑料套和垫片的装配。通过垫片、星轮与电磁铁的相互磁力作用，利用气缸带动电磁铁2，电磁铁通电完成垫片塑料套与星轮的装配和取料。电磁铁断电，单向器组件通过落料结构中的落料槽8完成落料，再进行下次装配循环。

4 控制与分析

该装配系统由PLC进行控制，气缸通过各工位的动作要求进行各零件的定位和装配，来完成单向器组件的装配。该自动装配机气动原理图，如图5所示。

图5 自动装配机气动原理图Fig．5 Pneumatic Circuit Diagram of the Automatic Assembly Machine

5 样机与实验研究

根据前述的设计方案开发了实际样机，如图6所示。

图6 单向器自动装配机样机Fig．6 Prototype of the Automatic Assembly Machine for One-Way Clutch

通过对样机各工位的时间测试，如表2所示，弹簧与滚柱上料工位的时间对整机时间起着决定作用。为了提高整机的时间效率，将弹簧滚柱旋转下料模块的电机转位角度按照正反转进行测试，即转位角度为 30°、150°、-90°，回位角度为-30°、-150°、90°，通过实验效率明显提高，且运行良好。同时气缸运动和电机转位进行动作重叠，即在进行转位的同时气缸将弹簧和滚柱推送到转位机构前进行等待，转位机构回位后将料推入进行下一组装配。因此在该工位进行电机角度正反转与气缸的动作重叠后时间效率提高近一半。其他工位通过气缸动作重叠时间效率也有一定的提高。

表2 各工位时间效率Tab.2 Time Efficiency of Each Station

6 结论

（1）对单向器零件组成及装配顺序进行分析，得出在装配过程中各装配工序的要求，即弹簧与滚柱装配压缩长度5≦L＜6mm；塑料套和垫片在装配时圆心的同轴度误差＜0．25mm；塑料套和星轮内孔装配时圆心的同轴度误差＜0．05mm。

（2）通过单向器对各装配工序要求，确定自动装配机总体方案设计并对样机进行试制，得出该自动装配设备一分钟可以装配4个，运行稳定，生产效率比人工装配效率提高近3倍，自动机的开发极大程度减轻了人工装配的劳动强度，从而大幅度地提高装配工作效率和企业的效益。