（机械电子工程专业论文）制备管滤纸压圈自动装配系统的设计与研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 制备管过滤器是某公司的一个系列产品，被大量应用于生物医药实验中。制 备管过滤器主要由制备管、滤纸和压圈装配组成，目前对于这一装配过程主要采 用手工进行。采用手工装配不仅劳动强度大，而且出错率高，使制备管过滤器的 装配效率和合格率都处在一个较低水平。随着企业产业结构升级改造的加快，实 现自动化生产加工、建造自动化生产线已经成为了人们关注的焦点。 本文就是在此背景下结合某生物技术公司“制备管滤纸压圈自动填装机”的 设计制造项目，进行制备管滤纸压圈自动装配系统的设计与研究。论文主要研究 内容包括以下几个方面：第一，分析了制备管过滤器手工装配的工艺流程以及制 备管滤纸压圈自动装配系统的主要技术指标，从而确定了设计目标。针对此目标， 设计了两套装配方案，通过装配性能上的对比，选定直线型装配方案。第二，对 选定的直线型装配方案进行了详细说明，其中包括制备管滤纸压圈自动装配系统 的输送装置、滤纸冲裁填装装置、滤纸输送装置、压圈填装装置、分拣卸料装置 以及一些关键部件。通过计算得出相关参数，运用u g 软件对各系统的零件进行 了三维建模与虚拟装配。第三，建立虚拟装配模型后，进一步对滤纸冲裁填装方 案进行了运动仿真分析。为了保证设计的零件能满足强度和刚度上的要求，利用 u g n a s t m 分析软件分别对电机主轴、链轮进行了有限元分析，获得各零部件在 一定载荷作用下的应力和应变情况，保证了设计的可靠性。最后，提出了系统的 整体控制框架，对部分电路进行了详细设计。 关键词：自动装配；冲裁填装；虚拟样机；运动学仿真：有限元法 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i l t e ro fm i i l i p r 印c o l u r 皿f o n l l e db yt l l em i i l i p r 印c o l n n ，矗l t e rp 印e ra i l d dr i n g i sas 甜懿p m d u c to fac o m p 锄y f i l t e ro f m i i l i p r 印c 0 1 w n na r ew i d e l yu s 。di l ls o m e b i o m e d i c m ee x p 耐m 朗t s ，b u tn o wm ea s s 锄b l yp r o c e s si sm a i l l l yc 删e do u tb yh 觚d b e c a 啜eo fla _ b o r _ i n t e r l s i v eb ym a n u a la s s e m b l y 赳1 dl l i g h 锄rr a t e ，i tm a ：k e sm e6 l t e r o fm i 啷r e pc o l u i 】【u l 勰s e i i l b l y se 伍c i e i l c y 孤dr e l a t i v e l yi nl o wp a u s sr a t e w 油t l l e a c c e l 训i o n 缸锄s f o m i n ga n di n d u s t r i a ls 缸u c t u r eu p 伊a d i n go fe n t e r i 证s e s ，t oa 出e v e p r o d u c t i o na n dp r o c 懿s i i l ga u t o m a t i o na n dc o n s m l c t i o na u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i i l eh 硒 b e c o m e l ef o c u so fa t t e m i o n t t l i ss t u d yd e s i 朗e da n dr e s e a r c h e dw i t l lab i o t e c l l i l 0 1 0 9 yc 0 埘l p a i l y t sd e s i g n 觚d m 锄u f a c t u n gp r o j e c to f ”a u t o m a t i c6 l l i n gm a c i h i n eo fi i l i i l i p r 印c o l u i m l ，f i l t e rp 印e r 锄de i l dr i n g ”m 旬o rr e s e a r c h e si n c l u d e dm ef o l l o w i n ga s p e c t s ：1 1 1 l i sp a p e r 趾a l y z e d ma i l _ u a la s s 即曲l yp r o c e s so fm ef i l t e ro fm i i l i p r 印c 0 1 1 1 r n na i l dm em a i nt e 曲m i c a l i n d i c a t o r so fm i n i p f 印c o l u 舳，6 l t e rp 印e ra i l de n dr i n ga u t i d m a t c da s s 锄b l ys y s t e m st o d e t 锄i n em e d e s i g no b j e c t i v e s i td e s i 印e d 似oa s s e i i 】【b l i n gp r o 黟锄sf o rt 1 1 i sd e s i 印i n g g o a l ，a n ds e l e c t e dl i n e a ra s s e i l l b l i n gp r o 彤l i i lb yc o n 缸部ti np e r f - o n n a i l c e 2 t l l i sp a p e r d e s i g n e dt l l e d e t a i l e do fa s s 锄b l yp r o g r a mf o rs e l e c t i n g ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f c o n v e y o r ，6 l t e rp a p e rf i l l e dp u l l c t l i n gd e v i c e ，f i l t e rp 印e rd e l i v e 巧d e v i c e s ，肌dr i n g f i l l e dd e v i c e ，d i s c h a 晒n gd e 访c ea n dm ek e yc o m p o n 肌t s i tu s e du gs o f i = 、) l ，a r et om o d e p a n so f l es y s t e mm o d d i n g 锄dv i r t u a la u s s e i 】曲l y 3 a f t e rm ee s t a b l i s l l i i l e n to fa 讥n l l a l 嬲s 翎曲l ym o d e l ，缸恤c ra l l a l y z e da 1 1 dv e r i 6 e dt 1 1 es i m u l a t i o ne x e r c i s eo nt l l e 6 l t e rp 印e ri i l t ot l l ep u i l c h - 6 l l e dp r o g 舳i no r d e rt oe n s u r e 吐l ed e s i 萨o fp a r t st om e e t t h er e q u i r e m e n t so ns 廿e n 啦a i l ds t i 劬e s s ，t h ef i m t ee l 锄饥ta n a l y s i so fm o t o rs h a r 锄ds p r 0 c k e th a v eb e e nc 枷e do u tb yu g n a s 仃觚a i l a l y s i ss o 胁a r e t h es 眈s s 锄d s 们i no fc 0 m p o n e n t su i l d e rac e n a i n1 0 a dw a u so b t a i n e dt oe i l s u r em er e l i a b i l i t yo ft h e d e s i 印f i n a l l y ，t h es y s t 锄so v e r a l lc o n 仃o l 舭u l l e w o r kw 嬲p r o p o s e d ，a n dad e t a i l e do n t h ep a r to fm ec i r c u i tw a s d e s i g n e d 1 ( e yw o r d s ： a u t o m a t i ca s s e m b l y ；b l a l l k i n ga i l df i l l e d ；n l 】a lp r o t o t y p i n g ； k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ：f i n i t ee l e i i l e n tm e m o d 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 在现代产品制造技术不断发展的今天，社会生产力有了巨大的飞跃，而装配 是机械产品制造的一个不可缺失的重要过程，实现装配工艺的自动化是提高产品 质量、降低成本的决定性因素。但是，由于加工技术超前于装配技术许多年，装 配工艺已经成为现代化生产的薄弱环节，面临着严峻的挑战。装配是一项复杂而 又重复性高的生产过程，人工操作在装配过程中作为一个生产元素的出现，已经 不能同当前的社会经济条件相适应。自动装配技术与柔性装配技术的研究是一项 取代人工操作的系统工程，自动装配技术和柔性装配技术可以取代依赖人工判断 力和技巧所进行的各种重复操作。高质量、高效率、高柔性的智能装配系统的研 究与开发，对适应自动装配的新产品设计途径，以及未来工业发展都有着特殊的 意义【l 】。装配自动化可以提高生产效率、降低成本、保证产品质量，特别是能够减 轻或取代特殊条件下的人工装配劳动【2 1 。自动装配技术的重要性还在于促进产品制 造系统的整体优化，使生产效率得以全面提高，用少量调整工人服务于一定数量 的自动装配设备，在一定程度上提高均衡生产水平。自动装配不会因人工疲劳、 疏忽、情绪、激素不收敛等因素的影响而造成产品质量的缺陷或不稳定。在许多 情况下，装配自动化所占用的生产面积比手工装配完成同样生产任务的工作面积 要小得多。再者，装配工艺自动化还可以改善装配环境、保障生产安全【3 】。从以上 方面考虑发展自动装配有着极其重要的意义。 本课题结合某生物技术公司的自动化升级改造项目进行制备管过滤器自动填 装机的设计与研究，制备管过滤器是该公司的一个系列产品。目前，其滤纸的填 装过程全部是由手工完成。该填装过程不仅劳动强度和难度大，而且还存在以下 问题：人为出错率高；易造成产品质量的不规则波动，不可控；生产效率低；与 现代化生产不相符。为了解放劳动力同时提高产品生产效率和产品质量，满足现 代化高科技产品生产需求，该公司提出将滤纸的填装过程由手工作业升级为由设 备自动作业，设计开发“自动填装机”，实现滤纸填装过程的自动化。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 制备管过滤器在过滤实验中的应用 制备管过滤器的组成如图1 1 所示，包括制备管、滤纸和压圈，其中滤纸和压 圈要装配到制备管管体内。为了满足不同的过滤实验，滤纸可以为一层、两层或 多层，制备管过滤器在生物医药技术实验中得到了广泛的应用。 a a l 3 2 a a 1 割罾譬 2 * 海疆 3 莲罄 图1 1 制备管过滤器组成 1 血基因组d n a 分离实验( 以下实验资料由某生物技术公司网站下载) 血基因组d n a 分离实验通过血基因组d n a 小量试剂盒从2 0 0 5 0 0 “l 的抗凝 全血( 或其他样品) 中获得多至1 2 “g 的基因组d n a 。基因组d n a 直接从全血中 的白细胞中提取，无需去除红细胞。采用独特的细胞裂解和血红素蛋白沉淀技术， 结合d n a 制备膜选择性地吸附d n a 的方法达到纯化基因组d n a 的目的。得到 后的d n a 长度3 0 k b ，适用于各种需要高纯大分子量基因组d n a 的应用，如印 迹杂交分析、p c r 等。血基因组d n a 分离实验流程如图1 2 所示。 2 基因组d n a 分离实验( 以下实验资料由某生物技术公司网站下载) 基因组d n a 分离实验通过基因组d n a 小量试剂盒从动植物组织、培养细胞、 淋巴细胞、酵母、干血、口腔细胞和骨髓等中提取基因组d n a 。采用独特的裂解 和蛋白酶k 消化技术和蛋白质去除液将蛋白、色素、糖类和脂类与基因组d n a 分 开。纯化后的d n a 长度3 0 k b ，适用于各种应用，如p c r 、印迹杂交分析及限制 性分析等。基因组d n a 分离实验流程如图1 3 所示。 上述两个实验中，在结合、洗涤和沈脱等环节都用到了制备管过滤器，过滤 液通过制备管过滤器过滤后得到纯度较高的基因组，可见制备管过滤器在整个实 验中起到了关键作用。在生物医药新技术的实验与研究过程中，需要进行许多类 分1 第l 章绪论 似的重复实验，并且每个实验都会用到多个制备管过滤器，因此，目前来说对制 备管过滤器的需求量是非常大的。 s 一哺a p ， 热翅嘲弘抗凝垒盘 匆 目& 盾静a f l 2 淡淀 结台 洗涤 翱入3 蛐p b s 按谨明巷要采掇入褂妇a 扭入3 埘b 嘲m 籀入5 埘蝻钠 麓入7 埘& i 融妣 掬入7 0 d 埘蝻、 f 2 酉 串鬻 r l 肾嚣喝： 涨 、斛一一一再 潍 图1 2 血基因组d n a 分离实验流程图1 3 细菌基因组d l n a 分离实验流程图 1 3 自动装配生产线的发展及研究现状 自动生产线的发展源于流水线。它不仅要求生产线上各种加工装置能自动的 完成指定的加工过程，保证产品的合格率，而且还要求在工件的定位与夹紧、工 件的装卸、工件在各道工序之间的输送以及加工余料的排出等都能实现自动化。 为了实现这一目标，人们通过各种设备按照生产工艺将机械加工装置组合到一起， 应用自动化控制系统将各部分有机的联系起来，并通过程序编写使其能按照指定 的目标自动工作，这种自动工作的机械装置系统被称为自动生产线【4 】。 自动生产线是多学科知识在工业自动化上的综合应用，它的发展与进步离不 开相关技术的支持，它们之间联系紧密而且相互渗透。因此要研究自动生产线发 展概况就必须与整个支持自动生产线有关技术的发展联系起来。自动生产线的发 展经历了漫长的历史过程，从1 9 6 0 年开始，自动化技术发展迅速，取得了惊人的 进步。二十世纪五十年代出现了集成电路技术，这一时期以后微电子技术得到了 迅速发展，从而引起了一场新的革命。随着集成电路技术的进一步发展，电路集 成度得到了很大提高，特别是在计算机技术上的应用，大大提高了计算机的性能， 可； 嬲埘爱备绅拍潮陀剿 沈阳理工大学硕士学位论文 减小了计算机的体积、重量和功耗，从而降低了成本【5 1 。随着计算机技术日臻完善， 计算机技术逐渐渗透到机械制造相关行业，使其在工业控制上得到了广泛的应用。 原来由机械方式组成的控制部分越来越多的被微电子技术所取代，使自动化生产 线具有了运算、记忆、检测、反馈控制、比较判断及显示等一系列功能，从而使 自动化生产线开始进入了升级换代的新的发展时期。 1 9 7 0 年以后，开始进入到大规模集成电路时代。元器件的集成度高达一千至 一万个，效率与可靠性提高了一万倍，而价格却低一千倍，计算机开始向微型化 发展，一九七二年诞生了微型计算机。处理器、内存单元和接口电路的模块化， 也使微机开始作为商品出现。同一时期，其它相关技术如气动技术、机器人技术 和传感检测技术也得到了飞速发展。这些技术的发展与进步又促进了机械加工技 术的变化，改变了自动生产线的传统设计方法，使自动生产线向着小型化、标准 化、系列化、高强度和高可靠性的方向发展。类似于小型机和微型机基本功能的 可编程序控制器是一种以顺序控制为主，回路调节为辅的工业控制机。不仅可以 完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算等功能，而且可以大规模地控制开 关量和模拟量，克服了小型机用于开关控制系统存在的各种缺点。由于可编程序 控制器具有一系列优点，因而替代了许多传统的顺序控制器，开始广泛应用于自 动生产线的控制。由于微型计算机的出现，机器人技术得到迅速发展，我国研制 的一千多种机械手己应用于工业生产线，使自动生产线技术发展日益成熟。现在 正在研制的第三代智能机器人更是具有运动操作技能，而且还有视觉、听觉、触 觉等感觉的辨别能力和判断、决策能力【6 1 。传感器技术的研制与使用更是完善了自 动生产线的性能，使自动生产线发展为复杂的智能生产系统。除此之外，液压和 气动技术也有了很快发展，在工业自动化高度发达的今天，普通简单的机械化已 完全被自动化所取代，液压和气动部件的使用与应用技术已越来越熟悉，它们的 工作效率与动作的正确性、精确性已完全被认可。在各行业，特别是自动生产线 中得到了迅速发展和广泛地应用。 所有这些支持自动生产线的相关技术的进一步发展，使得自动生产线功能更 加齐全和完善，从而能完成技术性更加复杂的操作和装配工艺要求更高的产品【7 1 。 我国的自动化生产和先进国家相比还存在一定的差距，因此迅速增加自动生产线 的数量和提高自动生产线的精度等级将成为我们今后奋斗的目标。 第l 章绪论 1 4 虚拟样机技术及有限元分析方法在结构设计上的应用 目前，虚拟样机技术在日本、美国以及欧洲等一些较发达国家和地区已得到 广泛的应用，其应用领域涉及汽车制造、航空航天、通用机械、工程机械、造船 业、国防工业、生物力学、人机工程学以及医学等很多方面。由于虚拟样机技术 全新的设计方法和理念，使其具备了以下的特点【8 】： ( 1 ) 先进的研发模式。它基于并行工程使产品在概念设计阶段就可以迅速地 分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产 品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优的工作性能【9 】。 ( 2 ) 低成本、短周期。利用计算机建立产品的数字化模型，无需制造及试验 物理样机就可完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而获得最优方案。不 但可以减少制造物理样机的高昂成本，而且缩短了研发周期。 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段。动态联盟是为了适应快速变化的全球市场， 克服单个企业资源的局限性，而出现的通过1 1 1 t e n l e t 临时缔结的一种虚拟组织【1 0 】。 为实现并行设计和制造，参盟企业可以用虚拟样机技术来表达各自的产品信息， 并利用网络来实现彼此之间的产品信息交流，进而使动态联盟的活动具有高度并 行性。 虚拟样机技术并不是一门独立的技术，它的实现还需其他技术的支撑和辅助。 虚拟样机技术的相关技术简要介绍如下【1 1 ，1 2 】： ( 1 ) 几何建模c a d 技术：几何形体的计算机辅助设计( c o i n p u t e r a i d e dd e s i 盟) 软件和技术。用于机械系统的几何建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。 ( 2 ) 结构分析f e a 技术：有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 软件和技术。 利用机械系统的运动学和动力学分析结果，确定进行机械系统f e a 所需的外力和 边界条件；利用f e a 对构件的静力学和动力学特性进行进一步的分析计算。 ( 3 ) 优化技术：优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统 的优化设计和分析，是一个非常重要的应用领域。通过优化分析，确定最佳设计 结构和参数值，可以使机械系统获得最佳的综合性能。 ( 4 ) 控制技术：控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机技术运用传统的 和现代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析，或应用其他专用的控制系统 分析软件进行机械系统和控制系统的联合分析。 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 试验技术：用试验装置的试验结果进行某些构件的建模。试验结果经过 线性化处理输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 ( 6 ) 软件编程技术：虚拟样机软件运用开放式的软件编程技术来模拟各种力 和动力，以适应各种机械系统的要求【1 3 1 。 按传统的设计方法，一般先对机械系统进行概念设计，而后绘制图纸，依据 图纸生产物理样机，然后对物理样机进行试验，发现问题后改进图纸，再生产第 二台物理样机，一直至满意为止。传统设计流程如图1 4 所示。 图1 4 传统设计方法设计流程图1 5 机械系统虚拟样机设计流程 传统的设计方法存在很多缺陷，有些危险性比较大的情况如飞行安全试验， 撞车试验等很难用物理样机做试验，而且生产物理样机成本较高，也比较费力、 费时。另外，由于在设计计算中采用传统的计算方式，计算精度低、速度慢，很 难进行多种方案对比。同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，采用虚拟样 机技术设计可以有效改善这些情况。虚拟样机设计并非不需要生产物理样机，而 是在生产物理样机之前，利用计算机建立机械系统的实体模型( 即虚拟样机) ，再 对这个模型进行动力学、静力学和运动学分析，即仿真该机械系统的运动过程， 预测机械系统的整体性能，然后进行分析比较并改进系统设计方案，提高产品性 能，最大限度地减少对物理样机的试验次数【1 4 】。机械系统的虚拟样机设计流程如 图1 5 所示。 采用虚拟样机技术不但可以缩短设计周期、降低经费成本，而且使设计者从 劳累、低效的传统设计工作中解脱出来，投入更多精力到产品优化上，从而提高 设计效率和质量。虚拟样机技术还包括有限元分析技术，有限元分析计算技术在 产品设计中起到了为设计“把关定向”的作用，由于在产品结构设计中应用了有 第l 章绪论 限元分析和优化设计技术，使设计出的结构更趋合理，工艺、工装更为简化，节 省了大量的时间以及人力、物力和财力，同时大大提高了产品设计的可靠性【l 5 1 。 有限元分析是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种用于各种机构分 析的现代数值分析方法。有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求 解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。随后迅速推广到 造船、建筑、汽车等各种工程技术领域，并从固体力学领域拓展到流体、振动、 电磁场等各学科【l6 1 。 制备管滤纸压圈自动装配线的设计主要有以下要求：第一，各个关键部分能 准确的完成指定工作，即自动上料装置能将物料准确的送入物料传送装置；滤纸 冲裁填装装置能完成滤纸的裁切并将裁切后的滤纸送入制备管；压圈填装装置将 压圈送进并压紧。第二，在各部分准确完成指定功能情况下，按照预定的生产节 拍，能够准确完成时间与位置上的配合动作；第三，在整个装配系统运行过程中， 出现最大应力时，确保承受载荷零件的安全，保证其有足够的强度和刚度。 在对“制备管滤纸压圈自动填装机”整体结构分析及对其主要零部件进行结 构设计及计算中，通常应用结构力学、材料力学及弹性力学的知识来分析构件在 承受给定外载荷的情况下构件内部所产生的应力及变形，以确定构件在承载时是 否有足够的强度及刚度储备。但是由于制各管滤纸压圈填装机整体及其主要零部 件受到较复杂的外载荷及约束，在进行力学分析时，需要对实际情况作许多假设， 弹性力学的分析虽然比材料力学实际些，但困难在于不容易找到既满足基本方程 又符合边界条件的位移函数或应力函数，从而无法得到精确的函数解。有限元法 正是一种对弹性力学问题提供切实易行的近似解的重要方法【1 7 】。有限元方法可以 很好的解决复杂的弹性变形而又存在应力与应力之间的物理非线性和位移与应变 之间的几何非线性的直接求解的问题，并且可以提供比较精确的数字解，它可以 模拟金属塑性成型过程以取代某些昂贵的试验，也可以为金属成型工件、模具设 计提供可靠的理论依据【1 8 】。本文将利用有限元分析方法对制备管过滤器自动装配 系统中的主要受力部件一电机主轴和链轮进行有限元分析，从而得到应变和应力 值，并通过应变和应力值进行分析和校核。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 5 课题背景及主要研究内容 1 5 1 课题背景 制备管过滤器在生物医药实验中被大量使用，但是目前对于制备管过滤器的 装配还是采用手工进行。手工装配过程中，首先要将滤纸裁切成圆形小纸片，通 过圆柱棒将滤纸填装进制备管管体中，最后将压圈填装进制备管。由于制备管及 其相关配件尺寸较小，装配难度较大。采用手工装配，对于一个熟练工人来说平 均需要2 0 秒钟时间，在这种高重复度及高强度的劳动情况下，工人的情绪难免会 受到影响，从而使制备管过滤器的装配效率和合格率都比较低。随着企业产业结 构升级改造的加快，实现自动化生产加工、建造自动化生产线已经成为了人们关 注的焦点。本文结合某生物技术公司“制备管滤纸压圈自动填装机”的设计制造 项目，在研究了制备管外形尺寸及滤纸特性的基础上，进行了制备管滤纸压圈自 动装配系统的设计与研究工作，并从解放劳动力及提高效率的角度入手，采用嵌 入式系统实现对生产过程的自动化控制。 1 5 2 论文主要研究内容 本文通过分析制备管过滤器的装配过程，首先制定了制备管滤纸压圈自动装 配系统的总体方案，包括生产线的机械结构和控制系统两大部分的设计，其中对 机械结构部分进行了详细分析与设计，主要内容包括： 第l 章阐述了自动装配生产线的优点，结合某生物技术公司的实际情况分析 了制备管滤纸压圈自动装配的可行性与实用性，介绍了制备管过滤器的使用情况。 同时，介绍了虚拟样机技术和有限元分析在现代机械设计中的应用。 第2 章分析了制备管过滤器自动装配系统的主要技术指标，从而确定了制备 管滤纸压圈自动装配系统的设计方案。针对此设计目标，本文设计了两套装配方 案，通过性能上的对比，并最终选定直线型装配方案。 第3 章对第2 章中选定的直线型装配方案进行了详细设计，包括对制各管滤 纸压圈自动装配系统的输送装置、滤纸冲裁填装装置、滤纸输送装置、压圈填装 装置、分拣卸料装置及其它关键部件进行了详细的设计，并对各系统的零件进行 了三维建模与虚拟装配。 第4 章运用u g 软件对滤纸冲裁填装装置进行了运动仿真，通过仿真结果对 第l 章绪论 装配方案进行分析；并运用u g 软件的高级仿真模块对电机主轴、链轮进行了有 限元分析，通过结果分析了电机主轴和链轮的强度和刚度。 第5 章提出了系统的整体控制框架，并对部分电路进行了设计。 第6 章归纳了本文的主要研究成果，回顾并总结了全文的主要研究内容，并 对今后的研究工作作了展望。 1 5 3 论文的总体结构 本文的总体结构如图1 5 所示。 第l 章绪论 之乡 第2 章制备管滤纸压圈自动装配系统总体设计 之岁之乡 第璋关键机械装备设计 之乡 第5 章控制系统设计 第4 章关键零件的运动分析 及有限元分析 七岁 多 第6 章总结与展望 图1 5 论文的总体结构 1 6 本章小结 本章阐述了自动装配生产线的优点，结合某生物技术公司的实际情况分析了 制备管滤纸压圈自动装配的可行性与实用性；介绍了制备管过滤器的使用情况； 同时，介绍了虚拟样机技术和有限元分析在现代机械设计中的应用；最后，提出 了论文的主要研究内容，给出了论文的总体结构。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章制备管滤纸压圈自动装配系统总体设计 2 1 引言 自动生产线是建立在机械技术、计算机技术、传感技术、驱动技术、接口技 术等基础上的一门综合技术。它是从系统工程观点出发，应用这些综合技术，根 据生产的不同需要，对它们进行有机的组织与综合，从而使整个生产过程处于最 佳工作状态。因此，自动生产线虽然源于流水生产线，与流水生产线有相似之处， 但其性能已经远远超过流水生产线，并有许多明显的不同。最主要的特点是自动 生产线具有统一的自动控制系统，有较高的自动化程度，还具有比流水生产线更 为严格的生产节奏，工件必需以一定的生产节拍经过各个工位完成预定的加工。 由于生产的产品不同，所以各种类型的自动生产线的大小不一，结构有别，功能 各异。但仍可把它分为五个部分：机械本体、检测、信息处理、执行机构和接口 部分【7 l9 1 ，它们之间的关系如图2 1 所示。 接口 工 信息 处理 工 接口 控制信号 检测信号 执行机构 而 i 壅苎 机械本体 传感嚣 图2 1 自动生产线各部分联系图 2 2 制备管滤纸压圈自动装配系统总体要求 2 2 1 主要技术指标 设计出的“制备管滤纸压圈自动填装机”，按每天8 小时工作制计算，该设备 日生产能力将达到1 0 0 0 0 支以上，产品合格率达到9 5 以上，其主要技术指标有： ( 1 ) 设计方法：从缩短产品的研发周期、降低产品研发成本的角度出发，本 系统方案前期以虚拟样机技术为基础进行软件设计与仿真，然后进行物理样机的 制造与调试，最后定型生产： 第2 章制备管滤纸压圈自动装配系统总体设计 ( 2 ) 外形尺寸：c 咱动填装机”在设计时应结构简单紧凑，以尽量减少设备的使 用场地，同时提高生产效率。 ( 3 ) 设备机体材料：设备主体采用表面光洁度较高的铝合金型材和金属( 表 面喷塑) 组合装配部分材料采用不锈钢； ( 4 ) 电控部分：c p u 选用单片机，步进电机的控制采用细分驱动方式，可选 用m d 2 2 7 8 型步进电机驱动器，该驱动器对步进电机的控制精准、可靠，其它执 行元件根据需求合理选用。 ( 5 ) 气动部分：气源部分选择风冷无油膜片式空气压缩机，压缩空气经过多 道精密过滤后进入设备内部，气缸选择型号为q g b ( s c ) 4 0 5 0 s f a 标准气缸， 其它气动元件选用高可靠性部件及气路管件。 ( 6 ) 检测部分：制备管整理、滤纸填装、压圈紧固、产品合格检测等过程中 采用光电、位移等高精度传感器检测、判断设备动作过程是否正常，产品成品是 否合格，检测信号进入c p u 经判断处理后，由执行器件执行需求动作，形成闭环 控制系统。 2 2 2 装配工艺要求及参数 滤纸经裁切后为无损坏、无毛边的圆形纸片；压圈与滤纸接触紧密，并将滤 纸充分压紧，不能损坏压圈、不能使其变形，装配后不能出现松动脱离。另外， 此制备管过滤器可同时填装多层滤纸，以满足不同的过滤实验的要求。参照手工 装配过程，制备管过滤器采用流水线装配方式，与手工工艺不同，自动装配可实 现多工位同时装配，并且每一个工位可对多个制备管进行同时装配。 2 3 制备管滤纸压圈自动装配传送系统方案设计 圆形滤纸 裂茔翥景卜塾鱼挝+ 三五五五亘三 i - 1 至垂至三三量丑广 匦 i 装 l 填 篇严上料机l 压圈 填装 图2 2 制备管过滤器装配工艺 沈阳理工大学硕士学位论文 制备管过滤器所包含的配件有制备管、滤纸( 一层或多层) 及压圈。由于零 件数目较少，所以装配过程相对比较简单，制备管过滤器组成如图1 1 所示。值得 注意的一点是滤纸为长条纸料，在滤纸填装之前需要对滤纸进行裁切，裁切后再 填装进制备管管体内。 制备管过滤器自动化装配线能够实现其装配过程的机械化、自动化，根据制 备管过滤器的组成确定其装配过程，具体如图2 2 所示。在自动生产线中，输送装 置是自动生产线不可缺少的部分，它将生产单机、生产工序、生产工位有机地连 接起来，避免了人力搬运过程中占时、占地和工件磨损，达到了省时、省力、保 证产品质量的目的，并使生产率大大提高【2 0 1 。 按输送物料的种类来分，输送装置可分为：输送散装物料的输送机构及输送 成件物料的输送装置；按其驱动动力来源来分，可分为：无驱动机械传动输送和 有驱动机械传动输送。无驱动输送是指借助于人的推力或自重而实现的输送，只 适用于较轻物品在水平方向或倾斜向下及微倾斜向上方向的输送，其结构简单， 安装方便，工作可靠，在实际生产中应用较广泛【2 l 】。本课题过滤器中的制备管、 滤纸及压圈都是较轻物料，根据分析并参考自动生产线输送方式进行如下设计。 2 3 1 回转式步进输送 回转式步进输送，即物料( 或工件) 在旋转工作台的带动下沿圆周方向由一 个位置准确而有节奏地输送到下一个位置，旋转工作台台面可以多工位同时作业 以尽量减少设备的使用场地，同时提高生产效率。这种输送方式大多是借助于机 械传动中的间歇机构( 沿圆周方向) 或气缸、油缸、步进电机以及往复运动机构 配合离合器来实现的【2 2 】。 以回转式步进输送为基础，围绕圆周旋转工作台设计了制备管回转式输送装 配方案，其方案组成如图2 3 所示。方案采用p c 控制旋转工作台圆周方向步进输 送，这种步进输送是在连续输送基础上，通过p c 机控制电机而实现的。本方案共 分为五个工位，以制备管自动上料装置5 为第一工位，在此工位制备管被装在上 料斗中，通过电磁铁的吸合与断开产生振动使制备管沿螺旋料道上升，由出口进 入流料道4 ，制备管靠自身重力在倾斜角为c 【的流料道中向下滑动，经过隔料装置 6 后，制备管被单个送入旋转工作台7 的载物台中，制备管被置于工作台后，输送 第2 章制备管滤纸压圈自动装配系统总体设计 电机1 4 旋转时间f 。，被置于工作台上的制备管便随着工作台转动一个角度丫，工 作台到达第二个工位，在第二工位停止时间f ，停止期间，滤纸冲裁填装装置3 将滤纸冲裁并填装进制备管内。工作台继续运行，将制备管带到第三工位并停止 时间厶，在此期间，压圈被填装并压紧。在第四工位对装配好的过滤器进行检测， 当检测到过滤器不合格时，下方电磁铁向上弹起，将不合格的过滤器弹出，由分 拣料槽8 落入分拣储料箱9 中，如果检测到产品各方面都符合要求则工作台转动 角度o ，过滤器在第五工位被弹出，经分拣料道8 落入分拣储料箱中，上述过程 在制备管过滤器的装配过程中同时进行。因此，每一个制备管过滤器的装配时间 f = f l + f 2 o 1 压圈自动上料装置2 压圈输送料道3 滤纸冲裁装置4 制备管输送料道 5 制备管自动上料装置6 制备管隔料装置7 旋转工作台8 分拣料槽 9 分拣储料箱10 压圈隔料装置l1 上料装置底座12 冲裁装置 1 3 滤纸输送装置1 4 旋转1 ：作台驱动装置1 5 自动上料装置控制面板 图2 3 同转式制备管装配原理图 5 沈阳理工大学硕士学位论文 2 3 2 直线式步进输送 自动生产线中常用的输送形式还有直线式间断输送，与回转式输送不同，这 种输送方式是借助于控制系统和传动系统，将物料或工件沿直线方向以一定的时 间间隔和移动距离从一个位置准确地移动到下一个位置，这种输送形式也被广泛 地应用于自动生产线中，如电容器、电阻器的引线焊接生产线、电路板的插件生 产线等均采用了这种输送形式【2 3 】。 按照直线间断输送形式对制备管过滤器自动装配线的输送装置进行了方案设 计，其系统组成如图2 4 所示，此方案中，每个工位可同时装配多个制备管，这里 设计以5 个制备管为一个装配单元，即5 个制备管过滤器同时进行装配。系统在 臌购帼蛐 斟 爹 茎 薹 奢o ： 、 | h：l l 舅_ l 网譬醺网一 皆 7 np 八 ， 1 l i i | t 1 矗z 、嚼墨ly ： f r 愿j ， 划l j 芒蟹，一。翻 碰 香日醋一一 固 ，、沁 ， 飞 蛰k t 膏= 】 一蠡一雕鞠一 l 9 l 8 盈萎概 1 一l o 瑚厶岛 。鼹b 园 fn 岫l l 嗍 i ：l翠碍器 ，7 两习舟i 一 i 墨搦 、 ： 落八弋一黉 l 尹 1 4 1 冲裁装置支座2 压圈填装气缸3 滤纸冲裁填装气缸4 滤纸进给装置 5 步进电机6 筛0 备管隔料气缸7 压圈分料气缸8 t 作台9 分拣装置料道 1 0 旋转电磁铁1 1 分拣卸料电磁铁1 2 制备管随行 具1 3 工艺托板 1 4 。制备管流料道1 5 压圈流料道1 6 输送电机 图2 4 直线式制备管装配原理图 1 4 第2 章制备管滤纸压圈自动装配系统总体设计 开始工作时，传送链首先停止时间f ，当制备管由自动上料机进入流料道1 4 后， 5 个制备管经隔料装置被同时并行的送入五个制备管随行卡具1 2 中；制备管落入 随行卡具后，传送链将工艺托板向前输送一段距离s ( 此期间传送电机运行时间 ) 后停止，制备管由随行卡具携带被运送到第二工位，在此工位，滤纸由进给装置4 送进，冲裁填装气缸3 带动冲头将滤纸冲裁并填装进制备管管体内；停止时间岛后， 传送链继续运行，在工位三停留并由压圈填装气缸带动冲头将压圈填装并压紧， 如此继续工作，完成制备管过滤器装配，在通过传感器检测后经分拣卸料电磁铁 1 1 卸料，过滤器落入分拣装置料道9 中，通过旋转电磁铁的动作使装配完的制备 管分别落入不同的储料箱内，每个装配单元的装配时间f - + f ，。 直线式输送方案同样采用p c 控制式步进输送。采用p c 控制式的输送形式， 可以简化设备机械结构，同时也更容易进行电气控制。传送链的运转时间和停 止时间厶完全由p c 机自动控制，传送距离由工件大小和工人操作所需空间决定， 并通过步进电机的转速、输送链轮的直径和电机转动时间三个参数来协调保证。 p c 步进输送自动化程度很高，输送位置准确，在自动化生产线中得到广泛应用。 2 3 3 方案对比 回转式步进输送方案中，每个工位加工一个零件，循环工作，设最长装配时 间为3 s ( 包括工作台转动和停留时间) ，即每3 s 可装配一个制备管，则每小时可 装配1 2 0 0 个制备管过滤器，按每天8 小时工作制计算，每天可以装配9 6 0 0 个制 备管，合格率按9 5 计算，则每天装配的合格制备管过滤器个数m 为： 朋- - 9 6 0 0 9 5 = 9l2 0 ( 2 - 1 ) 直线式步进输送，每个工位可以对多个零件进行同时装配，同样也是循环工 作，设最长装配时间为3 s ，每个工位装配5 个制备管，则每小时可装配6 0 0 0 个制 备管过滤器，该装配方式为圆周输送装配方式的5 倍，则每天生产的合格制备管 过滤器个数m 为： m - 9 1 2 0 5 = 4 5 6 0 0 ( 2 2 ) 从上述对比中，直线式装配的效率要明显高于回转式装配，一条直线式装配 线相当于五条回转式装配线的装配能力总和，而且制备管过滤器的直线式装配线 1s 一 沈阳理工大学硕士学位论文 的占地面积小、工作精度高。考虑到市场对制备管过滤器的需求量以及建立自动 生产线的必要性，直线式步迸输送的装配方案比较适合，在下一章中将对此方案 进行详细设计。 2 4 本章小结 本章具体分析了制备管过滤器自动装配系统的主要技术指标，从而确定了制 备管滤纸压圈自动装配系统的设计方案，针对此设计目标，设计了两套装配系统 方案，考虑到直线式装配线的优点，并考虑到市场对制备管过滤器的需求量以及 建立自动自动生产线的必要性，选定直线式步进输送作为制备管滤纸压圈自动装 配的系统方案。 第3 章关键机械设备设计 第3 章关键机械设备设计 3 1 引言 制备管过滤器手工装配过程中存在着劳动强度大，重复程度高以及人为出错 率高等问题，为了解放劳动力同时提高产品生产效率和产品质量，满足现代高科 技产品生产需求，急需开发出制备管过滤器自动装配生产线以实现制备管过滤器 装配过程的机械化和自动化。根据制备管过滤器的组成及装配过程，将制备管过 滤器装配线分为六个部分，分别为自动上料系统、制备管输送系统、滤纸冲裁填 装系统、滤纸输送系统、压圈填装系统及分拣卸料系统。本章对制备管输送、滤 纸冲裁填装、压圈填装、滤纸输送系和分拣卸料这五个部分进行具体设计，通过 u g 软件对各部分零件进行三维建模，并对建立的零件模型进行虚拟装配。 3 2 电磁振动上料机的工作原理及介绍 电磁振动上料机一般由料斗、弹簧、铁芯、衔铁等配套组成。其工作目的是 通过振动将无序工件自动有序地定向排列整齐，准确地输送到下道工序【2 4 1 。电磁 振动上料器被广泛应用于五金、电子、医药、食品等各个行业，是解决工业自动 化设备供料的必须设备【2 5 】。 圆周式电磁振动上料机是电磁振动上料机的一种，在其圆周料斗下面安装有 脉冲电磁铁，可以使料斗在垂直方向上下振动，同时由于弹簧片的倾斜安装，使料斗 绕其垂直中心轴做扭摆振动【2 6 】。料斗内的零件受到振动力，而沿螺旋轨道上升，直 到工件被送到下道工序。在对其进行原理分析时可以把螺旋料道简化成斜面，从 而抽象出如图3 1 所示的力学模型进行受力分析【2 1 7 1 。 当电磁铁吸合，料槽随着衔铁一起被牵引，以加速度口向右下方下降，同时工 件受到一个与口方向相反的惯性力一聊口的作用( 图中万为料槽法线方向与弹簧弯 曲中心之间的夹角，口为料槽的倾斜角度) ，这个惯性力的两个分量，一个是与料 槽垂直向上的分力，它使工件与料槽之间的正压力减少，从而减少了摩擦阻力。 另一个分力是与料槽平行向左的r 分量，当它足够大，以致超过摩擦阻力时，工 件便沿着料槽向左移动一小段距离【2 引。当电磁铁脱离吸合后，在弹簧力的作用下 沈阳理工大学硕士学位论文 向左上方升移，这时工件所受的惯性力的分量作用恰好与上述的情况相反，一方 面惯性力的一个分量垂直于料槽向下，增加了工件与料槽的正压力，也就增加了 摩擦阻力。另一方面惯性力的另一个分量与料槽平行，但这个分力克服不了摩擦 阻力，使工件不能移动只能随着料槽一起振动【2 9 】，其运动情况如图1 b 所示。 ( a )( b ) 图3 1 振动送料装置上料原理图 3 3 装配线输送系统设计 在自动生产线中，大多数的输送是以电机为动力的机械传动输送【3 0 1 ，如 图3 2 所示。 图3 2 机械输送装置 按输送物料的方式又可分为连续输送和间断输送两种，这两种输送方式 在生产线上应用最广。本小节结合制备管过滤器自动装配的具体过程设计研 第3 章关键机械设备设计 究直线式间断输送装置。在制备管过滤器中制备管为主要部件，而滤纸和压 圈仅为相应的配件。因