（机械电子工程专业论文）微型开关自动装配生产线的研制.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密。 学位论文作者签名：誊于 日期：l o 年弓月侈日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：七一触东 日期：了妒f p 年了月fr 日 微型开关自动装配生产线的研制 t h er e a s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa na u t o m a t i c a s s e m b l yl i n e f o rm i c r o s w i t c h 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 在微型开关的自动装配领域，由于微型开关自身价值低、投入产出比较小，导致市场 上缺少此类开关的自动装配设备。目前，微型开关的装配基本依靠工人的手工完成，生产 效率低、劳动强度大而且质量难以控制。本课题在对企业生产过程调研并深入分解微型开 关的装配过程的基础上，根据各零件的外形尺寸特点以及零件间的相互装配关系，分析了 微型零件的装配策略，自主设计研制了一条微型开关自动装配线，并已经取得了初步成果。 整条自动装配生产线主要包括零件的自动排序输送系统，自动装配系统以及控制系 统，本论文的主要工作与研究成果概括为如下几个方面： 针对各零件的装配要求，根据零件各自的重心、形状等差异，利用缺口、定向挡条等 定向装置，合理确定参数，分别设计了各自的定向换向排序机构，实现了对不规则或欠规 则零件的分选排列输送。再借助运动学与动力学的理论，对自动排序输送过程中的零件受 力状况和振动供料装置进行理论分析，并从中得出一些影响零件自动分选排序效率的性能 指标。设计加工的零件分选排列设备样机已经在企业中调试成功。 根据装配的工艺流程，整个装配生产线采用封闭环形的装配方式，设计了按钮的装配、 五金脚的安插铆合、底板的安装等装配机构，针对不规则或欠规则的小零件以及薄片设计 了专门的输送方式与安装夹具，各装配单元相对独立工作，实现了对各零部件在装配过程 中进行精确定位，自动准确安装，并有效的提高装配效率。设计研制出的自动装配系统已 经初步加工安装完成，部分关键技术已经申请国家发明专利与使用新型专利并受理。 通过比较几种当前广泛应用的控制方法，确定采用p l c 作为本系统的控制器。并根据 设计的要求，选用三菱的f x l n - 4 0 m t 0 0 1 型p l c ，再按照装配的工艺流程确定控制流程， 利用p l c 编程软件绘制控制梯形图，p l c 通过接收传感器的信号对气缸、电机等执行元件 进行合理的顺序控制，从而完成装配生产线的输送、安插、铆合、上下料等功能。再根据 对样机进行调试过程中遇到的一些故障模式进行针对的故障分析与解决。 本文设计研制的微型开关自动装配生产线实现了零件的分选、输送、装夹、装配的自 动化。 关键词：微型开关；自动定向；机构设计；自动装配 浙江理丁大学硕士学位论文 t h er e a s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fa na u t o m a t i ca s s e m b l y l i n ef o rm i c r o s w i t c h a b s t r a c t m i c r o 。s w i t c h sl o wv a l u e ，s m a l li n p u t - o u tr a t i o ，l e dt ol a c ko fa u t o m a t i ca s s e m b l y e q u i p m e n ti nt h em i c r o s w i t c ha u t o a s s e m b l ya r e a s a tp r e s e n t , t h em i c r o s w i t c hm a i n l y a s s e m b l e db yh a n d s ，c a u s e dt h el o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，l a b o r - i n t e n s i v ea n dd i f f i c u l tt oc o n t r o l t h eq u a l i t y a f t e rd o i n gt h ei n v e s t i g a t i o na n dd e c o m p o s e dt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h em i c r o a u t o m a t i ca s s e m b l yl i n ew a sd e s i g n e d ，w h i c hh a do b t a i n e ds o m ea c h i v e m e n t s i tw a sb a s e do n t h ed i m e n s i o n so ft h ev a r i o u sp a r t sa n di t si n t e r - r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p o n e n t s ，a n a l y s i st h e s t r a t e g yo fm i c r o p a r t sa s s e m b l y t h ea u t o m a t i ca s s e m b l yl i n e ，i n c l u d e dp a r t so f t h ea u t o m a t i cs o r t i n g c o n v e y o rs y s t e m s ， a u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m sa n dc o n t r o ls y s t e m s ，t h em a i na s s i g n m e n ta n da c h i v e m e n t so b t a i n e d a r ea sf o l l o w s ： b a s e do nt h er e q u i r e m e n to f t h ea s s e m b l yo f v a r i o u sp a r t s ，d i f f r e n ta u t o m a t i co r i e n t a t i o n d e v i c e sw e r ed e s i g n e di na c c o r d a n c et ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ek i n d so fe l e m e n t s b yt h et h e o r yo fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，t h ef o r c eo fp a r t si nt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n p r o c e s so fs o r t i n gw a sa n a l y s i s e d ，f r o mw h i c hs o m ep e r f o r m a n c ei n d e x e st h a tm a yi m p a c to nt h e e f f i c i e n c yo fa u t o m a t i co r i e n t a t i o nw a sd r a w n t h ep r o t o t y p eh a ss u c c e e d e di nd e b u g g i n gi nt h e a c c o r d i n gt ot h ea s s e m b l yt e c h n i c a lp r o c e s s ，c l o s e dl o o pm o d ew a su s e di nt h ea s s e m b l y l i n e ，s o m ea s s e m b l ym e c h a n i s mw e r ed e s i g n e d ，s u c ha sb u t t o na s s e m b l y , h a r d w a r er i v e t i n gf o o t p l a c e m e n t , f l o o ri n s t a l l a t i o n a sw e l la ss p e c i a lt r a n s p o r t a t i o nw a y sa n dc l a m p i n gd e v i c e d e s i g n e df o ri r r e g u l a ro rs m a l le l e m e n t s ，t h ea s s e m b l yu n i tw a sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n ta n d r e a l i z e dt h ea c c u r a t ep o s i t i o n i n ga n da u t o m a t i ci n s t a l l a t i o no fv a r i o u s c o m p o n e n t s ，w h i c h e f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fa s s e m b l y t h ea u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m sh a v eb e e n i n i t i a l l yi n s t a l l e d ，a n do n ek e yt e c h n o l o g yh a sb e e na c c e p t e df o rn a t i o n a li n v e n t i o np a t e n t c o m p a r i n gw i t hs e v e r a lc o n t r o lm e t h o d sw i d e l yu s e d ，a n dc o n s i d e r i n gd e s i g nr e q u i r e m e n t s ， f x l n - 4 0 m t - 0 0 1o f p l cw a ss e l e c t e d ，c o n t r o lp r o c e d u r e si na c c o r d a n c ew i t ha s s e m b l y 浙江理- t 大学硕士学位论文 t e c h n i c a lp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d ，p l cr e c e i v e ds i g r l a lf r o mt h es e n s o ra n dr e a s o n a b l yc o n t r o l t h ec y l i n d e r a n dt h em o t o r , f o r c et h e mt oc o m p l e t et h et m n s p o t a t i o n , r i v e t ，l o a d i n ga n du n l o a d i n g m a t e r i a l sa n do t h e rf u n c t i o n s t h em i c r o - s w i t c ha u t o - - a s s e m b l yp r o d u c t i o nl i n ed e s i g n e di nt h i sp a p e ra c h i e v e da u t o m a t i c o r i e n t a t i o no fp a r t s ，t r a n s m i s s i o n , a u t o m a t i cf i x t u r i n g ，a u t o m a t i ca s s e m b l y k e y w o r d s ：m i c r o s w i t c h ；a u t o m a t i co r i e n t a t i o n ；m e c h a n i c a ld e s i g n ；a u t o m a t i c a s s e m b l y i 浙江理工火学硕：b 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及研究意义1 1 2 目前国内外研究现状及分析2 1 2 1 国内外小型零件自动装配技术的研究现状2 1 2 2 国内微型开关自动装配技术的研究现状3 1 3 本论文的主要研究内容6 第二章零件自动排序输送装置的设计8 2 1 电磁振动给料系统的组成及工作原理8 2 1 1 电磁振动给料系统的组成8 2 1 2 电磁振动给料系统的工作原理8 2 2 定向方法8 2 3 零件自动排序分选装置的设计9 2 3 1 整体结构设计。9 2 3 2 按钮的自动排序分选机构设计1 1 2 3 3 弹簧的供料装置设计1 2 2 3 4 底板供料装置设计l3 2 3 5 五金脚的供料装置设计1 4 2 3 6 基座的供料装置设计l5 2 4 零件自动排序分选的运动学分析与动力学分析1 6 2 4 1 运动学分析1 6 2 4 2 动力学模型分析2 1 2 5 自动排序输送装置样机实物图2 3 2 6 本章小结2 3 第三章生产线自动装配系统的机构设计2 4 3 1 总体方案的设计2 4 3 2 按钮装配机构的设计2 5 3 2 1 按钮装配系统的总体方案设计一2 6 i v 浙江理工火学硕士学位论文 3 2 2 按钮安装原理与结构设计2 7 3 2 3 弹簧获取装置及转移结构原理与设计2 8 3 2 4 辅助块结构设计3 0 3 3 五金脚安装机构的设计3 0 3 3 1 总体方案设计3 1 3 3 2 机械手爪的设计3 1 3 3 3 具体型号的确定3 2 3 3 4 铆合机构的设计3 2 3 4 底板安装机构设计3 3 3 5 基座的输送方式3 4 3 6 基座的料盒设计3 5 3 7 装配系统样机实物图一3 6 3 8 本章小结3 6 第四章自动装配生产线控制系统的设计3 7 4 1 控制器的确定一3 7 4 1 1 控制方案的确定3 7 4 1 2 可编程控制器3 8 4 1 3 可编程控制器的确定3 8 4 2 本课题控制系统的设计3 9 4 2 1 控制系统的功能分析3 9 4 2 2 p l c 输入输出口的分配3 9 4 2 3 按钮安装控制模块4 0 4 2 4 五金脚安插铆合控制模块4 l 4 2 5 底板安装控制模块4 2 4 2 6 步进电机的控制4 3 4 2 7 对气缸气爪的控制4 5 4 3 样机调试4 5 4 4 本章小结4 6 第五章总结与展望4 7 参考文献4 8 v 浙江理工大学硕士学位论文 致谢。5 2 攻读学位期间的研究成果5 2 v i 浙江理工大学硕j 二学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及研究意义 微型开关具有安全认证、标准成熟、无铅化、符合r o l l s 指令的特点，主要用于电路的 通断，是普遍应用的机电元件系列产品。 我国是微型开关的消费大国，目前己广泛应用于医疗电子产品、家用电器、自动化控 制系统、检测测量设备、汽车交通运输等领域，成为先进制造业中的一个亮点，并得到了 长足的发展，目前它依然是接插元件中主要产品之一。 随着我国电子制造业的发展，微型开关的需求量一直呈上升趋势，市场前景看好。按 钮开关因形状、用途不同使单价相差很大，便宜的l 元不到就能采购一只，中档的从3 元、 4 元一只一直到几十元一只，高档次的需几百元一只甚至更高。根据分析，近两年来国内 需求量最多的是按钮开关，其需求总量超过十几亿只甚至还要多，2 0 0 5 年，国内各种主要 开关需求总量已经超过8 8 2 7 亿只，预计今年将达至1 j 9 8 8 亿只。需求总量约达5 亿7 亿只， 有的估计比较多，可能超过1 0 亿只。 微型开关产品的生产单位分布较广，各地区均能设计生产，企业规模大多数为小型， 这些企业同时具备生产相关产品如微动开关、钮子开关或管座、连接器等几大类产品，通 过i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 0 质量管理体系认证的企业也相当多【l 】。有的企业产品开发周期相当快，一 个月不到就能批量供货。目前，按钮类开关在技术上日趋成熟，产品价格极具市场竞争力， 相当部分规格产品具有价格优势和高可靠性能产品可以满足海内外客商的配套需求。如今 这类产品生产企业主要集中在长江三角洲与珠江三角洲地区。这些具有代表性的企业，从 产品研制、模具设计制造、产品生产加r n 质量工艺控制都形成了自己完整的体系，有不 少产品具有自主知识产权并通过多种认证机构的认证，因此，他们的产品在激烈的市场竞 争中占有很大优势 2 1 。 然而，即使是已经形成自动装配的开关类型，也都是一些规格较大，安装工艺相对简 单的产品，微型按钮开关的装配却还基本停留在人工装配阶段。在企业实际生产中，微型 开关的装配虽然采用流水作业，但装配过程基本仍靠手工完成，生产效率低且产品的质量 难以控制。而随着人工成本的不断提高，企业面临着沉重的压力，单纯依靠劳动力成本、 原材料成本等资源成本比较优势已经无法为国内开关生产企业赢得未来，迫切需要一套高 效、低成本的微型开关自动装配设备。所以，实现微小型器件的装配自动化，已成为提高 l 浙江理工大学硕十学位论文 整个机电产品制造系统生产率、降低成本、稳定产品质量的关键环节。此外，从提高装配 精度的一致性，摆脱简单和繁重的手工装配劳动，以及避免恶劣或危险的装配环境等方面 来考虑，都需要不断提高装配自动化的程度【3 j o 在微型开关的装配中应用自动装配系统，是市场发展、社会进步的需要。而微型开关 自动装配系统领域仍是一片空白，整个市场还处在萌芽的阶段。据市场预测，微型开关装 配生产线的年需求量大概为2 0 0 0 , - - , 5 0 0 0 台。项目完成后预计可以达到累计年产5 0 0 台的产 量，至i j 2 0 1 0 年，预计可以达到年产1 0 0 0 台的年产量，单个品种年产值可以达n 6 0 0 0 万元， 甚至可以出口国外，出口创汇1 0 0 0 万美元。此外，还可以在主要部件设计方面获得2 - 4 项专 利，在不规则零件自动分拣、不规则零件的自动装配研究与开发等方面形成具有自主知识 产权的创新研究成果。 这就需要针对目前企业的实际，而开发设计的一套结构简单、成本相对低廉、自动化 程度高的微型开关自动装配系统。它不仅能够按照工艺要求完成各道工序之间的链接，自 动完成零件分选、传输、装夹、装配，同时具有一定的多用性和灵活性，通过改变系统的 结构尺寸，可以完成其它同类零件的自动装配。相比较人工装配而言，还能够显著的提高 劳动效率、稳定和提高产品质量、降低工人的劳动强度。 1 2 目前国内外研究现状及分析 1 2 1 国内外小型零件自动装配技术的研究现状 国外在自动装配技术方面研究的比较早，美国、日本、英国、德国、捷克等一些发达 国家，早就开始了有系统地进行装配技术理论的研究及产品开发工作。涉及的技术课题有： 小零件振动自动定向、零件连接方法、装配机构、装配系统及计算机仿真和装配技术标准 等，开发并用于装配领域的部件及系统有：振动料斗，装配线输送带，同步及非同步输送 系统，定向、铆接、装入、拧紧部件，鸟巢式装配系统，专用装配系统，柔性自动装配单 元和柔性自动装配系统等 4 - 1 2 1 。 仅从技术的角度来说，国外设计一套自动装配系统来完成此类开关的装配是可能的。 但由于微型开关自身价值有限、零件多且形状不规则、装配过程复杂，投入产出比较小， 微型开关的装配工作转移到了劳动力资源丰富却廉价的发展中国家，靠工人的手工来完成 装配。 而我国的自动化装配技术还相对落后。据统计，当前我国机电产品的装配工作量，占 整个产品制造工作量的2 0 - - 7 0 ，装配的费用约占机器总成本的1 3 1 2 。装配工人数占工 人总数的比例则随着机械加工自动化程度的提高而增大，在一些装配作业中，即使零件的 浙江理工大学硕士学位论文 输送、精度检测、分组及试验可实现自动化，但最终装配仍靠人工。据调查，目前采用自 动装配的零件只占1 0 - - 1 5 ，而且人工装配每小时仅有4 3 r a i n 进行作业。不仅如此，即使 已经开发的自动装配技术，也多用于较大的零件装配，如汽车发动机等。而在一些大批量 小零件生产行业，如仪表、开关、微电机等，几乎仍以人工流水线装配为主，质量靠人工 保证，技术较为落后，在小型零件自动装配应用上与国外相比差距很大【1 3 】。 近年来，随着国内零件制造成本的不断下降和劳动成本的逐年提高，特别是东部沿海 地区，生产成本的重头已经逐渐转移到产品装配方面，特别是在家电行业和电子行业的小 型、异形零件的装配中，提高装配效率所带来的经济效益将远比简单地降低零件制造成本 显著。 目前国内已经有许多的企业与科研机构设计制造出多种小型家电文具设备的自动装 配系统。图1 1 为东莞横沥凯誉公司生产的耳机自动装配机，图1 2 为深圳振兴机械生产的 z x l k 一1 0 0 型水彩笔自动装配机，但是，这些生产装配系统只能局限在零部件相对规则， 工艺并不复杂的安装，对于不规则甚至欠规则的零部件和装配工艺要求严格的微型开关来 说，就面临着诸多技术瓶颈需要去解决开发。 图1 1 耳机的自动装配机 图1 2 水彩笔的自动装配机 1 2 2 国内微型开关自动装配技术的研究现状 微型开关自动装配设备的研发跨机械、电气、电子等多专业的综合学科，综合起来难 度非常大，所以目前国内生产微型开关的厂家均未自行研发这类设备；同时行业标准要求 高、前期要求投入大、市场难介入的特点，使国内一般的自动化行业也很难进入这一市场。 因此，微型开关的自动装配系统有着广泛的市场需求，这就带来一个问题，那就是技术问 题，需要开发设计一套结构简单、成本相对低廉、自动化程度高的微型开关自动装配系统 来实现。 本项目研究的装配对象是w p 2 - 2 7 a p 型微型按钮开关，整体大小规格约为2 4 m m x 1 4 m i n x1 4 m m ，长宽与一张手机卡相当( 如图1 3 所示) 。此开关的主要装配元件有：按钮、 三i 浙江理工大学硕士学位论文 基座、弹簧、五金脚( 两种规格) 及底盖，如图1 4 配件中除弹簧与五金脚外均为塑料制成， 它们质量轻，形状不规则，导致在分选、传输、装夹等方面较为困难，并在装配精度方面 提出了较高的要求。 图1 3 微型开关对比图图1 4 微型开关各零部件图 目前，微型开关在企业的实际装配工作完全靠手工操作，主要可分为四个步骤： 1 ) 组装弹簧和按钮，如图1 5 ( a ) 所示； 2 ) 将按钮和弹簧组件装入基座，如图1 5 ( a ) 所示； 3 ) 组装五金脚并铆合，分别将两种规格不同的五金脚插入到基座底部的狭缝之中，然 后上铆床，将五金脚铆接到位，如图1 5 ( b ) 、( c ) 所示； 4 ) 安装底盖，如图1 5 ( d ) 所示； ( a )( b ) ( c ) ( d ) 图1 5 按钮和弹簧组装流程图 微型开关的装配有几个技术要求，分别如下： 1 ) 弹簧的两头需分别对应在基座的定位柱与按钮的底部凸台； 2 ) 按钮卡入基座之后需要再次在其顶部施力，以将按钮顶到位，如图1 6 所示； 4 浙江理工大学硕：卜学位论文 ( a ) ( b ) 图1 6 按钮安装到位内部状态图 3 ) 五金脚组装到基座以后需进行铆合，铆合时需将按钮打开到不与五金脚发生干涉 才能将五金脚铆合到位，否者会损坏按钮，铆合前后基座内部状态如图1 7 所示； ( a )( b ) 图1 7 五金脚铆合时内部状态图 4 ) 底盖安装需与基座地面平行。 在当前的微型开关装配企业中( 工作车间如图1 8 所示) ，这种以人工为主的生产方式 主要存在以下几大问题： 1 ) 生产效率低下。据调查发现，一个熟练的装配工人，一天工作1 0 小时，一天大约 装配2 0 0 0 个，按此计算，每一分钟大约装配3 个，生产效率低。在整个装配过程中，唯一 使用的半自动化工具就是铆床，其余均靠纯手工完成。 2 ) 工作环境简陋，劳动强度大。工人在车间平均一天工作1 l 小时，一周工作6 天，由 于作业的连续性需要，作业期间无休息时间。长时间机械式重复作业，不仅影响工作的效 率，还严重威胁工人的身心健康。 5 浙江理工大学硕七学位论文 幽1 8 微型开关装配车间 3 ) 品质难以保证。微型开关的生产，要求开关的外表面没有任何的划伤，但在人工 生产的状态下，每个工人的操作习惯不一，动作熟练程度不一，难免存在不合格品的混入。 此外，由于装配技术不高，薪资水平也不高，所以导致工人的流动率高，更加不利于品质 的稳定那个。 4 ) 生产成本高。微型接线柱成品按每个4 分钱算，装配车间2 0 个工人一个月正常工作 2 2 天，这样仅支付工人的工资就要花费3 5 2 0 0 元。 在设计过程中的难点以及关键问题是： 1 ) 零件自动排序输送设备的研制。对不规则或欠规则的小零件以及薄片的分拣，是 自动排序输送设备的关键。 2 ) 装配夹具设备的设计研制。针对不规则或欠规则的小零件以及薄片的装夹定位， 整个装配系统在满足零部件高效、精确自动准配的同时，需满足简便性、经济性、适用性 的要求。在整个装配过程中，并不是简单的进行位置控制，而是要求对整个动作过程中的 轨迹进行控制。 1 3 本论文的主要研究内容 本课题由企业提出，主要涉及微型开关自动装配过程的研究及其相关自动装配设备的 研究设计制造，在充分吸收借鉴原有手工装配工艺优点的同时，自主设计了一套装配方案。 涉及的关键技术主要有：对不规则或欠规则的小零件以及薄片的自动分选设备的研制开 发；轻便适用，同时又能满足自动装配过程中的精度需要的装配机械手。主要内容如下： 1 、零件自动排序输送装置的设计 简单介绍了电磁振动供料系统的组成和工作原理，以及现有的一些对物料的定向分选 方法，并根据项目中各物料的特点进行整体的结构设计与定向分选机构设计，再对分选排 序过程中的物料进行运动学与动力学分析，从而得出一些影响物料分选排列输送效率的性 6 浙江理t 大学硕l o 学位论文 能指标。 2 、自动装配系统的机构设计 首先，确定装配的工艺流程，根据装配系统的总体方案设计，以及各个装配工位的布 置设计，将整个装配系统分为三个子系统：按钮的装配，五金脚的安插铆合以及底板的安 装。然后分别进行按钮与弹簧的装配机构设计，五金脚的装配机构设计和底板的安装机构 设计，以及传输方式的选择等具体设计。 3 、控制部分的研究设计 在本课题中，根据p l c 控制的优点以及p l c 的选型原则，选用三菱公司的 f x l n - 4 0 m t 0 0 1 型p l c 来进行整个装配系统的控制，控制部分主要负责接收传感器的信 号，然后根据信号对传送同步带的运转和停止、机械手抓的抓取、气缸的伸收等动作进行 控制，从而完成零部件的输送、装配、铆合等一系列工序。 7 浙江理_ 亡大学硕j ：学位论文 第二章零件自动排序输送装置的设计 目前，市场上的自动分选设备主要是对具有规则几何外形的零件进行分选、排列，对 于不规则或欠规则的零部件分选设备有刚1 4 1 。但是微型开关中的五金脚、按钮等都具有不 规则或欠规则的零部件的几何外形，利用现有分选设备很难对其分选、排列。因此，本研 究课题拟采用螺旋振动分选技术，设计出一套新的自动分选机构，将零件按照统一的规则 进行排列，便于零件的装配。 2 1 电磁振动给料系统的组成及工作原理 2 1 1 电磁振动给料系统的组成 振动供料装置( 或称电磁振动给料机，亦简称电振机) 是一种高效的供料装置，它的 结构简单，能量消耗小，工作可靠平稳，工件间相互摩擦力小，不易损伤物料，改换品种 方便，供料速度容易调节。本课题中采用的圆盘式电磁振动供料装置结构如图2 1 所示。 l 一底座2 - 支承板弹簧3 - 筒形料斗4 _ 电磁激振器 图2 1 圆盘式电磁振动供料装置结构图 2 1 2 电磁振动给料系统的工作原理 电磁振动供料器的工作原理：料斗下面有个脉冲电磁铁，可以使料斗垂直方向振动， 由于料斗的底平面与激振力作用线有一定的夹角，利用衔铁与铁芯之间脉冲电磁力，驱动主 振弹簧发生变形，使料斗沿圆周切线方向向斜下方运动，同时，板弹簧储存势能。当电磁力消 失后，主振弹簧释放能量，使物料向斜上方向运动。因为物料与料斗料道之间摩擦力的变化， 使料斗中杂乱堆放的物料沿着周边的螺旋滑道上升并进行自动定向排列送到出料口【1 5 】。 电磁振动上供料器的工作过程，是由于电磁铁的吸引和支承弹簧的反向复位作用，使 料槽产生高速、高频、微幅振动，使工件在这种惯性作用力驱动下慢慢沿斜面向上移动。 2 2 定向方法 8 浙江理t 大学硕：仁学位论文 零件定向是指料斗中队意放置的零件或料仓中为完全定向的零件以正确的方法和姿 态进入组装位置。较广意义上的定向不仅是对零件调整方法位，而是包括从消除零件重叠、 排列零件、调整及保持零件姿态、分离直到零件以确定的位置进入装配的全过程。 使散乱的工件实现定向排列，常用两种专门的机构：选向机构与定向机构。 选向机构的作用是按选定的定向基准，采取适当的措施让剔除所有不符合选定方向要 求的工件，使之集中回流，而让符合要求的工件能在输送道上始终保持稳定的运动状态。 这种方法比较简便，应用较广。按其剔除不符合选定方向要求的工件的结构形式，可分为 斜面剔除法、缺口剔除法、挡板剔除法、拱桥剔除法等【16 1 7 1 。图2 2 是几种典型的定向机构 形式。 围国 一国 一晾 e)【j 图2 2 几种典型定向形式 但是，为了提高振动盘的工作效率，保证有足够的出料速度，需要有尽可能多的工件 在爬行过程中能够一次到达振动盘的出口，这就需要定向机构来完成。 定向机构是采取强制性措施对原来不符合选定方向要求的工件进行姿态纠正，依靠工 件自身不停的前进运动使之由不正确的姿态自动纠正为正确的姿态。 工程上常用的定向机构有：挡条或挡块以及压缩空气喷嘴。 工件离开振动盘出口后，还需要通过加设的外部输料槽才能到达装配部位，而且输料 槽上的工件时连续排列的，前方的工件靠后方的工件来推动。推力来源于振动盘的驱动力。 2 3 零件自动排序分选装置的设计 2 3 1 整体结构设计 在本课题中，各零件的自动排序分选装置均采用相同的整体结构，再根据不同的零件 特点进行自动排序分选机构的设计。 振动料斗即顶盘材料常用的有铝、不锈钢和塑料等，为了加工安装方便，采用不锈钢。 其结构形式多种多样，依据外形轮廓分类，有圆柱体和渐开线拉伸体两大类。渐开线拉伸 9 浙江理工大学硕j ：学位论文 体类料斗的一个明显特点是底小口大，圆柱形螺旋轨道料斗对各种自动定向方法有较好的 适应性，因此，选用了圆柱形内螺旋滑道料斗。其结构如图2 4 所示，其主要结构参数包括： 料斗外径d 外，料斗中径d 中，轨道宽度6 ，料斗侧壁厚度p ，料斗升距r ，轨道厚度s ，料 槽升角口，料斗底部锥角y ，料斗高度日。 图2 3 科斗尺寸 在本课题中，料斗采用厚度为3 m m 的不锈钢板做侧壁与轨道材料，外径为4 0 0 m m ，料 斗升距为3 0 m m ，料斗底部锥角1 5 。，料斗高度为1 2 0m m 。 振动料斗是通过支撑板弹簧安装在基座上的。悬支弹簧一般采用3 根均匀布置的板弹 簧，其中板弹簧的宽度和厚度容易缺的加工的一致性，而且其调谐灵活，通过改变板弹簧 厚度，就能实现共振调节1 1 8 1 。选用三组均匀布置的板弹簧作为支撑板弹簧，材料为6 5 m n 。 给料器的减振装置时底座与装配线的联接装置，其作用是对给料器产生的无用振动进 行吸振，从而降低给料器产生的环境噪音以及减小对装配线上其他工作机的影响。为了达 到良好的减震效果，本设计采用了界面为圆环的柱状橡胶棒作为减振装置，通过螺钉将四 个直径为2 5 m m ，高度为2 0 m m 的橡胶棒固定在底座的四个边角上，具体形状如图2 5 所示。 1 0 浙江理丁大学硕士学位论文 v 、 ，vv v 、 ，t 一。 vu ，1 u v1 vu ，v1 6 vv 、 ，、 vv 、 wv rv 、 卜v rv 、 rv 、 i v 图2 4 减振装置尺寸 电磁铁采用垂直安装方式这种方式不仅价廉，而且安装调整比较方便，而且适用于 较小的工件。 其他一些参数的设计确定如下： 1 振动频率厂 在本系统中，振动频率取厂= 1 0 0 h z 。 2 料槽升角q 料槽升角q 的大小影响上料速度。q 角太大或太小，均会影响上料速度，取q = 2 。 3 振动升角口 根据已有的经验数据信息，取p = 2 0 。 5 振幅a 振动体的振幅a 较大时，可提高供料速度，但动载荷较大，运动不平稳。据经验，电 磁振动供料装置的振动体的振幅可在0 5 - 1 5 m m 范围内选取。不同的零部件可利用振幅调 节按钮进行调整。 2 3 2 按钮的自动排序分选机构设计 基于按钮的结构特点，并根据反复试验，按钮的分选排序主要利用它的重心。由于其 形状特点，它在振动的条件下可以达到最稳定的正卧姿态。只要将振动筛的振动强度固定 在某一固定值附近时，均可以将侧卧的各种按钮变为正卧姿态而不再改变，如图2 5 所示。 这时，轨道上的按钮还有正前卧与正后卧两种姿态，为使最后输出的按钮只有一种运动姿 态，在轨道与侧壁的交界处开一定向槽，由于按钮两头大小不一的特点，在振动作用下， 按钮小头的向心力小，会很容易的掉入定向槽，最后变成图2 5 所示的状态3 出料，再通过 l l 浙江理工大学硕士学位论文 一段螺旋渐变的传输槽，使按钮按照装配要求的姿态传输到装配工位。 本课题中，按钮的实际宽度为5 9 8 m m ，如图2 6 所示。为防止两个以上的按钮并排， 缺口处轨道的宽度设计为6 5 m m 。经过试验知道，保证按钮达到稳定状态的振动强度范围 为1 0 0 0 - - - 1 0 2 4 。 5 1 缺口2 定向槽3 按钮 图2 5 按钮的几种状态 图2 6 按钮宽度尺寸 2 3 3 弹簧的供料装置设计 本课题中的弹簧在制作过程中两头已经过压边( 闭口) 处理，两个弹簧相互缠结的概 率极低，因此，给振动定向整列分选带来了方便。只要利用缺口原理设计出如图2 7 所示的 窄边轨道分选装置便可分选出弹簧。图中箭头所示方向为弹簧运动方向，在后文中不再说 明。在给定振动频率的作用下，原本杂乱无序的弹簧开始沿倾斜轨道运动，在运动过程中， 直立状态的弹簧将会因为重心不稳而卧倒，即使缠住的弹簧会因为重心靠近窄边轨道内侧 而掉回料斗，而侧卧的单个弹簧会前后紧挨着排列沿着窄边轨道送出，振动供料装置的出 口进入直线送料器，并经直线送料器进入至装配工位。 本课题中，弹簧的尺寸如图2 8 所示，为保证弹簧单个紧挨着排列输出，将缺口处轨道 宽度设计成略大于一个弹簧的宽度，确定为3 8 m m 。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 图2 7 弹簧分选定向装置缺口设计 8 图2 8 弹簧尺寸 一 2 3 4 底板供料装置设计 在无分选定向装置之前，底板进入轨道的姿态很多，需要设计多道定向机构来进行分 选排序。首先根据底板的形状特点采用缺口机构，将重叠部分趴行的不合要求的底板剔除， 合理设计缺口处轨道的宽度，使趴行的底板必有一立柱陷入缺口，在振动的状态下，导致 底板重心不稳，然后掉回料斗，从而将的趴行底板剔除，定向机构如图2 9 所示。在经过前 面一道定向分选排序工序之后的底板，剩下的全是正躺姿态的底板，而这时还可能会有上 料时就相互重叠的底板或是因为震动而前相互重叠，需要将他们分离开。因此设计一定向 挡条，如图2 1 0 所示，让单个的底板顺利通过，而重叠的两块底板剔除或者分离。 底板的实际尺寸如图2 1 l 所示，基于它的尺寸特点，缺口处轨道宽度设计为6 5 m m ，长 度为l o m m 左右，定向挡条距离轨道的高度为5 m m 。 l 、2 、3 底板；3 缺口 图2 9 底板定向装置之豁口设计 浙江理工大学硕士学位论文 1 底板；2 选向挡条 图2 1 0 底板定向装置之挡板设计 f 苫臼d 8 一 缸 i r _ 1 图2 1 1 底板尺寸 经过前面两道定向工序之后，底板还有两种可能的状态出来，分别是大立柱靠侧壁的 和小立柱靠侧壁的。因此在临近振动盘出口处设计出如图2 1 2 所示的倾斜上部台槽定向分 离装置，它是利用底板上两个立柱大小尺寸不一来进行剔除分选的。经过此定向分离装置 之后，小立柱在上方的底板2 在通过台槽的过程中，由于尺寸小于台槽上的开口而掉回料 斗，大立柱朝上的底板因为其尺寸大于开1 3 而继续向前运动，仍旧保持固定姿态输出，这 样最后出来的地板只有一种需要的状态，再经过直线送料器输送至装配工位。为保证剔除 的准确率，可以在倾斜轨道上设置多处前面所述的台槽。 1 开口2 、3 底板 图2 1 2 上部台槽 2 3 5 五金脚的供料装置设计 五金脚的定向分选，利用它的重心特点设计出如图2 1 3 所示的定向分选排列机构。刚 上轨道的工件在振动的作用下，虽然方向不一，但由于重心位置特殊的缘故，始终保持为 状态5 ，在经过定向槽3 的时候，重的一头便会掉入定向槽，这样定向槽的外径与内径处都 会有五金脚悬挂着，然后在定向槽的内径处开一缺1 3 ，将使悬挂在内径上的五金脚剔除， 1 4 一 丝 o 一 浙江理工大学硕士学位论文 掉回料斗，而只剩下一种状态4 的五金脚，再经过直线振动送料器输送至装配工位。 此设计中，定向槽宽度为1 2 1 t l i n ，缺口长度为1 8 m m 。 1 - 缺口；2 、4 、5 - 五金脚；3 一定向槽 图2 1 3 五金脚定向机构 2 3 6 基座的供料装置设计 基座的基本外形尺寸如图2 1 4 所示，由于基座的长宽接近，因此给分选带来了很