据相关数据显示，中国已成为汽车产销大国，汽车产业必将成为一个长期支柱产业。阀门导管是汽车发动机阀的导向装置，使阀杆上的热量通过阀门管道传递到气缸盖。随着汽车销量的增加，对阀门管道的需求也将日益增加。对于给料机，国外，如瑞士制造的310便携式带式给料机和美国EIMCO公司开发的喷雾机械手，主要是朝着食品自动喂料的方向发展。由于我国工业起步较晚，现有的给料机主要有螺旋给料机、振动给料机、真空给料机、链式料斗给料机、带式给料机等。由于阀门管道采用储箱进行储箱运输，所开发的给料机应与外部设备连接，因此，这些国内外给料机无法完成阀门管道的进给。此外，阀门导管的加工比较复杂，精度要求很高。在中国，这类产品的喂料大多采用人工喂料。调查表明，大多数阀门导管生产企业的材料重量达25×30 kg。在批量加工过程中，该方法存在以下问题：(1)阀门导管的生产精度较高，人工加料容易造成端面损伤，导致产品的缺陷率增加：(2)由于阀门导管供不应求，该给药方法的工作效率很低，无法满足现阶段阀门导管的质量要求；(3)对于25~30 kg的物料，人工喂料劳动强度高，周围环境噪声大，对工作人员的身体有一定的危害。

因此，采用概念设计(Conceptual Design)制定出气门导管自动上料的新颖方案，并详细论证了其方案的可行性，最后通过对关键结构的静力学分析，设计了一种新型的气门导管自动上料机，其简单、安全的按钮式操作，不但减轻了人工上料的劳动强度，还大幅度降低了端面打痕率，较好的解决了工作效率低等问题。

1　自动上料机的方案设计与分析

首先对自动上料机进行系统化的功能分析，然后采用自上而下的设计方法对其进行虚拟装配，最后对关键部位做形变和强度校核。

1.1　功能的分析与分解

自动上料机实现的功能是在1200 mm处满足阀门管道自动进料的高度，工作流程如图1所示。第一，手动将纸箱推到工作位置，第二，机械手将每个箱子举到一定高度，翻转并倒入振动料斗，最后翻转到水平位置，移动距离将空箱放在预定的卸料平台上，图2显示了工作图。该机器创新地设计了一种新的进料机构，它不仅能满足预定的要求，还能满足预定的要求。同时对各类工件进行进料运输，可达30 kg左右，并能保证原工件的精度。此外，本机还具有结构稳定、使用方便、经济实用等特点。

通过对气门导管自动上料机的功能结构分析，设计了一种新型三自由度的自动上料机构，并将其分解为由主机体机构、提升机构、上料机构、横移机构等组成。将各子功能的相互关系确定后，下面进行功能实现的详细构思和设计。

图1　工作流程图

1.2　功能的构思与设计

1.2.1　主机体机构

图2　工作示意图

主体是整个设备的外部结构基础，它以有序的方式连接整个自动给料机的外部功能，以保证整体动作的协调性和合理性。要保证有足够的空间，使各机构的动作不相互干扰，留有空间，同时又不影响各机构内部运动的稳定性。为综合上述要求，主体机构采用方钢焊接，外表面包裹。它不仅起到整体框架的作用，而且还包括升降机构安装板、缺少材料传感装置、卸载平台装置、物料卡车导向装置等关键部件。

1.2.2　上料机构

进给机构包括抓地力机构和翻转机构，它们是自动进给机实现自动进给功能的关键机构。因此，进给机构的设计包括两个动作：机械手的抓取和机械手的翻转。抓地力机构采用左右对称抓取结构，以薄缸为动力源，直线轴承座承受箱体材料等产生的径向力。此外，气缸具有操作简单、输出力大、动作快、适应性强等特点，能够满足抓取机构的要求，实现箱体材料的抓取和松开功能。

翻转机构的功能是带动抓手机构实现超过180°的翻转并且将盒料中的气门导管从出料口中倒入振动料斗中。设计的新型上料方式完美的解决了由于气门导管数量多、重量大而带来的端面损伤问题，整个上料机构如图3所示。

图3　上料机构

抓手机构抓取盒料之后，翻转机构会由伺服电机驱动，带动整个机构翻转。在工作位置标准气缸会伸出，带动滑动板运动，气门导管会从出料口流出，完成上料。

1.2.3　横移机构

图4　横移机构

横移机构是为了使上料机构完成上料之后将空盒放到卸货台，便于存放盒的循环使用。在运动过程中，动作要尽量平稳且迅速，故采用气缸作为动力来源。整体结构如图4所示。

1.2.4　提升机构

根据振动料斗的高度以及上料机构翻转角度进而确定了提升机构在竖直方向上的行程，便于下一步完成盒料的上料。提升机构的负载重量约为800N，经过计算，电机需要的转子惯量需要满足JM>1.45×10-4kg·m2，输出扭矩T0=2.07N·m，额定功率P=81.63W，因此选择安川Σ7系列的SGM7G-05AFC61伺服电机，并选择与之配套的寅通RV50-15的涡轮蜗杆减速器机。提升结构如图5所示。

整个提升机构由伺服电机及涡轮蜗杆减速机1带动提升转轴3旋转，链轮2链条4将提升转轴3的旋转运动转化为竖直方向的运动，再加上线性滑动单元5进而实现了带动上料及横移机构6的纵向运动。

1.电机及减速机 2.链轮 3.提升转轴4.链条 5.线性滑动单元6.上料及横移机构7.主机体

图5　提升机构

1.2.5　自动上料机整体结构

图6　自动上料机

经过上述子功能机构的构思与设计，运用虚拟装配原理可将其集成设计成自动上料机的整体结构。利用Soliworks建立其三维模型，如图6所示。满足上料功能的实现。

1.3　基于有限元分析的翻转架板形变和强度校核

整个自动上料机中，运动发生较大形变和应力集中的是翻转机构的翻转架板。针对翻转架板做形变和强度校核，在Solidworks中完对翻转架板的参数化建模，并与ANSYS进行无缝连接，设置架板有关材料属性参数和受力情况，分析结果如图7和图8所示。

图7　翻转架板位移云图

图8　翻转架板应力云图

根据位移和应力云图，可以得到翻转架板的变形主要是发生在矩形口中部内侧，这也与实际情况吻合，最大变形量为0.929mm，变形量满足使用要求。而翻转架板的应力集中主要是在与轴支架接触的位置，以及架板前端的通孔附近，最大等效应力值为185.69MPa，翻转架板材料为Q235，其屈服强度为235MPa，根据第四强度理论，显然该最大等效应力值远小于翻转架板的屈服强度，应力满足条件。

2　自动上料机的控制系统

在工业控制中，对控制方案的选择，一般是在满足所实现功能的前提下，遵循“稳定、便捷”的原则。结合项目自身的特点和PLC具有可靠性高、抗干扰性能强、编程方便等优点，选用PLC作为控制器。从I/O点数、性能要求、可靠性和成本等角度综合考虑，最终选用了三菱FX-3U系列的PLC。控制系统执行图如图9所示。

图9　控制系统执行图

为了实时监测馈线的状态，采用触摸屏和PLC进行双向通信。通过触摸屏，可以在不同的工作过程中设置工作平台的速度和位置，并在触摸屏上实时显示速度和位置。指示灯用于显示馈线的状态，绿灯亮时，馈线此时正常工作；黄灯亮时，表示物料缺货或设备不正常；红灯亮时，指示设备发生故障，此时自动产生紧急停车信号，切断电源，确保设备安全。

3　结论

气门导管自动上料机实现了精密工件的自动进给，降低了人员的劳动强度，降低了企业的劳动成本，大大提高了工作效率。所设计的新型送料机构解决了企业在手动送料方面面临的一系列问题，弥补了国内外阀门管道等精密工件进给机的差距，具有较强的适用性，具有一定的实际意义和实际应用价值。虽然该设备的研制实现了精密工件进给的自动化，但仍然存在两个主要问题：一是与企业生产线的连接还存在一些问题，如存储盒的加工不足；二是在效率方面，由于与该设备相对应的无心磨床拍频不高，设计速度不太快，不同设备的设计速度也不太快。在后期，通过修改设备人机界面的相关参数，可以替代速度，实现对不同设备的适用性。解决这一问题的关键在于PLC的开发和程序的修改。