（测试计量技术及仪器专业论文）全自动手表分轮装配系统的研制.pdf

摘要 目前的全球手表市场七成的产品产自中国，并且，中国手表市场正成为继美 国、日本之后的世界第三大市场。可是，当前中国手表生产方式的现状却与这一 数据极不相适应。清一色手工装配和鲜见的半自动化生产，不仅效率低，成品率 不稳定，而且引入手工装配环节，容易对精密的钟表元件带来进一步的污染。而 改用自动化装配系统，装配过程可以在全封闭无尘防静电车间进行，切断了手工 污染的途径，更重要的是自动化装配的装配性能稳定，成品率高，效率快。 本课题设计一台全自动手表分轮装配机。该机很好地实现了分轮和分轮轴的 快速高效装配，极大提高了分轮和分轮轴装配车间的生产效率和产品质量，节约 了大量的人力成本。由于目前国内还没有此类自动化设备，相对的市场需求有比 较大，因此，成熟的该套设备在市场上及具竞争力。 本论文的主要研究内容： 1 综合研究了自动化装配的相关技术，以及现有的手表分轮人工装配器械， 再根据手表分轮自身的特性设计了手表分轮的自动化装配方案。 2 通过材料力学和理论力学的角度，计算手表分轮齿轮片和分轮轴过盈装 配需达到的装配精度和实现过盈装配所需的装配力的大小。 3 设计装配方案的机械运动框架及各个独立装配的模块。设计实现的模块 包括了自动供料模块、自动打击装配模块和自动出料模块等。 4 设计自动装配的控制系统。包括了控制单元、人机界面和伺服单元的选 型，电路图的设计和控制程序的编写等，也包括电气元件的安装与调试。 5 在加工中确保加工产品满足设计需要。在机械加工的现场，与现场工程 师进行实时交流，并对其有效的反馈进行改进。顺利地在现场实现了整个装配机 的安装与调试。 6 机械与电气的调试同时进行，优势互补。充分发挥机械与电气各自的特 点，实现了机械与电气的互相协调，进一步完善了系统，提高了生产效率和成品 率。 关键词：自动装配；分轮：人机界面：p l c a b s t r a c t n o w a d a y s ，i nt h eg l o b a lw a t c hm a r k e t ，a l m o s t7 0 o f t h ep r o d u c t sa r em a d ei n c h i n a , w h i c hw i l lb e c o m et h et h i r dl a r g e s tm a r k e ti nt h i sa r e a , j u s tr a n k i n gb e h i n d a m e r i c aa n dj a p a n h o w e v e r , t h ew a yo fc h i n e s em a n u f a c t u r i n gg o e sd o e s n tl i v eu p t oh e rp o s i t i o n l o we f f i c i e n c ya n du n s t a b l ey i e l db o t ha r et h em a i nc h a r a c t e ro f m a n u a la n ds e m i a u t o m a t i cm a n u f a c t u r ei na s s e m b l i n gw a t c h m e a n w h i l e ，t h e i n v o l v e m e n to fm a n p o w e rw i l lb r i n gi nw o r s ep o l l u t i o nt ot h e s ep r e c i s ep a r t s t h e r e f o r e 。i tw i l lb em u c hb e t t e ri fw ec a nu s et h ea u t o m a t i ca s s e m b l em a c h i n e ，b y w h i c hw ec a np r e v e n tt h em a n u a lp o l l u t i o na n dr e a l i z ea l lt h ea s s e m b l ep r o c e s si nt h e c l e a nw o r k s h o p ，w h i c hi sf r e ef r o ms t a t i ce l e c t r i c i t y t h em o s ta d v a n c ei n t h i s a u t o m a t i ca s s e m b l em a c h i n ei si t ss t a b i l i t y , h i g he f f i c i e n ta n dg r e a ty i e l d an e wt y p eo fa u t o m a t i cm i n u t ep i n i o na n da x l ea s s e m b l em a c h i n eh a sb e e n d e s i g n e di nt h i st h e s i s t h em a c h i n ep e r f o r m si t sf u n c t i o nw e l l ，w h i c hn o to n l yg r e a t l y i m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i o ni nt h ea s s e m b l ew o r k s h o p ，b u t a l s os a v e sg r e a ta m o u n to fm a n p o w e rc o s t w i t haf e ws u p p l ya n dg r e a td e m a n d ，t h e a s s e m b l em a c h i n e ，e s p e c i a l l yi t sm a t u r eo n e s ，c a nb ei ng r e a tc o m p e t i t i o ni no u r n a t i o n a lm a r k e t t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e db e l o w ： 1 d e s i g nt h es c h e m eo ft h ea u t o m a t i cm a c h i n ea c c o r d i n gt ot h em i n u t ep i n i o n a n da x l e sc h a r a c t e r s ，a f t e rs t u d y i n gt h er e l a t e dt e c h n i c a ld a t aa n dh a v i n gd o n et h e r e s e a r c hi nt h em a n u a la s s e m b l em a c h i n e 2 c a l c u l a t et h ea s s e m b l ep r e c i s i o na n df o r c ef o rm i n u t ep i n i o na n da x l e s i n t e r f e r e n c ef i tf r o mt h ev i e wp o i n to fm a t e r i a ls c i e n c ea n dt h e o r e t i c a lm e c h a n i c s 3 f i n i s ht h ed e s i g n a t i o no fm a c h i n ef r a m ea n da s s e m b l em e c h a n i s m s ，i n c l u d i n g t h ea u t o - f e e dm e c h a n i s m ，t h ea u t o p u n c hm e c h a n i s ma n dt h ea u t od i s c h a r g es y s t e m ， e t c 4 r e a l i z et h ec o n t r o ls y s t e m sf o ra u t o m a t i ca s s e m b l e t h i sd e s i g n a t i o ni n c l u d e s n o to n l yt h et y p es e l e c t i o nf o rc o n t r o lu n i t ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds e r v om o t o r ， t h ed e s i g n a t i o nf o rc i r c u i td i a g r a ma n dp r o g r a m s ，b u ta l s ot h ei n s t a l l a t i o na n d d e b u g g i n gf o re l e c t r i ce l e m e n t 5 c h o o s et h eh i g hp r e c i s i o nm a c h i n ea n de n s u r eh i g hp r e s i s i o nm a n u f a c t u r i n g p a r t s d i s c u s sw i t ht h ee n g i n e e r , g e tt h ef e e d b a c k ，a n dm a k eag r e a ti m p r o v e m e n t i n t h i sp r o j e c to ns i t e f i n i s ht h ew h o l ei n s t a l l a t i o na n dd e b u go ns c h e d u l e 6 m a k eg o o du s eo fa d v a n t a g e sf o rm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lb yp u t t i n gt h e i r d e b u gt o g e t h e r , w h i c hh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n ta n dy i e l d k e yw o r d s ：a u t o m a t i ca s s e m b l e ：m i n u t ep i n i o na n da x l e ；h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ；p l c 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：舀、鹚丘 多口。作月罗e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 | ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：w 、溉星 加仵6 月弓日 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 现代加工技术的不断进步，为社会生产力发展带来了巨大的飞跃。零件加工、 金属成型、铣削制造等日臻综合自动化。随着柔性制造技术的发展，世界机械制 造业将进入全盘自动化的时代。然而相对加工自动化的辉煌，占整个产品制造工 作量2 0 - 7 0 的装配却相对滞后并且两者的反差呈越拉越大趋势。如今，装配 工艺已经成为现代自动化生产的薄弱环节，传统的手工装配工艺面临严峻挑战。 从技术层次上讲，装配是一项复杂的生产过程。人工操作在装配中作为一个 生产元素出现，很难保证工作的一致性和稳定性，其判断的准确、灵巧等方面的 随机性非常大。另外，从不同人的装配熟练程度出发，人工操作与产品功能可靠、 质量一致性好、价格合理的要求也极不相适应。 从社会层次上讲，人工操作在装配中作为一个生产元素出现，已经不能与当 前的社会经济条件相适应。中国人口结构的比例较改革开放初期，已经有了较大 的变化，廉价劳动力的资源不再像以前那么丰富。另外，新劳动合同法的颁 布与实施，使得企业的人力成本陡然增大，装配阶段的费用更成比例地上升。因 此，实现装配过程的自动化，不仅可以大幅提高生产效率，而且可以带来十分显 著的经济效益，提高企业的竞争能力。 我国对自动化装配技术的研究起步较晚，尽管近年来有一定的进展，陆续自 行设计、建立和引进了一些半自动化、自动化装配线。但从调查的情况来看，我 国工业生产的自动化程度依然不高，装配速度和生产效率亦较低。究其原因主要 有二：一是缘于改革开放前期，我国人口众多，劳动力便宜，企业不愿将有限的 资金用于自动化装配技术的研究，二是由于自动化装配研制成本较高而适用面 窄，国内许多企业虽有需求但资金不足。但是随着我国市场经济体制的完善和对 外贸易的日益增加，一方面国内外的竞争越来越激烈，手工装配的优势不再，企 业对装配的自动化需求已经日趋增长；另一方面则是国内技术不足且国外引进的 先进设备价格过于昂贵，因此我国企业急需真正提高自动化装配水平和竞争能 力。我们须在借鉴国外先进技术的基础上自主研发，以尽量少的费用，研究和开 发出符合我国企业需求的自动化装配单元。综上，我国的自动化装配技术研究具 有很大的开发和应用前景。 全自动手表分轮装配系统的研制 1 2 课题介绍 本文所设计的手表分轮自动装配机是受国内一家精密仪器公司委托设计开 发的，主要用于手表机芯上的分针表轴和齿轮片的自动装配。由于此类零部件体 积较小，装配精度要求较高，但现有的人工装配效率低下，且次品率较高，所以 如果采用自动化装配系统，既安全可靠、方便快捷，又降低了企业的用人成本， 大大提高了生产效率。 1 2 1 国内外现状 目前全球时钟市场七成的产品产自中国，并且，中国手表市场正成为继美国、 日本之后的世界第三大市场。然而，当前中国手表生产方式的现状却与这一数据 极不相适应。清一色手工装配和鲜见的半自动化生产，使得中国手表生产优势的 前景令人堪忧。 传统的手表生产，特别是分轮的轮轴装配，采用手工装配，不仅效率低，成 品率不稳定，而且引入手工装配环节，容易对精密的手表元件带来进一步的污染。 加之新劳动法生效，人力成本升高，手工装配的优势不再。改用自动化装配 系统，装配过程可以在全封闭无尘防静电车间进行，切断了手工污染的途径。更 重要的是自动化装配的装配性能稳定，成品率高，效率快。自动话装配系统还可 以降低人力成本，为企业提高竞争力。 现今，国内还没有此类自动化设备，引进瑞士的自动化生产线代价太高。因 此，独立开发一套自动化的分轮装配系统在市场上极具竞争力。 1 2 2 产品介绍 手表机芯的分轮齿轮片如图1 1 所示 图1 1 手表机芯分轮齿轮片 该零件的材料采用聚甲醛( p o m ) 。这是一种性能优良的工程塑料，在国外 第章绪论 有“夺钢、“超钢 之称，该材料具有类似金属的硬度、强度和钢性，也具有 很低的摩擦系数和很好的几何稳定性，特别适合于制作齿轮和轴承。同时，采用 这种工程塑料为原料，更易于采用精密注塑的办法实现零件加工的标准化，便于 自动装配的进行。它的性能参数如表1 1 所示： 表1 1p l c 聚甲醛性能简表2 3 3 比重 1 4 3 拉伸弹性模量大于2 6 0 0m p a 熔点 1 7 5 冲击强度( 无缺口)10 8 k j m 2 伸强度( 屈服) 7 0 m p a 冲击强度( 带缺口)7 6 k j m 2 伸长率( 屈服) 15 伸长率( 断裂) 1 5 该零件设计图中对于装配过程最关键的尺寸是齿轮片的装配孔，尺寸值为 0 0 8 2 ：。o o s m l n 。其次是装配机的整体尺寸，最大外径为：0 3 5 7 7 0 - 0 0 1 6 1 1 1 1 ，最高 高度为：o 51 1 0 0 1 91 1 1 1 1 1 。 另一配套的装配件为手表机芯的分轮轴如图1 2 所示 图1 2 手表机芯分轮轴 辛自动下袁 轮毡e 系统研制 该零件采用瑞士s a n d v i k2 0 a p 的不锈钢，由自动成型车床加工而成，保证 了装配轴端的直径为0 08 2 ：裟 123 设计要求 自动装配的目的足实现两零件的过盈装配。 实物的装配成品如陶1 3 所示。 齿轮片 分轮轴 图1 3 分轮轴装配前后及与一元人民币比较 装配难点： 1 装配零件尺寸小。分轮轴的轴颈部分只有07 m m ，而分轮齿轮片的厚度只 有0 1 8 r a m ，这对于现代的自动化加工不是一个问题，但对于零件的自动送料和 自动擒纵则是一个考验； 2 装配精度要求高。作为手表机芯分针的传动件，齿轮片传动齿的擦伤和 超差的装配垂直度公筹都是不允许的，凼为这不仅是影响到零件在手表机芯中的 运行状况，从妊远的角度柬说，更会影响到手表厂商的信誉： 3 装配速度要求快。当前泼公司手表机芯中的分轮轮轴装配都是以人j ：进 行的，熟练工人的皴配速度最快可到8 支n f i n ( 不考虑工人疲劳的情况下) ，改 用了全自动装配后，要求达到的效率最少为3 0 支r a i n 。相当于4 名熟练工人的 程度这将给公司带来极大效益的提高。 4 成品率要求高。当前的人工装配，由于人员的引入容易造成人工的第二 次污染，如油渍，粉尘等，以及人工装配力度不一致造成的装配不到位的问题。 改用自动化装配后，可以解决上述两个问题，但是同时也耍提高自动化装配机器 自身的稳定性来保证较高的装配成品率。 第一章绪论 1 3 本文主要研究工作及意义 国外生产的分轮自动装配机，虽然性能先进、功能齐全，但出于自身优势行 业的技术保护，国外( 主要指瑞士和日本) 厂家都将自己的核心技术保密，更不 可能将这些设备出口。出口的设备都是退居二线的半自动化产品，不仅价格高， 操作、维修也困难，更重要的是装配成品率太低。另外国外产品的一些技术参数， 操作界面和语言，不能很好地适应我国的工艺现状和相应的标准，维修和售后服 务也跟不上。因此有必要自主研制开发具有国际先进水平、性能价格比较高并能 够替代进口产品的手表机芯自动装配机，来满足我国日益增长的手表市场对手表 装配技术的新要求。这不仅是技术进步的需要，也是摆在我们自动化设计人员面 前的一项紧迫的任务。本文通过对国内外众多的手表机芯组装厂家的调研，总结 国内手表机芯组装用现状，分析了手表机芯组装向高速、自动化方向发展的趋势， 提出了研制和开发具有国内领先水平的手表机芯分轮轮轴全自动装配机的课题。 课题要求设计的全自动手表机芯分轮轮片和轴的装配系统，具有高效率，高 成品率的特点，并要求对其加工样机进行调试和改进，直至设备能达到预期生产 目的。该课题研究内容主要归纳如下： 1 对现有人工装配器械进行分析和研究，以期借鉴和参考； 2 通过理论计算齿轮片和轴的过盈装配需达到的装配精度； 3 设计装配方案的机械运动框架并对伺服电机进行选型； 4 设计控制系统，画出电路图并编写控制程序； 5 对加工出来的样机进行机械动作的调试，验证其实际功能的动作实现； 6 在确保机械动作不损坏电机情况下，开始电气控制功能的调试； 7 点动运行，检测装配加工的效果； 8 实现连动，机械电气互相协调，优势互补，进一步完善系统，提高效率 和成品率。 1 4 本章小结 本章首先从机械制造业日臻自动化的国际国内背景出发，阐述了实现其瓶颈 环节一装配自动化的紧迫性和必要性，并预测了装配自动化的明亮发展前景。接 着文章再从待装配产品自身的特点和所要完成的自动装配系统的设计要求出发， 论述了实现该项目所需完成的研究工作及其实现意义。 丐 全自动手表分轮装配系统的研制 第二章系统总体设计 2 1 概述 该自动装配系统设计的目的是将手表机芯的分轮轴和分轮齿轮片装配在一 起，形成手表机芯中动力传递的一个配件。一个看似简单的动作，其在机电一体 化设计系统中的实现，却要涉及方方面面的内容。本章主要就总体方案的设计实 现进行详细论述，从理论计算到实际应用，从待装配零件到自动化装配的设备本 体，一步步地进行分析，选择，直至最终的确定。 2 2 装配要素的分析 装配要素分析是自动化装配设计中一个极其重要的环节，甚至可以左右自动 化装配设计的成败。装配要素分析不仅包括对待装配零件的基本尺寸、材料性质、 装配要求等的分析，待装配零件的公差分布及完成装配动作所需装配力大小的计 算也是分析的要点。下面将就待装配零件的公差及完成装配需要的实际装配力大 小进行详细分析。 2 2 1 装配公差分析 首先是对手表分轮轴和分轮齿轮片的装配部位进行装配要素分析：分轮齿轮 片装配孔的装配尺寸为o o 8 2 ：0 0 8 ，分轮轴的装配轴的尺寸为a 0 , 7 。0 , 0 。3 ：，两者的 装配关系如图2 1 所示。 轴公差带 孔公差带 、过盈 2 m m 零线 图2 1 装配轴孔公差配合图 从该公差配合图2 1 可知，该轴孔装配为典型的过盈配合，因此两件连接无 需附加的固定件，装配运动轨迹相较简单。但是，由于过盈联接零件要经受弹性 变形和塑性变形，需克服较大的摩擦力，且过盈联接零件端面的导向锥面和倒棱 的导向作用有限，这就要求在装配过程中采用合适的装配力和恰当的装配方法， 来保证装配的到位程度和装配的同心度。同时，恰当的装配方法也是关系整个系 统成功与否的关键，关系到系统装配的效率、装配的成品率、系统的造价成本等。 第二章系统总体设计 两待装配件的尺寸、公差和材料等设计参数定型后，对应装配力的大小也可 以计算得出来。影响装配力大小的因素有：零件联接前相对位置精度、相互联接 零件表面的边缘状态( 如倒棱) 、表面加工的粗糙度、自动装配设备一夹具一装 配零件的刚度、联接表面配合公差及过盈量等。 进行加压的速度不超过5 - 7 m m s ；压配的最大力是发生在工序临终的时刻， 它可按下式确定： 鼻呶= 7 r p p m ( 2 - 1 ) 式中p 压配时的摩擦系数，p = 0 1 3 ( 上试样钢，下试样聚甲醛) n 阴； 磊为配合表面直径( 删n ) ，d l = 0 8 2 r a m ； ，装配零件接触长度( m m ) ，= o 51 r a m 0 0 5 r a m o 0 4 m m = 0 4 2 r a m ； p 垂直接触表面的压力( 聊m 2 ) ； 联接零件经受弹性变形，垂直压力可以由下式求得： 胪再知再a l ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中实际过盈量( m m ) ，由图2 4 可知a = 3 0 # m = 0 0 3 m m ； q = 孕外部零件的直径比( 外部材料为分轮齿轮片，双层结构，上层齿 轮的分度圆直径为1 6 6 m m ，占装配长度的6 9 ，下层齿轮的分度圆直径为3 5 4 ， 占装配长度的3 1 ) ，a 瓦1 6 五6 。6 9 + 去羞o 3 1 2 7 3 5 ； =譬内部零件的直径比(4=039mma) ，p = 罟1 1 兰o 4 7 5 6 ； 6 z 巨和易内部和外部零件材料的弹性模量( 所坍2 ) ，内部零件材料为不 锈钢，e = 2 0 6 x 1 0 5 m p a ，外部零件材料为聚甲醛，岛= 2 6 x 1 0 3 m p a ； 铂和1 ：内部和外部零件材料的泊松系数，查资料得n 羽： 仉= 0 3 ，7 2 = 0 3 5 ； 由式( 2 - 2 ) 算得： 争自动手表丹轮装配系统的制 9 2 j l j ；1 + ；j ，i 2 ：i i ： ；1 1 j ； a ；= j + ；i ：j “5 6 7 9 ”7 “”2 只。一”# p l d l 3 1 4 x 0 1 3 x5 67 9 x 0 4 2 x o8 2 8 0 n 即最大压入力为8o n 。崮此，在装配方式上，采用小型的气缸或者电磁铁 即可完成装配动作的动力要求。 23 装配方式的选择与确定 手表分轮自动装配的寅现，虽然装配运动轨迹相对比较简单( 只需要一个下 压的动作) ，装配力也不大( 最大压入力仅需8 0 n ) ，但是，如何实现装配压头的 取料和装配，怎样保证装配前两待装配件的同轴度，零件的自动装配可以高效到 哪个状态，都是急待解决的问题。 取料和装配，该环节历经了多种方案的讨论。从不成熟到成熟，从理论设计 到实际测试，从单纯要求动作的实现到系统的经济性论证，先后主要经历了三种 方案的演化。下面将就这三个方案分别做择优比较。 231 旋摆机械手自动装配 如图2 2 所示，为方案一的设计。 旋摆机械 装配气缸 轴振动盘 轴旋转分 科器 i ：f l - 平台 图2 2 手表分轮自动装配系统旋摆机械手自动装配方案设计图 该方案主要由一带真空吸头的旋转机械手来实现零件的拾取、装配和释放动 作。系统由多个独立的部件组成，如图22 所示，左右边上的两个圆盘状部件为 两旋转分料器，它主要由底部的伺服电机及其上方的工位平台搭建而成。旋转分 料器由四个工位构成，分别是：下料工位，储料检测工位，装夹装配工位和出料 检测工位。旋转分料器主要功能是料的分离、定点和定位装配。系统完成其装配 过程流程如下： 第= 章系统岳体设计 旋摆机械手在右侧的轮旋转分料器上定位吸取分轮齿轮片零件 旋摆到左侧的轴旋转分料器上定位装配气缸下压完成装配| + 旋摆气缸 回旋 经盛料箱上方将成品料释放- 旋摆机械手返回右侧轮旋转分料器 上定位。截取部分f l a s h 流程如图2 3 所示。 、猎、臼i 、麓：，l ， ， ：一， ! 一一一 一一 图2 3 手表分轮自动装配过程流程图 这种装配方式动作节拍简单，设计思路清晰。但是出于手表分轮元件自身的 精密性，这种设计方式对旋转分料器和旋摆机械手的定位精度就提出了更高的要 求，设备的造价会相较昂贵。其装配安装尺寸如图2 4 所示。 图2 4 手表分轮自动装配安装尺寸标注图 如图2 4 所示，分轮齿轮片的装配孔尺寸为0 08 2 ：o 啪，其倒角尺寸为 o0 5 x 4 5 0 ，取装配孔的直径最小值o8 2 r a m 加上4 5 。角的导向作用，可算得分 轮齿轮片的装配孔最大安装尺寸以= 0 8 2 + o 0 5 x2 = 0 9 2 r a m 。对于分轮轴 装配孔的具体尺寸为巧o8 2 ：篙，同样考虑其导向角的作用，可算得分轮轴的装 翠 萤? ，喀 拿自动手壅坌丝鳖壁墨笙堕婴型 = 0 8 恤2 ：0 0 0 8 2 0 8 8 m mo 始黼勰 滞悖蜊篆掣淼二篡赫乩嗍5 6 删膦 黑篡一焉詈嚣 一，以一旋转机械手配合融鼢黼銮! 竺曼篡磊。设计其旋转半径都 嚣篙嚣茹蒜茹磊隔 瑟篆瑟一茹 损，或者装配不正而强行挤出毛边。 但 精 姐 脒 砌 达 坦一 篓瓣螋6 司 略 坩 缸 手 。 械皿印 乙 d 一 晰 戳 烛 觥 耐 第二章系统总体设计 2 3 3 整体预定位式自动装配 委托厂家要求我们设计的手表分轮轴和齿轮片的自动装配系统，具有产量 大，装配效率高的基本要求。在装配方式上如采用上述论证方案一和方案二的装 配机器手和移置机构机械手的方法，均在运动过程中找正，往返运动需要时间， 找正过程也较耗时，更需要精度，这样就难于实现装配系统的高效和优质。方案 三，也就是我们最终通过的装配方式设计，采取了完全不同的设计思维：将待装 配件运动过程中找正装配改为待装配件先整体预定位，再相对静止装配。在这里， 我们称之为整体预定位的装配方法。 整体预定位装配法，就把分轮轴和分轮齿轮片预先装入同一个装配模块中， 经由装配模块夹紧定位，装配压头压紧，再行装配的一种方法。这样，该装配件 装配时的高同轴度要求仅需由装配模块的加工精度来保证，极大地降低了装配成 本。同时，整体预定位节省了装配找正过程的时间，极大地提高了装配效率。装 配示意图见图2 7 。 装配压 装配模头上 谭 装配打击杆 l f 气 l 荤 。 装配齿轮片 装配分轮轴 图2 7 整体预定位装配法 先利用分轮轴的自重，将其置入预先加工好的装配模块中，再用同样的方法， 将分轮的齿轮片放于同一装配模块的轴的上方。然后装配压头先下压，定位住装 配齿轮片，装配打击杆再从底部将分轮轴向上打击，完成装配动作的实现。这种 装配方法定位准确，从而减少轴装入孔过程中的偏移量和偏斜量。但是光靠该装 配模块还不能解决全部问题。怎样实现分轮轴和分轮齿轮片的自动快速放入，以 及怎样在装配过程中对分轮轴和分轮齿轮片进行精确地夹紧定位，这两个问题的 答案自身却是一对矛盾。 自动快速放入分轮轴和分轮齿轮片，要求分轮轴和分轮齿轮片的孔足够大， 而分轮轴和分轮齿轮片精确夹紧定位的实现需要的正好相反。因此，这种设计方 辛n a f 丧丹轮装e 系统的制 案的实现，还需要对毅配模块采墩种特殊的结构 5 计来化解这对矛盾。所采用 的特殊结构实物图如图28 所示。 盈 奄蕾鹾蕈 顶部落轴 模块张开i i 筹嚣淼模块张开 装配预定停 圈2 9 整体预定位的装配过程图 模块闭合 实现装配 2 4 系统总体方案的确立 确定党装配方式。系统的总体疗案就较容易定型f 来。一般说来，系统总 体方案的确立主要包括以下几个部分的设置：自动送料装胃，装配加工装置，自 动传送装置控制系统和基础平台等。其中自动送料装置、装配加工装置和自动 传送装置是完成装配工作的操作机械，这几部分各自的性能以及相互之间的配合 对于装配速度的影响是最大的，为了实现快速装配的目的，必须提高这几部分装 嚣的性能和相互配合关系。 首先是自动送料皱簧，它是自动化装配系统中的一个相对独立的环节，它 对整个自动装配系统的影响是非常大的。一个蚶的自动送料装霞除了要有足够的 第二章系统总体设计 存储空间和输送效率外，还要能够对零件进行定向和定位以保证零件在送料系统 的末端以正确的姿态进入装配系统。经调研得知，在当前自动化装配专机的开发 设计上，最常见，最经济，应用也最广泛的自动送料方式是振动盘，几乎占据了 所有自动化装配专机开发市场的9 0 。手表分轮轴和齿轮片，零件尺寸较小，标 准化程度高的两特点满足了选用振动盘的最基本标准。自动送料的构成分为两部 分，一部分是使得分轮轮片和轴的散料有序化出料的圆形振动盘，实现料的自动 传输和定向供给。另一部分是直线振动器，衔接圆形振动盘和自动分料器，保证 料从振动盘到分度盘上的装配模块的顺利过渡。 其次是自动装配装置和自动传送装置。在上节里已经确定了采用整体预定位 的装配方式，因此，在分轮轴和分轮齿轮片自动装配系统中，该部分需要完成以 下任务：分轮轴上料、检测、分轮齿轮片上料、检测、两者的装配、装配结果的 检测、出料、出料结果检测，共8 种操作。 若采用单工位装配机，即在一个工位上执行所有的操作的方式，不需要基础 件的传送，结构相较简单，但由于所有的操作都只能在同一个工位上完成，一个 装配任务的时间就等于所有操作时间的累计，会导致耗时过长难于实现自动装配 的高效化。而采用时间上同步的多工位装配方式，即一个部件的装配是在多个工 位上完成的节拍式自动化，所有的基础件和工件模块都在同一瞬间移动，当它们 到达下一个工位时，这种传动停止。这样加工的时间仅为耗时最长的工位所需的 时间，能够满足系统追求高效率化的要求。按照相应的8 种操作的各自需求，设 计了可精确旋转定位的8 工位分度盘，其具体分布示意图如图2 1 0 所示。 工位7 二次真空吸料 落 落齿轮片 图2 1 0 分轮装配系统工位分布示意图 5 位 拿自动手表分轮装配系统的研制 该典型的8 工位圆形回转台安装在直驱伺服电机上，每个工位安装一套预 定位装配模块。分轮自动装配机装配动作的实现就是由这8 个不同动作的工位来 完成。工位1 至工位8 ，依次是分轮轴的下料工位、检测工位，齿轮片的下料工 位、检测工位，轴和齿轮片的自动打击装配工位，真空出料工位，二次出料工位 和成品出料检测工位。8 个工位同时工作，从工位1 落分轮轴开始，到工位8 成 品出料检测结束；每个装配模块独立运作，随着分度圆盘间歇运动一圈，即可完 成完整的分轮轴和分轮齿轮片的装配过程。这种方式的采用，不仅使手表分轮自 动装配机的效率有了极大提高，而且结构相当简凑。 再次是分轮自动装配机的控制系统。控制系统包括了控制单元、人机界面、 伺服控制单元、传感检测单元、故障报警模块等。 最后是分轮自动装配机的基础平台设计。这部分给整个系统提供一个稳定的 支撑框架。主要包括了电机构架，操作控制箱，系统安全防护罩，控制机座，电 气元件安装面板等，为了装配机的运送方便还在控制机座的底部安装了移动脚 轮。整个系统的构成结构如图2 1 1 所示。 传感检测 直驱伺服电机真空出料装配压头 图2 1 1 分轮装配机系统构成示意图 如图2 1 1 所示，系统做成双层的平台，底部的空腔用于盛放电气元件的安 装面板，上方平台则作为主要的装配平台，实现上料，装配，出料，检测等一系 第二章系统总体设计 列操作。操作控制箱位于整个装配平台的右侧，高度和位置的设计都是从工人操 作的舒适性出发的。系统安全防护罩做成可拆卸方式，既可实现正常运行时对整 个伺服系统的保护，又方便在系统出现故障时卸下进行维修和调试。系统安全防 护罩的正面还安装了树脂玻璃观察门，方便工人在系统正常运行阶段对系统整体 状态的把握。 2 5 机构的运动过程分析 对于手表分轮全自动装配系统，其运动过程相较简单。进行整个装配过程只 需完成8 个工位上的动作，分别是： 动作1 分轮轴自动上料呻动作2 分轮轴自动检测_ 动作3 分轮齿轮片自 动上料- 动作4 分轮齿轮片自动检测_ 动作5 分轮轴和齿轮片自动装配 动 作6 成品真空出料- 动作7 成品二次出料_ 动作8 成品出料检测。 8 个工位上的8 个动作，配合分度盘的旋转进行。机构的动作都是属于并联 运动，因此在进行机构的运动过程分析时，只分析了不同动作的时序图。具体的 时序分布如图2 1 2 所示。 工位 工位 工位 工位 工位 工位 工位 工位 ! 进入开启状态! 循环运行状态进入关闭状态 分轴下料n 几n 几几几几n 几ll 几： 分轴检测：几几：几：几几! n n ：nl 几几 分轮f 料n 几几几nnn |! 几几几 弓子轮检测：；几：n 。几：n 。几；几!l 几。n 。几几l 下压装配； nnr 1 几几!：几几几几几。 一次出料： 几| nn 几：n 几几几几几1 二；次出料l 几几 几：几几 几几几几几 出料检测i几几：几几几几几nnn 图2 1 2 全自动分轮装配系统分工位动作时序图 对于分度盘的运动，只有运动和停止两个阶段，对应的运动项目为加速启动 和精确停止定位，这部分的运动控制可以利用伺服电机自带的p i d 调谐功能来实 现。因此，整个机构的运动过程分析的要点是，控制对应8 个工位的节奏，实现 稳定性与高效性的统一。 2 6 本章小结 本章从待装配件的自身要素出发，分析了待装配件的装配公差，并从理论上 计算了实现正常装配需要的装配力大小。文章再从三种不同的装配方案中，逐步 确定了系统的装配方式，并从系统的自动送料装置，装配加工装置，自动传送装 全自动手表分轮装配系统的研制 置，控制系统和基础平台的如何确立，讲述了全自动分轮装配机的结构体系及其 自动控制的实现方案。该方案满足系统的高效性、稳定性和经济性的要求。课题 接下来的工作是要按照此方案完成机械装配平台的搭建，自动送料模块的设计与 实现，8 工位装配圆盘的高精确间歇运动和各个模块有机配合控制的实现等。 第三章系统机械部分设计的实现 第三章系统机械部分设计的实现 3 1 概述 本文所设计的手表分轮自动装配系统为典型的机电一体化产品。产品中的机 械系统包括传动机构、导向支撑机构和执行机构等，其主要功能是完成一系列机 械动作，起到传递机械力、运动、能量和支撑整个系统的作用，这部分是机电一 体化产品中不可缺少的组成部分。 由于机电一体化产品中广泛采用伺服技术和控制技术，每一个机械运动可单 独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，各个子系统之间的 运动协调由控制系统来完成，因此机械系统已经成为整个伺服系统的一部分，其 性能对机电一体化产品有着重要的影响。性能的重要性要求机械系统在机电一体 化系统的设计中的必须满足以下几点基本要求h 1 ： 1 ) 高精度性。 精度直接影响产品质量，机电一体化产品的技术性能、工艺水平和功能比普 通机械产品都有很大的提高，因此机电一体化产品的机械系统的高精度要求是首 要的。如果机械系统的精度不能满足要求，无论机电一体化产品的其他系统工作 再精确，也无法完成预定的机械操作。 2 ) 低惯性化。 快速响应是控制系统的一项重要指标，这就要求作为伺服系统一部分的机械 系统惯性要低，包括重量轻和转动惯量小、低阻尼等要求。 3 ) 高稳定性。 高稳定性要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。此 外，还要求机电一体化系统当中的机械部分具有较大的刚度、良好的可靠性、体 积小、寿命长等特点。 机械系统部分的设计是整个机电一体化系统实现的前提。合理、合适的机械 结构设计，可以使机加工的加工工艺简单化，降低造价成本；使机构的动作实现 有效化，减轻电气控制的复杂程度：更是衡量一个机电一体化系统是否有机化的 准则。因此，机械系统为根本，机械一电气有机结合为方向，该手表分轮自动装 配系统将其机械系统部分的设计分成了以下几个主要模块来实现，依次是：自动 供料模块，整体预定位式自动装夹模块，圆盘分度盘，自动打击装配模块和真空 辛f l 自r 丧讣轮装e 系统自勺 制 自动吸料模块等。下面的章节就将就每个模块的实现做详细的设训| 兑明。 3 2 自动供科模块的实现 装配系统工艺的自动化，很大程度上取决于一个好的供料系统。尽管各种上 料装置是相对独立的，但它仍是整个系统的一部分。因为自动装配，要求有一个 高生产率的条件，各种装配零件从散装状态到待装状态，都必须经过一个处理过 程。即能在正确的位置、准确的时刻，以正确的空间状态从行列中分离出来 移置到装配机的相应工位上。自动供料模块，实现了对装配零件的定向整理和规 则运动，主要包括供料机构、输料装置、擒纵机构等。 32 1 供科机构的确定 供料机构必须具备三个功能，即储料、定向和供料。具备足够的容量，咀维 持额定的进料晕，并使零件以正确的姿势进入装配系统。在本系统中，采用了振 动式料斗，该机构借助于电磁力产生的微小振动。并巧妙地利用振动和摩擦使零 件在惯性力和摩擦力的作用下，一面沿一定路线进行移动，一面进行排列传递 采用这种机构前，应先对所要进行振动送料的零件进行分析包括其定向的 方式，蕈心的分布，导向的难易程度。对于分轮轴零件，外形的对称性使其便于 定向的处理。这旱主要是针对其重心的分布，考虑如何将其有序化。先在p r o - e 骧建模，再利用p r o e 白带的模型质量属性分析工具，可分析 i 对应重心位置， 如图3 1 所示。 台 重平面 图3 1 分轮轴质量属性分析圈 分析的结果是，分轮轴的重心位置位于凸台下平面的06 2 2 m m 处f 如图31b 所示) 。根据这一特性可知：当以分轮轴的凸台f 平面为基准甲面，对轴料进行 振动，容易获得图31c 所示的：l n l 台下平面担舀：输料槽平面上，重心置于输料 槽平面之下的稳定状态。因此，可以设计用担架式输料椭求实现零件的有序化。 i 8 缸= 自系统机艟分设* 的女现 其有序化过程如图3 2 所示 圆盘式振动 料斗 待定向轴料 窄边k 通道 零件定向槽 分轮轴散料 b )0 图3 0 分轮轴理料实现实物图 如图32 a ，分轮轴的散料在圆盘式振动料斗的振动下，从底部沿螺旋轨道移 动，直至振动料斗的出口处。在料斗的出口处有一特殊设计的窄边长通道，只允 许轴料纵向通过( 见图32 b ) 。经过窄边长通道后，是一条担架式的零件定向槽。 当纵向前进的分轮轴料从定向槽上方经过时，由于振动和重一1 1 , 位置的因素，轴零 件实现自动翻转，下端进入输料槽中，上端的凸台就担在了输料槽的两肩上，从 而实现轴料的有序排列。 对于分轮齿轮片，在设计分轮齿轮片的分料过程中，采用了带挡边的斜板输 送轨道，具体的理科输送方式如图33 所示。 分轮齿轮片 斜板输送轨道 图3 3 分轮齿轮片理料实现图 如图3 3 所示由于分轮齿轮片自身的薄片特性，决定了其在振动出科过程 中只有两个状态，齿轮片的正面或者反面朝下。另外齿轮片比较薄，因此在传送 自a 下表* 轮装e 系统的 f 制 过程中容易出现叠料的情况。针对以l 两个特征，设计的带挡边输送轨道具有一 定的斜度，分轮齿轮 在自身重力的作用下会向带挡边的轨道侧移动。