（机械电子工程专业论文）活塞零件体自动装配线关键技术研究.pdf

上海大学硕士论文 摘要 首先，本文结合一个具体的工程项目( 活塞零件体自动装配线的研制) ，分 析比较了常用的几种自动生产线输送方案的特点，并且进行了论证，通过分析活 塞零件体自动装配线的特点和要求，确定了适合于该生产线的整体输送方案、工 艺过程，以及工艺过程中的关键技术。并且本文创新设计了一种适用于液氮低温 下铜销自动输送机构，分析了其机械结构和传动原理。 其次，本文就活塞零件体装配工位中的几个主要组成部分，即滚轮到位部件、 铜销移载部件、铜销接放部件、铜销冷冻部件、铜销转接部件、铜销到位部件、 挺柱体到位部件、挺柱体移载机械手进行了机械结构设计。此外，本文还就生产 节拍进行了初步的计算研究。 再次，对装配线最关键部分铜销冷冻进行研究分析。计算了铜销在液氮 低温环境下的收缩量：运用a n s y s 有限元软件，进行铜销瞬态热力学分析。分析 铜销冷冻提出后到装配时的热膨胀情况，验证这段时间内铜销热膨胀程度较小， 完全可以实现顺利装配。并通过p r o e 与a d a m s 软件的联合运用做出铜销冷冻部 件运行时的模拟动画。 最后，对装配工位的总体控制做了规划和设计，此外对该装配工位的控制系 统在硬件方面做了一定量的工作，包括：控制系统的结构设计；p l c 型号的选择； 传感器的确定和分布；输入、输出口( i o ) 的确定；p l c 装配工位的动作流程 图设计等。 关键词：活塞零件体，自动装配线，瞬态热力学分析，控制规划 上海人学硕士论文 a bs t r a c t f i r s t l y , b a s e do nac o n c r e t ep r o j e c t ，t h er e s e a r c ho fap i s t o np a r ta u t o m a t i c a s s e m b l yl i n e ，t h et h e s i si n t r o d u c e s t h ea r g u m e n t a t i o no fs e v e r a lw i d e l y - u s e d m e t h o d so nt h et r a n s p o r to ft h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e a f t e ra n a l y z i n gt h e c h a r a c t e ra n dr e q u e s to ft h ea u t o m a t i ca s s e m b l yl i n e ，t h es u i t a b l ew a yo ft r a n s p o r t ， t h ep r o c e s so ft h ep r o d u c t i o n ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g yu s e di nt h ep r o c e s sa r ed e c i d e d a n das o r to fd e v i c eu s e dt op r o v i d et h ep r o d u c t i o nl i n ew i t ht h ep a r t si sd e s i g n e d t h ed e v i c ec a nb ea d j u s t e da n du s e di nt h ea u t o m a t i ca s s e m b l yl i n e d e s i g naf e e d i n g m e c h a n i s mf o rc o p p e rs h a f ti nt h el i q u i dn i t r o g e na n da n a l y z e st h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p a l s e c o n d l y , t h et h e s i sm a k e st h em e c h a n i c a ld e s i g nf o rs o m em a i np a r t so ft h e a s s e m b l yl i n e i d l e rw h e e ll o c a t e dp a r t 、c o p p e rs h a f tm o v ep a r t 、c o p p e rs h a f ta c c e p t t e da n ds e tp a r t ，c o p p e rs h a f tf r e e z e e np a r t ，c o p p e rs h a f tt r a n s f e r r e dp a r t ，c o p p e rs h a f t l o c a t e dp a r ta n dp i s t o nl o c a t e dp a r t f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sc a l c u l a t i e st h e p r o d u c t i o n 7 st i m e t h e n ，t h et h e s i sr e s e a c h e r sa n da n a l y z e st h ec o p p e rs h a f tf r e e z e e np a r tw h i c hi s t h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h ea s s e m b l yl i n e c a l c u l a t i e dt h ec o n t r a c t i o no fc o p p e r s h a f ti nt h el i q u i dn i t r o g e n u s e da n s y ss o f t w a r et oa n a l y z et h et r a n s i e n tt h e r m a lo f c o p p e rs h a f tw h i c hp r o v et h a tt h ec o p p e rs h a f ta s s e m b l yw i l lb ee a s y u s e dp r o ea n d a d a m ss o f t w a r et om a k et h em o v e m e n ta n i m a t i o no fc o p p e rs h a f tf r e e z e e np a r t i nt h ee n d ，t h et h e s i sm a k e sap l a na n dad e s i g nf o rt h eg e n e r a lc o n t r o lo ft h e a s s e m b l ya s s e m b l y i na d d i t i o n ，i td o e ss o m er e s e a r c ho nt h eh a r d w a r ei nt h ec o n t r o l s y s t e mo ft h ea s s e m b l yt a s k ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h e c h o i c eo fp l c ，t h ec h o i c ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es e n s o r s ，t h ec h o i c eo ft h en u m b e r o fi o ，t h ed e s i g no ft h ew o r k i n gf l o wo ft h ea s s e m b l yt a s k ，e t c k e y w o r d s ：p i s t o np a r t ，a u t o m a t i ca s s e m b l yl i n e ，t r a n s i e n tt h e r m a la n a l y s i s ，l a y o u t o fc o n t r o l ； i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 2 缉至盆多j 9 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：辫日期：牡臼 上海大学硕士论文 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 本课题源于为无锡某机械有限公司，研制汽车活塞零件体自动装配生产线。 本项目应用于汽车行业的活塞零件体、球面座、铜销、滚轮4 个零件的自动装配。 本课题对此自动生产线的总体设计和关键技术进行研究。此自动装配生产线要完 成4 个零件的装配，和4 项检测即装配体高度检测，滚轮间隙检测，滚轮摩擦转 矩检测，装配体外径检测。依据零件体装配生产线技术方案，原先整条生产线大 多是采用手工操作，这虽然降低了成本，但却延长了生产时间并减缓了生产节拍， 从而降低了整个生产线的效率，因此活塞零件体自动装配生产线的研发在国内还 是有具有重要的实用价值和应用意义，同时也为其它同类行业的生产线研发提供 了一个切实可行的实例。 活塞零件体自动装配生产线的许多关键技术( 如液氮低温下的装配线) 与小 型零件自动装配具有共性，所取得的成果可推广到大量的中小型、中高级精度产 品的自动装配线上去( 如电表机芯、特种电机、汽车配件、继电器、家用电器等) ， 为赶超国外同类设备的水平打下基础，使生产线具有相应的先进性和竞争力。因 此，本课题的研发对制造业中的自动装配具有重大指导意义和技术应用价值。 1 2 论文的主要研究内容 课题研究的总体目标： 研究关键技术并研制活塞零件体、球面座、铜销、滚轮4 个零件的自动装 配检测的自动生产线。 课题的主要研究内容： 1 、自动装配、检测在内的生产线的体系结构与规划； 2 、装配单元机电系统总体设计； 3 、装配线的产品输送及定位技术： 4 、典型的自动装配装置及末端执行器； 5 、自动送料、理料技术。 上海大学硕士论文 本人研究内容： l 、装配线的整体规划和方案论证； 2 、对装配零件的物流输送( 包括送料，理料) 进行研究； 3 、进行铜销滚轮装配工位的具体方案论证； 4 、完成铜销滚轮装配工位的机械与控制系统设计； 5 、对铜销滚轮装配工位机械结构进行仿真，确定其可行性。 拟解决的关键技术： 1 、自动装配中零件的供料、理料机理研究； 2 、液氮低温特殊条件下的装配线设计。 技术路线： 装配线的体系结构规划：利用模块化设计思想，将整个装配线系统分解成 子结构，分析各组成部分的功能以及各部分组合后的整体协调，总体指标分析 与各部分技术参数的拟定，装配工艺分析及工位优化分解。 机器人末端执行器的设计和制造：在各装配工位的装配要求、动作分析、 节拍分析、精度分析的基础上，进行各种末端执行器的设计与试验。 周边装置研制：包括自动送料系统、定位夹紧系统、及传输线等的研制。 1 3 装配机器人的应用现状 现在许多产品的生产或是少品种大批量，或是多品种小批量。在制造零件时， 使用自动机或自动线，同时采用先进的工艺促使制造零件的劳动量下降。然而， 由于装配大多是手工劳动，使装配的劳动量在制造产品的总劳动量中还占相当高 的比例，致使产品零部件的装配成为生产中的薄弱环节。因此，现在许多企业都 纷纷采用自动装配线来装配产品零部件，以达到提高劳动生产率、降低产品成本 和提高产品质量的目的。自动化装配技术和生产线已经成为现代制造业中的重要 组成部分，在美、日和西欧等发达国家已得到广泛应用，尤其是在电子、电气、 仪表、汽车、摩托车等行业中应用更广。自动化水平的高低，已成为衡量一个企 业和国家科技水平的重要标志。 2 上海大学硕士论文 1 3 1 国内装配机器人的开发与应用 随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开 发和应用工程等方面取得了一定的进步。中国工业机器人研究开始于7 0 年代， 但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因，未能 形成真正的产品。8 0 年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，中国工业机器 人研究开发进入了一个新阶段，形成了中国工业机器人发展的一次高潮，从8 0 年代末到9 0 年代，国家8 6 3 计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系 统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人 系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用，以交流伺服驱动器、谐波 减速器、薄壁轴承为代表的元部件，以及机器人本体设计制造技术、控制技术、 系统集成技术和应用技术都取得一定的成果。 面对国外机器人技术的不断发展和国际市场的激烈竞争，我国工业机器人进 展步履艰难。首先国内企业的现状对机器人的需求明显不足，其次国产机器人在 性能、价格、系列化、规模化生产上与国外同类产品相比还有一定差距。此外， 我国对自行设计和制造机器人自动化装配线的研究起步较晚，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、自动装配线及装配工序半自动装 置。但国内设计的半自动和自动装配线的自动化程度不高，装配速度和生产效率 也较低，所以自动装配技术在我国有很大的开发与应用潜力，装配自动化必将成 为生产过程全盘自动化的下一个战略目标。综合国内外研究成果和经验，结合产 品量大、面广、品种规格多的特点，我国机器人化柔性自动装配，除需要在可靠 性上下功夫外，扩大柔性化、应用视觉定位和检测系统、开发具有特殊功能的末 端操作器等，进一步在机器人自动装配的柔性化、智能化、模块化方面开展研究， 并达到国际先进水平，是十分迫切的。 同时，在我国也存在着机器人应用的前景和希望：第一，制造业仍占我国国 民经济发展的重要位置，随着改革开放的深入及与国际市场的接轨，新产品、新 工艺的要求需要有新的装备来武装制造业，尤其在汽车、电子、家电、机械、轻 工等行业尤为必须。第二，经过多年研究与实践，我国己经初步掌握了工业机器 人的设计技术，如机器人本体设计，控制系统硬件设计，实时操作系统，机器人 语言、通讯、可靠性等。第三，在机器人科学和工程方面有了较开放的国际环境， 3 上海大学硕上论文 使我们有条件学习、借鉴、引进和消化吸收国外的先进技术。这些也为我们开发 自主产权的工业机器人提供了一定的条件。【l 】【2 】【3 】 1 3 2 国外装配机器人的最新进展 从机器人诞生到本世纪8 0 年代初第一台s c a r r 、装配机器人的出现，机器 人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。随着计算机技术、微电子技术、网络技 术等的快速发展，装配机器人技术也得到了飞速发展。【4 】 机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法 的运用，机器人操作机己实现了优化设计，拓展了机器人的工作范围， 加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能，此外采用先进 的r v 减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6 轴机器 人发展到现在能够控制2 1 轴甚至2 7 轴，并且实现了软件伺服和全数字 控制，人机界面更加友好，基于图形操作的界面也己问世，编程方式仍 以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到 成功应用，并实现了自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精 密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本 k a w a s a k i 、y a s k a w a 、f a n u c 和瑞典a b b 、德国k u k a 、r e i s 等公司皆推出了此类产品。 网络通信功能：日本y a s k a w a 和德国k u k a 公司的最新机器人控制 器己实现了与c a n b u s 、p r o f i b u s 总线及一些网络的联接，使机器人由过 去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设 备向标准化设备发展。【5 】【6 】 1 3 3 目前研究重点及发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行装配机器人共性技术的研究，并 朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面f 7 】： 装配机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进 4 上海大学硕十论文 一步提高负载自重比，同时机构进一步向着模块化、可重构方向发展。 机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友 好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络 化，以及基于p c 机网络式控制器己成为研究热点。编程技术除进一步 提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化的完善成为研究重 点。 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用 是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法， 特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。 另一问题就是传感系统的实用化。 机器人的结构要求更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方 向发展。 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者 之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延 的情况下，建立预先显示进行遥控等。 虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术， 实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 多智能体( m u l t i a g e n t ) 协调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新 领域，主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感 知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 5 上海大学硕士论文 第二章活塞零件体自动装配线整体布局分析 2 1 引言 本章主要有三大部分组成：第一部分介绍活塞零件体自动装配的各个零件的 分析；第二部分是装配线各种布局形式的分析比较及活塞零件体装配线整体布局 方案确定：第三部分是活塞零件体装配线关键技术论证。 2 2 装配零部件分析 活塞零件装配零件共有4 个，如图2 2 1 ( a ) 从左至右分别是活塞挺柱体 铜销，球面座和滚轮。 图22l ( a ) 活塞装配的4 个零部件照片 装配线的作用是通过铜销穿过活塞挺柱体的孔( 较紧的过盈配合) 将滚轮安 装于挺柱体上，如图2 2 1 ( b ) 。球面座安装于活塞挺柱体内凹槽处，如图 2 2 1 ( c ) 。零部件装配要求为( 1 ) 零件表面没有损坏( 2 ) 装配精度高( 3 ) 生产节拍 为8 只分钟。 上海大学硬论文 一r 一 图22 1 ( c ) 球面座在活塞挺柱体的安装位置 铜销与挺柱体孔及铜销与滚轮的配合是典型的轴孔配合，铜销与挺柱体为紧 过盈配合，滚轮与铜销为间隙配合。其中还需将铜销先在液氮中冷却收缩以达到 使铜销与挺柱体能顺利完成过盈装配的目的。球面座是通过压机紧压在挺柱体的 凹槽里。所以轴孔之间的装配是整个装配线的主要内容。 装配时通常将机器分成若干个独立的装配单元，装配过程是从基准零件开 始，措水平线自左向右进行装配，各级装配单元装配时，先要确定一个基准件先 进入装配，然后安排其它零件、组件或部件进入装配。安排装配顺序的一般原则 为先下后上，先内后外，先难后易、先重大后轻小，先精密后一般。 跟据各装配零件特点可知，所有零件都是以活塞挺柱体为装配基础，因此把 活塞挺柱体作为装配基础件，该基础件在装配过程中将其它需要装配在一起的零 矛么【 的 皆雾 尊 翱 露一豳 羹、一囱 上海大学硕十论文 部件联接在一起。 活塞零件体的装配线涉及到装配及检测，铜销还要求在液氮中降温做处理， 虽然零件较少，但还是比较复杂，更需要谨慎分配装配工序。采用工序如下 1 活塞挺柱体，2 球面座，3 滚轮，4 铜销。 2 3 装配线各种布局形式的分析比较 装配线的线体类型是总体设计的主体，涉及到装配线的布局，对整个装配线 的结构形式，定位方式，装配精度，装配效率和成本都起到决定性的影响，传送 装置按其布局形式，总体上可分为回转式和直进式两种型式。【8 】 2 3 1 多工位回转布局 多工位回转方案以旋转工作台为中心，各装配工位按装配后次序分布于工作 台四周，产品底板一次装夹于工作台上，随工作台转动至各个装配工位。如图 2 3 1 。 图2 3 1 多工位回转布局 这种方案的优点是： 上下料工位接近，便于操作，且工位集中，易于故障排除； 不需多次定位，装配精度依赖旋转工作台分度盘精度，可以达到比较高 8 上海大学硕上论文 的精度； 不需要节放装置。 它的缺点是： 属于同步输送，生产节拍受限于费时最长的工位； 若一个工位出现故障，整个装配线就无法正常工作。 2 3 2 直线型传送布局 图2 3 2 直线型传送布局 如上图所示，即为单列直线型装配线布局，这种传送布局最简单，应用的也 最广，各个装配工位呈一字形排开，输送系统由上下两层组成，随行夹具需由底 层输送带返回。装配机器人工作站和给料系统可以布置在线体的两侧，对装配工 位的个数没有限制，采用的是双带异步输送，输送带和随行夹具无刚性联接，通 过它们之间的摩擦传送，装配方向可为上下方向及两个侧面方向，随行夹具在接 触停止点时须使用定位装置。 这种装配线布局的特点： 优点： 1 ) 随行夹具的定位孔尺寸一致性好，对产品底板只需一次装夹定位，定位 精度较高。 2 ) 装配工位没有限制，装配方向比较自由，装配空间大，装配机器人容易 空间动作规划，装配工位之间可以留有缓冲空间，而且便于布置手工装配点。 9 上海人学硕士论文 3 ) 属于异步输送，当一个工位出现故障时不影响其它工位继续工作，操作 人员可以从容的排除故障。 4 ) 这种装配线布局，适合做成模块化，当产品更新换代时，很容易对其进 行重组，扩展和再改造性较强，更具有柔性。 缺点： 1 ) 输送线长，适合占地面积狭长的场合，随行夹具返回时，需要专门的返 回装置，使装配线相对庞大，并且随行夹具返回时是空盘返回，利用不够充分。 2 ) 在传送带的两端需要增加产品底板装夹和产品卸料两个工位，随行夹具 由底层传送带返回，这样就需要相应的使随行夹具上升和下降的装置。 3 ) 在装配工位需要节放装置。 还有由直线型传送布局衍生而来的双列直线型传送布局，u 型传送布局。这 些布局克服了直线型布局的了输送线过长的缺点，使得占地面积由长条型变为长 方形；而且各工位相对较集中更利于现场操作人员监视工作运行情况；比较适合 做成模块化。 对比上述几种装配线布局，分析如下： 表2 3 2 对比几种装配线布局 多工位回转布局直线型布局 双列直线型传送布局， u 型传送布局 布局占地形状 小 大 小 装配线结构 紧凑庞大相对紧凑 定位方式旋转工作台定位 夹具夹具 维修性 较难较难易 成本低局较低 2 3 3 装配线总体布局方案的确定 活塞零件体自动装配线主要包括两部分，装配部分和检测部分。 检测部分是检测装配完成后活塞零件体的几个参数用以确定其是否合格。包 括4 个项目：装配体高度检测，滚轮间隙检测，滚轮摩擦转矩检测，装配体外径 检测。 1 0 上海大学硕士论文 检测部分决定采取多工位回转布局，因为以下原因： 1 这4 个检测项目可以使用同一个夹具进行定位，传输到每个检测工位进行 检测。 2 多工位回转布局占地面积小，结构紧凑。 3 采取回转布局易于实现4 个检测项目模块化设计。 装配部分包括对装配零件的自动上下料移载功能，各工位之间的输送定位功 能，球面座压装和铜销滚轮装配。由于装配零件较少，所以总体上采取直线型布 局。但是因为铜销、滚轮、与挺柱体必须同时装配，所以在铜销滚轮装配时有3 条进料线。如下示意图2 3 3 。 图2 3 3 装配线总体布局示意图 2 4 活塞零件体装配线关键技术论证 2 4 1 装配体在装配线各部件中的传送方式 上料 压装 上科 一般直线装配线中对装配基准零件是有随行夹具来实现传送和精确定位的。 在活塞零件体装配线中存在一些难题，不易实现随行夹具。在球面座压装部件， 铜销滚轮装配部件，检测部件这三部件中零件活塞挺柱体的位置姿态是不同的。 挺柱体上料时，按照厂方要求是正放于料盒中；球面座压装部件中由于需要将球 面座压在活塞零件体内的凹槽内，而凹槽开口向下，所以在压装时活塞零件体必 须倒过来( 可参看图2 2 1 ( c ) ) ；铜销滚轮装配部件中活塞挺柱体须和铜销滚轮 两个零件装配，横躺的姿势更利于装配；检测部件中由于要检测滚轮间隙，滚轮 上海大学硕十论文 转矩，总高，直径，所以需旋转工作台的随行夹具夹住挺柱体底面作为测量基准， 也就是说挺柱体的姿态是正立的，如图2 4 1 。如果用随行夹具不可能实现挺柱 体的姿态变动，基于以上原因决定不使用随行整条装配线的夹具。3 个部件各自 设计装配或检测夹具，以方便实现挺柱体在该工位的位置姿态，并在部件之间采 用三个移载机械手来实现挺柱体的传送。移载机械手可以做平移，翻转，升降3 个自由度运动，这样可以在把挺柱体从上一装配部件传送到下一装配或检测部件 同时就实现挺柱体姿态的变化。 挺柱体的传送方式如下所示： 挺柱体放在料盒中机械手1 抓住平移并旋转1 8 0 。球面座压装 机械手2 抓住平移升降并旋转9 0 。铜销滚轮装配机械手3 抓住平移升降 并旋转9 0 。装配检测 检测时挺柱体 ， 1 形沁 莽甏 铜销滚轮装配 时挺柱体姿态 p 消 厂 fl 冬斟一 f贰l 球面座压装时 挺柱体上料姿态 l pr一o v 隆逵 吣少 形沁 穿甏 图2 4 1 挺柱体在装配线各部分的姿态 铜销初始状态是放在料盒中，由于需要在液氮中冷冻处理，这里也采取机械 手来输送。铜销的传送方式如下所示： 铜销放在料盒中机械手抓取铜销液氮冷冻处理铜销提出 铜销滚轮装配 球面座与滚轮的传送方式如下所示： 球面座通过振动料斗上料球面座压装 滚轮放在料盒中滚轮到位部件铜销滚轮装配 1 2 上海大学硕士论文 2 4 2 铜销液氮低温处理方案论证 活塞零件体和滚轮的连接装配是用铜销通过较紧的过盈配合来连接的。为 保证能顺利的将铜销装入活塞零件体，这里用液氮先对铜销降温处理，再在很 短的时间内将铜销压入活塞。液氮最低温度可达一1 9 5 8 。c ，可以大幅度的增加 铜销的收缩量从而达到顺利装配的目的。 以往，这个工作是人工完成的。这样劳动率较低，劳动者劳动量较大且装 配质量稳定性较差。在本项目中此工作同样是自动生产线中的一部分，所以要 研制出在液氮低温环境下能正常运行的生产线。 方案基本要求为1 ：铜销尽量无接触，以避免损伤；2 ：驱动尽量少；3 ： 尽量储存较多铜销以利于充分冷冻。有以下几个方案比较： 方案1 ：如图2 4 2 ( a ) 所示，制造一u 型管道浸入液氮中，利用铜销的初 速度及重力加速度使铜销通过u 形管，完成降温过程。 图2 4 2 ( a ) 方案l 这种方案优点在于只借助气缸给铜销的初速度及本身重力加速度，结构简 单，易于制造。但缺点也明显，铜销通过管道时会产生摩擦力，铜销是否具有 足够的初速度克服摩擦力的损耗使得铜销冲出u 形管这需要精确的理论计算 和设备实际调试，具有不确定性。且液氮不能浸到铜销，不能完全冷却。 方案2 ：如图2 4 2 ( b ) 所示制作一u 型铜销轨道，一半浸入液氮里，铜销 顺着轨道进出液氮容器。在轨道出入口有数个异型齿轮，异型齿轮槽半径等于铜 上海大学硕十论文 销半径。通过异型齿轮提供动力将铜销一个个输入输出u 型轨道。 此方案的优点为异型齿轮可以一个个匀速传递铜销，且有一定隔料传递作 用。缺点是结构较复杂，异型齿轮加工较麻烦。 方案3 ：如图2 4 2 ( c ) 所示铜销轨道垂直进入液氮容器，与转轮相接，转 轮上有半圆缺口，铜销落下可直接落入半圆缺口。转轮左边有一左拉杆，通过气 缸驱动，拉杆头与转轮连接，左拉杆上下运动时带动转轮作旋转运动。转轮右边 也有一右拉杆，当转轮半圆缺口转到右拉杆处时，会带动铜销落入右拉杆的承接 铜销处，右拉杆再向上运动，将完成冷却的铜销带出。 这种方案的优点是结构精巧简单，能实现铜销完全冷，具有一定的铜销传输 速度。缺点是由于轨道垂直向下，上方铜销的重量完全压在最下方铜销，当其落 入转轮半圆缺口时会有较大的冲击，可能会造成零件表面损坏。一个铜销充分冷 冻需2 分钟，生产节拍为8 只分钟，所以结构内至少同时储存1 6 个铜销，铜销 直径约为1 3 r a m ，则铜销叠加高度为1 6 1 3 = 2 0 8 m m 加上转轮及其他零件使得机构 高度较高。 图2 4 2 ( b ) 方案2图2 4 2 ( c ) 方案3 方案4 ：如图2 4 2 ( d ) 所示方案4 是方案3 的改进版。将垂直向下的铜销轨 道改为“之字向下。这样可以极大地减缓铜销向下的冲击力，其他结构都一样。 这结构可能使得铜销卡在“之”字转弯处。 1 4 上海人学硕士论文 不 移i p 图2 4 2 ( d ) 方案4 方案5 ：如图2 4 2 ( e ) 所示铜销从导入套中落入储销转盘，储销转盘受 伺服电机带动步进旋转，每步6 0 。接放板有对应的接放孔，铜销转到接放 孔位置落入下层储销转盘。当落入最下层后由拨盘拨出到提斗处，气缸控制 提斗将铜销提出进入下一工位例。 图2 4 2 ( e ) 方案5 1 5 上海大学硕上论文 方案5 的优点在于 1 能同时储存大量铜销，为充分冷冻提供足够时间； 2 铜销之间没有碰撞，不会发生损伤； 3 液氮中没有轴承，弹簧等在低温环境中工作不稳定的零件。 4 具有一定的铜销传输速度。 缺点是虽然方案5 结构精巧但较复杂，加工装配要保证较高精度。 方案4 方案5 明显优于方案卜3 。方案4 和5 各有优缺点，考虑到机构在 液氮中要保证稳定运行，而方案4 中铜销可能卡在“之 字处，方案5 虽然 复杂但能稳定运行最终选择方案5 。总结如表2 4 2 。 表2 4 2 铜销液氮冷冻结构各方案比较 方案1方案2方案3方案4方案5 简易程度简单复杂简单一般复杂 动力提供数 l l 1l 2 铜销碰撞程度一般一般较大较少无 同时容铜销数量较少较少少较多 多 其他铜销难以结构较复结构高度方案4 为结构较复 取出杂，齿轮加高，且铜销方案3 的 杂，精度高 工难冲撞较大 改进 2 5 小结 本章首先介绍了活塞零件体几个装配零件结构及装配工艺分析，确定装 配工序。接着对装配线各种布局形式的进行分析比较，根据实际情况确定活 塞零件体装配线整体布局方案。最后对活塞零件体装配线关键技术进行论 证，尤其是对液氮低温环境下铜销输送机构进行方案对比，确定最佳方案。 1 6 上海大学硕士论文 第三章铜销滚轮装配工位的机械设计 3 1引言 本章由三部分组成。第一部分是铜销滚轮装配工位各部件划分，第二部分是 铜销滚轮装配工位各部件机械设计，第三部分是铜销滚轮装配工位装配时间分 析。 3 2 铜销滚轮装配工位各部件划分 铜销滚轮装配工位是整个活塞零件体自动装配线的最关键也是最复杂的工 位，涉及到三个零件上下料、装配，另外铜销还需在液氮低温下冷冻处理。合理 对铜销滚轮装配工位的各部件进行划分和布局是能否将该工位设计的紧凑，装配 方便，利于工人监控操作的关键。 图3 2 铜销滚轮装配工位工艺划分 1 7 上海大学硕上论文 如图3 2 所示是铜销滚轮装配工位工艺的划分。可以看到滚轮，铜销，球 面座压装完的挺柱体分三条线进入铜销滚轮装配工位。 滚轮通过滚轮上料装置上料，经过滚到滑至装配工位。 铜销通过铜销上料装置上料，经过铜销接放装置进入液氮冷冻装置( 液氮罐) 进行预处理，再经铜销转接装置送至装配工位。 球面座压装完的挺柱体通过机械移载手从上个球面座压装工位移载至铜销 滚轮装配工位，同时完成姿态方向校正。 铜销滚轮装配工位完成装配后又由机械移载手移载至检测工位，同时完成 姿态方向校正。 从对铜销滚轮装配工位工艺的划分可以清晰看到整个装配工位的工作流程。 下面据此将铜销滚轮装配工位划分为8 个部件。 l 滚轮到位部件：完成滚轮上料，使滚轮经过滚到滑至装配工位； 2 铜销移载部件：完成铜销上料； 。 3 铜销接放部件：将铜销次序放入液氮冷冻装置； 4 铜销冷冻部件：使铜销自动在液氮桶中完成冷冻预处理，并提出； 5 铜销转接部件：将从液氮中冷冻过的铜销转接至铜销滚轮装配工位； 6 铜销到位部件：完成铜销滚轮的装配； 7 挺柱体到位部件：球面座压装完的挺柱体通过机械移载手从上个工位移载 至铜销滚轮装配工位，通过挺柱体到位部件的夹具将挺柱体精确定位，为下面的 装配做好准备； 8 挺柱体移载机械手：将完成装配的挺柱体送至检测工位。 3 3 铜销滚轮装配工位各部件的机械设计 i o 】 1 l 】 1 2 】【1 3 】 铜销滚轮装配工位的三维总装图如图3 3 所示，可以清晰看到各个部件在该 工位的布局。该工位的作用包括滚轮铜销上料，铜销液氮低温冷冻处理使得铜销 直径大幅收缩，以挺柱体为装配基准，用铜销将滚轮安装在挺柱体上，通过移载 手将装配完成品送至检测工位。一共包括8 个子部件，下面将对每个子部件的机 械设计进行介绍。 j = 海大学碰士论立 3 3 1 滚轮到位部件机械设计 图3 3 1 ( a ) 滚轮到位部什三维图 上海太学馥士论文 滚轮到位部件作用是完成滚轮上料，使滚轮经过滚到滑至装配工位。图 3 3 1 ( a ) 是滚轮到位部件三维图。客户要求滚轮初始形态是工人将之规律有序的 排列在上料盒中。料盒设计有半圆凹槽( 底部通透) 可以放滚轮。这样的凹槽有6 捧1 0 牢y - - 6 0 个。底板设计是斜面，上有顶出条，当将料盒放在底板上时，顶出 条顶入料盒凹槽将滚轮项出，顺斜面滑下。如图3 3 i c e ) 。 擒纵机构将滑下的每排6 个滚轮规则接住并放开，如图3 3 1 ( c ) 。定位蛸将 擒纵棘爪中心固定，擒级气缸推动擒纵棘爪做来回摆动来实现接放滚轮。 擒纵机构将滚轮拨至滚轮移载手处。滚轮移载手如图3 3 k d ) 所示，平移气 缸将移栽抓手向左移使得一排滚轮左边第一个滚轮落八滑轨，升降气缸上升，平 移气缸右移，升降气缸下降，移栽抓手复位。这样循环，将一捧滚轮逐个推入滑 道。 滚轮滑至滑道头，由推入气缸1 推至推入气缸2 处，推入气缸2 将滚轮推至 装配工位( 即将滚轮推至已移载至装配工位挺柱体的凹槽处) 如图3 3 k e ) 一 圈33 l 曲) 圈3 3 1 ( d ) 圈3 3 i ( c ) 褥 图 上海 学硕士论立 3 3 2 铜销移载部件机械设计 图33 2 ( 曲铜销移载部件三维图 铜销移载部件作用是完成铜销上料。图3 32 ( a ) 是铜销移载部件三维图。 客户要求铜销初始形态是工人将之规律有序的排列在上料盒中。料盒有半圆槽可 以放铜销，同时可以存放1 0 排9 行= 9 0 个铜销。伺服电机m s m d 0 1 2 p 1 c 带动 丝杠副旋转使得移载手可以平移。 图332 ( b ) 移载机械手圈 移载机械手如图332 ( b ) 所示，升降气缸伸出使手部沿着升降直线导杆 弓 回 里 海人学碰士论文 下降，此时原张开的手爪处于铜销的两侧，抓手气缸伸出使手爪抱住铜销，接着 机械手将一排1 0 个铜销移载到接放部件的料槽内。当铜销移载机器人将料盒上 的铜销逐排移完后，按钮指示灯亮起，等待人工上料。 由人工将装满铜销的料盒放到供料位，料盒的位置由两侧和顶端的定位块确 定，确认料盒到位后按动按钮。铜销移栽机器人开始工作。伺服电机通过联轴器 带动滚珠丝杠旋转，丝杠螺母带动机械手沿着平移直线导轨从等待位平移到料盒 第一条料槽上方，升降气缸伸出使手部沿着升降直线导杆下降，此时原张开的手 爪处于铜销的两侧，手爪开合气缸伸出使手爪抱住铜销，接着机械手将铜销移载 到接放部件的料槽内。当铜销移载机器人将料盒上的铜销逐排移完后，按钮指示 灯亮起，等待人工上料。丝杠前后位微动开关起限位作用。 333 铜销接放部件机械设计 铜销接放部件的作用是接受铜销移载部件送到的一排铜销，逐个地送到铜 销冷冻部件的入口处。机械结构如图3 33 所示，主要由铜销料槽、盖板、盖板 气缸、翻转臂、翻转气缸、接放块、接放气缸、接送块、销送液氮气缸、油压缓 冲器、接近开关、光电开关等零件组成。 图3 33 铜销接放部件三维图 当铜销移载部件的机械爪手将一排铜销放到铜销料槽内井退到安全区，首先 盖板气缸将盖板盖上，翻转气缸带动翻转臂和铜销料槽( 水平状态) 翻转到竖立 状态，铜销靠自重的作用逐个进入到接放块上的铜销孔内。然后接放气缸伸出， 净 上海大学硕士论文 将接放块推到接送块上方，接放块上的铜销进落到接送块上的铜销孔内。最后销 送液氮气缸伸出，将接送块推到铜销冷冻部件的入口上方，铜销靠自重的作用进 入到液氮罐进行冷冻处理。油压缓冲器安装在翻转部分的两端，作用是使翻转气 缸带动翻转臂和铜销料槽翻转时动作平稳无冲击。接近开关安装在接送块接销位 的下面，以检测接放块送出的铜销是否到位，如料槽内一排铜销已经送完，则翻 转气缸带动翻转臂和铜销料槽返回，等待铜销移载机械爪手上料。光电开关是对 射式的，安装在接送块送销位的下面，以检测接送块送出铜销是否进入到液氮罐。 3 3 4 铜销冷冻部件机械设计 铜销冷冻部件作用是使铜销自动在液氮桶中完成冷冻预处理，并提出。液氮 低温环境下的铜销输冷冻部件包括铜销储转组件，铜销拨出组件。图3 3 4 ( a ) 铜 销输送组件总图中液氮罐盖以下部分都浸没在液氮中。铜销通过安装在液氮罐盖 上的铜销导套落入铜销储转组件，铜销储转组件可同时储存多个铜销并在必要的 冷冻时间后将铜销送至铜销拨出组件。铜销拨出组件将铜销拨至提斗处，由提斗 将其提出液氮罐。 上海大学硕士论文 1 不锈钢光轴2 铜销导套3 - 液氮罐盖4 两边的支承板5 一铜销6 储销转盘7 节放盘 8 拉杆9 导向键1 0 一上导向盘1 1 拨盘1 2 下导向盘1 3 提斗 图3 3 4 ( a ) 铜销输送机构总图 铜销储转组件如图3 3 4 ( b ) ：两边的支承板与液氮罐盖通过螺钉固连，8 个 节放盘通过螺钉与两边支承板固连。每两个节放盘之间放一个储销转盘，共8 个 储销转盘，不锈钢光轴通过螺钉与这8 个储销转盘固连，且不锈钢光轴与节放盘 之间空套。伺服电机通过行星减速器，零间隙十字联轴器与不锈钢光轴连接，提供 动力。这样电机可以同时带动8 个储销转盘一起转动，同时节放盘不动。共6 种节放盘，每个节放盘各有一个节放孔( 为使铜销落入下层节放盘) ，只是孔位置 不同，呈6 0 。六等分，节放盘依次从上至下固定安装于支承板。伺服电机带动不 锈钢光轴与8 个储销转盘，每6 0 。步进驱动。铜销通过安装在液氮罐盖上的铜销 导套落入节放盘，电机每转一步，一层节放盘落入一铜销，同时储销转盘拨出一个 铜销落入下一层，这样可以避免铜销之间发生碰撞损坏，且有足够的冷冻时间。前 4 层节放盘的节放孔呈逆时针排放，电机带动储销转盘顺时针步进旋转，所以一 层节放盘可同时放5 个铜销。后4 层节放盘的节放孔呈顺时针排放，所以一层节 放盘只能储存1 个铜销。这是为了合理安排冷冻时间及同时可冷冻铜销的数量， 是可以根据实际情况调整的。 销拨出组件如图3 3 4 ( c ) ：上导向盘，下导向盘与两边支承板通过螺钉固连 安装于支承板最底端。不锈钢光轴通过螺钉与拨盘固连，且与上下导向盘空套， 拨盘位置处于上下导向盘中间。铜销通过8 层节放盘后落入拨盘。由于上下导向 盘与不锈钢光轴空套的孑l 偏心，且上下导向盘有导向槽，可以使得拨盘转动时将 铜销安照导向槽方向拨出，落入提斗。拉杆一头与安装在支架上的气缸固连，由气 缸提供动力，另一头与提斗固连。提斗位置处于拨出机构拨出铜销的位置用以接 住铜销。导向键通过螺钉安装在支承板上起到对提斗的导向作用。通过气缸将提 斗及其中的铜销顺导向键提出液氮罐。 图3 3 4 ( d ) 为铜销输送工作流程图( 图中向下箭头为铜销输送方向，圆弧箭 头为储销转盘旋转方向) 。整个部件的材料选则要符合液氮低温环境的要求，与铜 销接触的零件节放盘，储销转盘，上下导向盘，拨盘材料均采用聚三氟氯乙烯， 电机，气缸安装在液氮外，不在液氮中使用弹簧，轴承等低温性能不确定零件。 上海大学硕士论文 图3 3 4 ( b ) 铜销储转组件图3 3 4 ( c ) 销拨出组件 3 3 5 铜销转接部件机械设计 图3 3 4 ( e ) 铜销输送工作流程图 铜销转接部件的作用是接受铜销冷冻部件取出的冷冻后的铜销，送到铜销到 位部件的料槽入口处。机械结构如图3 3 5 所示，主要由转接手、旋转臂、气缸、 直线导轨副、拉簧等零件组成。 当铜销冷冻部件的提斗将冷冻后的铜销从液氮罐中提出，气缸带动旋转臂和 转接手通过直线导轨副先旋转后伸出，使转接手接取提斗上的铜销，当提斗下降 时铜销就留在转接手上，然后气缸带动旋转臂和转接手通过直线导轨副先缩回后 旋转，铜销沿着转接手内的弯槽滚到铜销到位部件的料槽内，完成铜销转接部件 e 海学硕论文 作业。拉簧的作用是确保气缸伸缩时转接手先旋转后伸出、先缩回后旋转。 3 3 6 铜销到位部件机械设计 图3 35 铜销转接部件三维图 铜销到位部件的作用是接受铜销转接部件送到的冷冻后的铜销，并经方位认 向后将铜销推到装配位的挺柱体内。铜销到位部件分三个组件：铜销转动组件， 铜销压紧组件，铜销预定位组件，如图3 3 6 ( a ) 。 当挺柱体，滚轮到达装配工位，铜销到位部件工作。作业过程分三步：第一 步铜销认向，铜销转接部件将冷冻后的铜销送到辩槽入口，铜销沿着料槽滚到认 向