（机械电子工程专业论文）精品八音琴装配线头轮组件装配研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文对精品八音琴装配线主要进行了以下几个方面的研究； ( 1 )自动装配线研究现状及发展趋势 在这部分，笔者对近年来国内外自动化装配线的研究应用领域及技术创新等 方面进行了资料的收集和整理，在此基础上，介绍了国内外先进自动化装配技术 的研究现状和未来的发展趋势。 ( 2 ) 精品八音琴装配线整体布局分析 这部分内容主要是对精品八音琴的组成零部件进行分析，并提出有利于装配 盼合理性改造建议：并且从装配线的全局出发，对各种装配线布局形式进行分析 比较，然后根据选定的装配线布局形式进行装配工位的划分。 ( 3 ) 头轮组件装配工位机械部分设计 这部分内容是对头轮组件装配工位进行机械方面的设计，包括各个装配动作 的实现方法，机械手爪的设计，装配时间分析，装配精度误差计算及装配力的计 算和气缸的选型。 ( 4 ) 装配线控制系统规划及监控软件的设计 这部分内容主要包括两方面，一方面是整条装配线的控制系统规划和实现方 法，另一方面是头轮组件装配工位的控制系统设计，编写了此工位的控制程序， 并且试验性的研制了上位机的监控软件。 关键词：糟品八音琴；自动装配：装配线布局；控制规划 上海大学颈士学位论文 a b s t r a c t t h i si s s u em a i n l yc o n c e r n sa b o u tt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) r e s e a r c h i n gs i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do fa u t o m a t i o na s s e m b l yl i n e i nt h i sp a r t 。t h ea u t h o rc o l l e c t sm u c ho fd a t ea b o u ta u t o m a t i o n a s s e m b l y1 i n ei na p p i c a t i o na n dt e c h n i c a lc r e a t i o nf i e l d sf r o mc i v i l a n df o r e i g n ，t h e nc o m p i l et h e m i nt h i sb a s e ，i n t r o d u c ea d v a n c e d t e c h n o l o g yo fa u t o m a t i o na s s e m b l y1 i n e ( 2 ) a n a l y z et h ew h o l el a y o u to fa u t o m a t i o na s s e m b l yl i n ea b o u ti n g e n i o u s m u s i cb o x i nt h i sp a r t ，m a i n l ya n a l y s i sa 1 1t h ep a r t so ft h ei n g e n i o u sm u s i c b o x ，a tt h es a m et i m e ，p r e s e n t ，s o m er e b u i i d i n ga d v i c ew h i c hc a ni m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fa s s e m b le d1i n e ：a n a l y z ea n dc o m p a r ea l1k i n do f a s s e m b l yl i n e sl a y o u t ，t h e nc o m p a r t m e n t a l i z ew o r k i n gp o s i t i o n a c c o r d i n gt h el a y o u to fa u t o m a t i o na s s e m b l y1 i n e ，w h i c hw a sc h o s e n ( 3 ) t h ed e s i g no fg e a rc o m p o n e n t sa s s e m b l yi nm e c h a n i c a la s p e c t i nt h i sp a r t ，w em a k ead e s i g nt ot h eg e a rc o m p o n e n t sa s s e m b l yi n m e c h a n i c a la s p e c t ：t h ep e r f o r m i n gm e a n so fa 1 1a s s e m b l ya c t ，t h ed e s i g n o fm e c h a n i c a lh a n d s ，t h ea n a l y s i so fa s s e m b l yt i m e ，t h ec a l c u l a t i o n o fe r r o ra b o u ta s s e m b l yp r e c i s i o n ，t h ec a l c u l a t i o no f a s s e m b l y s t r e n g t h ，t h es e l e c t i o no fa i rc y l i n d e r ( 4 ) t h el a y o u to fa s s e m b l y1 i n ei nc o n t r o ls y s t e m ，t h ed e s i g no f s u r v e i l l a n c e a n dc o n t r o ls o f t w a r e t h e r ea r et w oa s p e c t si nt h i sp a r t f i r s t l yt h el a y o u to fa s s e m b l y 1 i n ei nc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h em e a n sh o wt oc a r r yi to u t s e c o n d l y t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mw h i c hc o n t r o lt h ea s s e m b l yw o r k i n gp o i s o n o ft h eg e a rc o m p o n e n t s ，a tt h es a m et i m e ，c o m p i l ec o n t r o l p r o g r a m k e yw o r d s ： i n g e n i o u sm u s i cb o x ，a u t o m a t i ca s s e m b l y ；l a y o u to fa s s e m b l yl i n e ：l a y o u t o fc o n t r o l ： 1 1 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蜀进日期基：三： 量 本论文使用授权说明 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) 日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来柔性装配系统已成为现代制造业发展的重要标志，对它研究和应用的 程度，在一定意义上，代表了一个国家的高科技和制造业水平。柔性装配系统近 年来取得了极大进展，据统计，用于装配、焊接及机械加工的机器人分别占34 5 、23 ，9 和l0 3 ，并且用于装配的机器人仍然以最快的速度增长。 机械装配是一个复杂的非结构化过程，它需要依靠感觉器官，来综合观察和 检测零件与部件的机械加工质量及配套情况，然后根据装配的最终技术要求，运 用人的智慧和装配知识来进行判断，做出决策，并采取适合于各种情况的装配工 艺措施，才能获得装配质量完好的机器。 在现代的机器生产中，装配工作占用的手工劳动量大，装配费用高，装配的 生产率低。许多产品的生产是大批量的，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值( 在机器制造也 中大约占2 0 ，在许多仪器生产中大于5 0 ) 致使产品零部件的装配成为生产 中的薄弱环节。 在产品的整个生产过程中，装配费用在整个生产成本中所占的比例可达2 5 - - 7 5 ，研究表明装配费用相对于整个生产成本的比例对于汽车发动机大约占 4 5 ，对于机床约占5 5 ，对于电子仪器大约占6 5 ，装配大约占整个生产时 间的2 0 - - 5 0 ，在机电产品产品领域里的装配工作量，占整个产品制造工作量 的2 0 7 0 。 产品成本的中心越来越从零件制造转移到零件装配，因为零件制造引入自动 化的规模比装配引入自动化的规模更大。这主要是由于装配过程复杂及所设计的 产品不适合于装配造成的，使装配成本很高。另外，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，在一些机电产品的生产企业，装 配工人数甚至超过机械加工工人的人数。即使在工业发达的国家，其装配工作的 自动化程度也远远落后于毛坯制造及切削加工的自动化程度。所以，实现机器装 配自动化，已成为提商整个机械制造系统的生产率、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。 考虑上述各方面的原因，现在许多企业都纷纷采用自动装配线来装配产品零 部件t 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。 目前，自动化装配技术在美国，日本和西欧等工业先进的国家的工业生产中 已得到广泛的应用，特别是在汽车，摩托车，电气等行业中应用最为广泛，装配 线上使用的机器人数量也在迅速的增加。 1 2 自动装配系统研究现状 装配系统是将两个以上零件( 或部件) 装配成产品的系统，观察系统中零件f 或 部件) 与产品( 或半成品) 形成的物流，可以确定自动装配系统的种类与特征。装配 上海大学硕士学位论文 系统的发展过程如下图所示。 甲甲甲甲甲甲甲 j o 一- o 一卜o + op o 。o 一o fa ) 传统装配系统 ( b ) 桑性装配系统 ( c ) 再有配送功能的桑性装配系统 图中( a ) 为传统装配系统，产品用传送带在装配工位问传递( 装配工位用记号 “o ”表示) ，每一工位通常装配一个零件，零件的供料装置设置在装配工位附 近，( 供料装置用记号“口”表示) ，零件通过振动料斗、料盒等装置送到装配工位， 自动装配机在装配工位串行装配作业。 进入8 0 年代，随着s i g m a 、p u m a 、s c 址h 等各种装配机器人的实用化， 装配系统的构成发生了变化，出现了如图中( b ) 所示的柔性装配系统。装配机器 人可以通过编程确定位姿，配合以适当的工具、夹具就可以在一个工位装数个零 件，图中( b ) 就是在一个工位装配4 个零件的实例。 上图( c ) 是除了具备传统的传送、供料、装配三要素之外，增加了一个自 动配送功能的新一代柔性装配系统，这类装配系统自动化程度更高，也更先进。 日本索尼公司开发的柔性装配系统s m a r t 系统就是这种柔性装配系 统，并且该系统具有很强的可重组性。 s m a r t 系统的实例图如下所示： 口以 上海大学硕士学位论文 s m a r t 系统由通用机器人装配单元s m a r t - c e l l 、通用供料装置a p o s 与通用托盘供给装置a t c ，以及分别用于传送产品和零件的两条独立传送带组 成。 机器人装配单元s m a r t - c e l l 是以l 台s c a r a 型装配机器人为中心 ( 如下图) 构成独立单元，机器人前方是产品传送带，后方是零件托盘传送带。 上悔大学硕士学也论文 这类柔性装配系统具有很大的柔性，据索尼公司统计，s m a r t 系统可装配铸 件、钣金件、弹簧、螺钉等，使机器人装配单元几乎能适应所有种类的捕密装配 工作。同时，更换产品重组系统所需投资可控制在系统初期开发投资的i5 以 下，如微型收录机( 随身听) 的柔性装配系统，更换产品时平均追加投资仅为 5 。 从1 9 8 6 年开始，德国工业部门参与欧洲国家合作解决装配生产问题的 e u r e k a 计划。这一计划的七个参与国家共同设计f a m o s ( 柔性自动装配) 方 案，从1 9 8 7 年起共完成了3 5 0 个系统的设计项目，波音公司、空中客车公司等 及阻前苏联的一些飞机工厂都有自己的f a s 在运行。德国空中客车公司 e i n s w a r o n 工厂的柔性壁板装配系统少占用生产面积8 0 0 0 平方米( 约减少 5 0 ) ，并大量节约了后继机型的工装投资，提高了空中客车系列飞机在国际上的 竞争力。 我国对自动化装配的研究起步较晚，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。 1 3 课题来源、选题目的和研究意义 1 3 1 课题的来源 宁波韵声( 集团) 股份有限公司，生产的八音琴系列产品有4 0 余种，目前 年产3 0 0 0 万只八音琴。目前为进一步提高产品质量，扩大生产规模，拓宽市场， 该企业在原有产品的基础上，根据市场需求，推出了新一代产品一豪华型八音琴， ，1 9 9 9 年以本课题为主，由上海大学机电一体化公司和宁波韵声( 集团) 股份 有限公司合作完成了期工程，目前，在此基础上，准备研制开发一条豪华型八 音琴自动装配线，我的课题正是来源于此工程。 1 3 2 选题目的和研究意义 机器的自动装配，即机器装配工艺过程的自动化，是机器制造系统自动化的 一个重要环节，研究和制订合理的装配工艺规程，采用有效的装配方法，对于保 证机器的装配精度，提高生产率和降低成本，都具有十分重要的意义。精品八音 琴装配属于小型、精密零件装配，在我国还处于探索阶段，所以本课题的研究对 精密机芯类小型零件的装配都具有一定的借鉴和应用意义。 1 4 论文的主要研究内容 我的课题题目是：精品八音琴装配线头轮组件装配研究。 本文主要对精品八音琴装配线进行了以下4 个方面的研究 ( 1 ) 自动装配线研究现状及发展趋势 ( 2 ) 精品八音琴装配线整体布局分析 ( 3 ) 头轮组件装配工位机械部分设计 ( 4 ) 装配线控制系统规划及监控软件的设计 ( 4 ) 装配线控制系统规划及监控软件的设计 上海大学硕士学位论文 第二章八音琴装配线整体布局分析 2 1 精品八音琴机芯零部件结构分析 2 1 1 精品八音琴机芯零、部件介绍 精品八音琴机芯零部件图和成品图如下所示： 精品八音琴零、部件 精品八音琴 上海大学颈士学位论文 精品八音琴机芯共由2 6 个零、部件组成，其中有零件2 1 个，部件5 个。 根据形状的特点可将零件分为以下三类： 第一类圆柱类零件：螺钉，头轮，条轴，支撑套，棘轮； 第二类层状零件：底板，拨叉，开口挡圈，音片： 第三类弹簧类零件：压簧，发条； 部件：止逆簧部件，发条盒部件，桥夹板部件，音筒部件，韶轮部件。 第一类和第二类零件装配时( 除了螺钉) ，主要是典型的轴孔配合，零件与 转轴之间均是间隙配合，间隙配合和螺纹连接是装配时的主要内容，当前的自动 化装配水平完全能解决这类问题： 第三类零件属于弹簧类零件，由于零件本身的特点，决定了它具有一定的弹 性，发条在抽取时由专门的抽发条机来完成，压簧装入时由专门设计的导向料槽 供料，使压簧由出料口出来时已经定向； 2 1 2 装配顺序的确定 装配时通常将机器分成若干个独立的装配单元，装配单元通常可划分为五个 等级，即零件、套件、组件、部件和机器。组件与套件的区别在于组件在以后的 装配中可拆，而套件在以后的装配中一般不再拆开，可作为一个零件参加装配。 ( a ) 蛆件 ( b ) 部伴 组件和部件装配单元系统示意图 机器装配系统示意图 装配过程是从基准零件开始，沿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 船曰 书j 脚 一n u u 巾坐蔫 芝特 一 靶舯 一n n u睁面 茳帅 一nuu卧面 棼锋 一墅 件二一 嚣 上海大学硕士学位论文 配。安排装配顺序的一般原则为。1 ：先下后上，先内后外，先难后易、先重大后 轻小，先精密后一般，示意图中排列的顺序就是装配的顺序。 根据组成的各个零部件的特点可知，所有的零部件都是以机芯的底板为基 础，分别安装在底板上，因此决定把机芯的底板作为装配时的基础件，该基础件 在装配过程中将其它需要装配在一起的零部件联接在一起。 精品八音琴机芯属于小型、精密仪器，在装配过程中，必要的工序需要加 油或检测，对不良品的剔除，因此在装配过程中要更全面的考虑，合理的分配工 序。 采用的装配顺序： 1 、底板；2 、头轮组件：3 、发条盒部件：4 、发条盒螺钉；5 、音简：6 、 音筒螺钉：7 、桥夹板部件；8 、发条：9 、拨叉：1 0 、卡簧：“、音片。 2 2 装配线各种布局形式的分析比较。1 装配线的线体类型即传送机构是总体设计的主体，它决定了装配线的布局， 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可分为回转式和直进式两种型式。 同步系统的工件传送随行夹具是与传送装置刚性联接的，非同步系统则没 有刚性联接。回转式或直进式布置的传送装置选择时应根据实际应用情况，如装 配零部件的数量，外形尺寸、装配或加工的方向、工位数以及装配机互相联接的 可能性等要求确定。 2 2 1 多工位回转传送布局 多工位回转传送 作台 如上图所示，以回转工作台为中心，各装配工位按照装配顺序分布于工作台 四周，装配机器人工作站和配料系统分布于工作台的四周，产品底板一次装夹于 工作台上，产品随工作台依次转到各个装配工位进行零部件的安装，旋转工作台 上海大学硕士学位论文 的动力系统由大功率电机驱动，循环一周即完成产品的装配，。 这种类型的传送机构多用于装配零件数量少、外形尺寸小、装配节拍短而装 配作业的精度要求高的情况下，它的装配方向和加工方向限制在垂直方向和由外 侧向心的水平方向，装配工位一般限制在1 6 2 4 个工位。 这种装配线布局的特点： 优点： 1 ) 上下料工位接近，工位相对集中，便于操作和现场工人的检查，易于排 除故障。 2 ) 不需要多次定位，装配精度依赖旋转工作台分度盘精度。 3 ) 不需要专门的节放定位装置。 缺点： 1 ) 当装配工位较多的时候，因为装配机器人和相应的配料系统都分布于工 作台的四周，所以这种多工位回转传送布局很集中，占地面积相对较大，对装配 空间有限制，不适合厂房的布置。 2 ) 这种传送机构属于同步输送，生产节拍受限于装配时间最长的工位，所 以生产效率不易提高。 3 ) 若一个装配工位出现故障，其它工位无法正常工作，不得不停产，所以 整个装配线的稳定性有一定的风险。 4 ) 现代产品的更新频率非常快，为了跟上市场需求的变化，要求现代装配 线系统具有很高的柔性、可重组性，以适合将来新装配线的改造，从这个角度来 考虑，这种装配线体的布局，不适合将来的改造。 2 2 2 单列直线型传送布局 z ac 单列直线型传送布局 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 上海大学硕士学位论文 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 过它们之问的摩擦传送，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。 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。 2 2 3 双列直线型传送布局 产品机器人装配线 双列直线型传送布局 如上图所示，双列直线型传送布局是由单列直线型布局改进而来，不同之处 是这种布局不需要上下双层，随行夹具在整个装配过程中始终处于同一平面上， 但在装配线的两端需要专门的移栽机器人对随行夹具在两条线上移动，这样改造 后，使装配线的占地面积变小，呈长方形，增加两个移栽机器手，省去了随行夹 具上升和下降两个工位，而每条线采用的仍然是双带异步输送，装配机器人和给 料系统布置在装配线的外侧，装配方向可以为上下和外侧方向，随行夹具在停止 点需要节放装置。 上海大学硕士学位论文 这种装配线布局的特点： 优点： 1 ) 这种布局避免了输送线过长，宽度增加，占地呈长方形，而且各工位相 对较集中，便于现场操作人员监视工作运行情况。 2 ) 在装配线运行时，随行夹具始终出于利用状态提高了随行夹具的利用 效率。 3 ) 装配工位可以随意增加，装配方向比较自由，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，可以方便地布置手工操作点。 4 ) 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。 5 ) 这种装配线布局，同样适合做成模块化，当开发出新产品时，容易对其 进行重组，扩展和再改造性强，更具有柔性，更适合现代装配线的要求。 缺点； 1 ) 需要增加两个移栽机器手。 2 ) 在随行夹具停止点需要节放装置。 对以上三种装配线布局的分析比较： 淤乏 多工位回转布局单列直线型布局双列直线型布局 布局占地形状方形直线型长方形 随行夹具无有有 随行夹具利用率不高高 装配线结构紧凑庞大紧凑简单 输送方式同步输送异步输送异步输送 节放装置无有有 定位方式旋转工作台定位随行夹具定位随行夹具定位 柔性化程度不高 高 r 可 成本一般高低 根据以上的分析比较，结合精品八音琴机芯零部件的结构特点和工作现场的 实际情况，决定采用第三种线体形式一双列直线型布局，这种布局随行夹具利用 率高，可降低成本，并且结构简单，适合现场的厂房条件。 2 3 装配线总体布局方案的确定 精品八音琴自动装配线采用双列直线型布局，布局图如下所示 ( ) 随行夹 上海大学硕士学位论文 装配线布局 2 3 1 工位的划分 在选定了装配线线体布局的基础上，应根据精品八音琴机芯零部件的结构 特点和采用的装配顺序，对其进行工位的划分，合理的布置各工位在整条装配线 上的位置，优化装配顺序，提高装配效率。 这条装配线的布局如上图所示，整条装配线共划分为2 1 个工位，顺序如下： 随行夹具换向工位一底板上料工位一头轮装配工位一加油工位一发条盒装配工 位一发条盒固定工位一音简装配工位一音简固定工位一移线工位一随行夹具换 向工位一桥夹板装配工位一桥夹板紧固工位一抽发条工位一拨叉装配工位一卡 簧装配工位一音片装配工位一音片连接工位一检测工位一不良品剔除工位一成 品下线工位一随行夹具移线工位。 2 3 2 自动装配过程中的关键技术“ ( 1 ) 各装配工位工作台 装配工位工作台是用于进行装配操作的区域，它的面积应足够用于操作零件 和部件，工作台区域还应包含全部导向定位、夹紧和处理工具。此装配线的传送 装置采用的是双带异步输送方式，随行夹具在输送带上按装配顺序输送到各个装 配工位，到达每个装配工位时，由检测控制系统启动节放装置，对随行夹具进行 定位，定位机构由平面定位副和圆柱定位副来实现，使随行夹具停止在待装配工 位上，之后由气缸向上项起，使随行夹具和输送带分离，随行夹具和上挡板夹紧， 再由机器手装配待装零部件，装配完成后，气缸收回，使随行夹具下落至输送带 上，依靠它们之间的摩擦力输送到下一个装配工位。为提高生产效率，根据不同 的零件特点，在相应的装配工位上，需要同时装配多个零件，此时，这时工作台 的尺寸要适应供料装置的尺寸。 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 零件贮存器和给料机构 自动装配线的贮存器是适应各种零件形状的料仓，它可以储存大量的件料， 并使件料在进行装配前具有准确的方向和位置。 给料机构是用于零件的提供和定位，零件向工位运送有五种基本方式： 零件可以放在料斗里或成堆成垛，人力操作者可以在需要的时候随时取 到； 可从大批存放件料的料斗中捡出，一次提供一件： 可用传送带来传送给自动装配系统或人力操作系统； 可在工位上根据需求制造出来： 可以通过料仓、振动式进料器或进料盘自动提供； ( 3 ) 擒纵移置机构”3 擒纵机构是根据零件的结构特点，选择合适的抓取位置，取放零件，移置机 构的作用是将经过定向、分离、定位准确的零件，传递到预定工位或从随行夹具 上卸下装配成品进行位置变换的装置，同时移置机构还应该处于控制计算机的实 时控制之下，控制计算机随时知道参与工作的各工位的空位情况。 精品八音琴自动装配线采用的是双列直线型布局，这种布局形式，在装配线 的两端需要由专门的移置机构来完成随行夹具的移载，机构工作时的运动轨迹如 下图所示： 运动轨迹 ( 4 ) 装配工作头机构 在装配过程中，末端执行器即装配工作头是直接和装配零件接触的机构，所 以，它的设计应完全针对装配零件的结构特点而设计。精品八音琴的组成零件中， 螺钉共有1 1 枚，占很大一部分，所以螺钉的装配是一个重点，这里选用自动拧 螺钉机进行装配，它由自带的螺钉理料器进行理料，根据装配的需要，可以选用 或自行设计进行多枚螺钉同时装配的末端执行机构以完成装配。其它零部件的装 配，多采用移栽机或回转手臂，末端连接自行设计的机械手爪完成装配，根据不 同的零部件而各不相同。 ( 5 ) 检测技术 自动检测系统的作用是检查己装配完的上道工序的装配质量，对不合格的装 配件发出剔除指令。 上海大学硕士学位论文 精品八音琴自动装配线的检测内容包括： 周转料盒中装配件是否就位的自动检测。 装配机器人夹持动作的检测。 装配件是否正确装入的自动检测。 螺纹连接件的紧固力矩值和拧入深度的自动检测。 各齿轮啮合的检测、搭音片工位对音片的自动检测。 此条装配线属于小型、精密仪器的装配，在国内还处于探索研制阶段。另外， 精品八音琴机芯组成的零部件较多，且各个零部件结构特点差别很大，所以不同 的装配工位涉及的关键技术也不尽相同，下面，对各个装配工位逐个详细说明： 第一个工位：随行夹具换向工位 在整个装配过程中，通过分析，应始终保证底板发条盒一侧向外，这样也决 定了随行夹具在装配线上传送时是由一定方向的，而不是随意的，由于整条线的 布局是双列型，这样就决定了八音琴在两条装配线之间必须移动，而使用移栽机 进行移栽时，随行夹具的方向不会改变，因此，这个工位的作用就是把随行夹具 旋转1 8 0 度之后再重新上线，在另一端也有一个随行夹具换向工位，和此工位的 原理和作用完全相同。在调试时，可以由此工位放入随行夹具，此时，不需旋转， 只要保证方向正确就可以，在正常运行时，随行夹具在装配线上循环传送，实现 各个工位的装配。 第二个工位：底板上料工位 从成品图上可以看出，精品八音琴机芯成品的装配过程实际上就是将各个零 部件依次装配到底板上，所有应该把底板作为一个基础件，另外从底板的零件图 上也可以知道，底板呈长方形，比较平整，所以底板的外形也很符合作为基础件 的条件。把底板作为以后装配过程的基础件，就决定了随行夹具的形状，这个工 位摆板就是要把底板摆放在随行夹具上，另外整个八音琴机芯除了头轮组件外， 其它零部件的表面都渡有一层金属，所以在零件储存和供给的时候要保证零部件 表面不损坏，就应避免震动和相互碰撞，这样就决定了底板的贮存器使用专门的 料盒，在给料机构的五种基本形式中，振动式进料器和料斗进料的方式均不符合 要求，而第四种在工位上根据需求制造出来不符合实际情况，所以采用第三种方 式。这样，这个工位完成的工作就是使用移栽机器人将底板摆放在装配线上的随 行夹具上。 第三个工位：头轮组件的安装。 。 根据装配原则应先安装难的、结构复杂的，先安装组件，再安装零部件，头 轮组件是由三个零件组成，装配过程比较复杂，所以头轮组件的安装应该靠前， 另外组成头轮组件的三个零件表面没有渡金属，所以可以采用振动式料斗给料， 通过支装配线来完成头轮组件的安装( 这个工位的详细设计是本文作者课题的一 重要部分，在后面有详细介绍) 。 第四个工位：涂白油。 头轮组件是发条动力的输出装置，发条带动头轮转动，头轮的外齿轮和音筒 一侧的齿轮啮合来实现动力的传递，为了齿轮与齿轮之间传动顺畅，不出现卡死 现象，必须在头轮组件安装完之后，在头轮盼圆锥齿轮上涂白油，保证齿轮润滑 在此工位使用注油机器向头轮外齿轮加油。 上海大学硕士学位论文 第五个工位：发条盒部件安装。 此工位要安装一个发条盒部件，安装要求是将发条盒部件对准盖入在底板上 的两个定位柱中，发条盒部件表面也渡有一层金属，所以使用料盒存放，由移栽 机完成安装。 第六个工位：上螺钉 发条盒放置在定位柱上之后，接下来需要对其进行紧固，螺钉由螺丝理料器 存储和供料，螺钉的拧紧由自动拧螺丝机拧入，此工位要完成的工作是拧入两枚 螺钉。 第七个工位；装音筒。 音筒的装配很复杂，这个装配工位涉及3 个零件和2 个部件的安装，分别为 棘轮，卡簧，支承套，龆轮部件和音筒部件。音筒，支承套，龆轮部件的表面渡 有金属，需要由料盒贮存和供料，卡簧可以由振动料斗供料，由于此工位装配的 零部件较多，所以采用支装配线以实现装配( 此工位的详细设计由丁爱东完成， 这里不在详细说明) 。 第八个工位：上螺钉 在音筒装配好之后，需要在支承套的上面拧入一枚螺钉，用以固定音筒，螺 钉由螺丝理料器存储和供料，螺钉的拧入由自动拧螺丝机拧入。 第九个工位：移线工位 使用移栽机，将随行夹具和已装配的精品八音琴一起移至另一条装配线上。 第十个工位：随行夹具换向工位 和第一个工位相同。 第十一个工位：桥夹板部件的安装 桥夹板部件是用来平衡音筒的转速，表面渡有金属，需要料盒进行贮存和供 料，由移栽机完成安装。 第十二个工位：上螺钉 在桥夹板的两个定位孔中拧入两枚螺钉，螺钉由螺丝理料器贮存和供料，通 过自动拧螺丝机拧入螺钉。 第十三个工位：抽发条 发条是整个八音琴机芯的动力源，发条属于薄片类零件，且比较长，具有一 定的柔性，虽然表面没有渡金属，也同样不适合使用料斗供料，这里采用发条料 盒存放和供料，由抽发条机完成此工位的工作。 第十四个工位；上拨叉 这个零件用来确定头轮组件条轴的位置，零件比较小，表面渡有金属，由料 盒存放和供料。 第十五个工位：卡卡簧 卡簧用来锁紧上一工位装配的拨叉，这个零件表面没有渡金属，可以由理料 器供料。此零件属于簧片类零件，很薄、具有一定的弹性，需要设计专门的装配 机构将其推入条轴的卡簧槽中。 第十六个工位；搭音片 音片和音筒配合的一侧为针形，所以同样采用料盒存放和供料，将音片放在 底板凸台上。 第十七个工位：音片连接 由螺丝理料器贮存和供料，自动拧螺丝机将六枚螺钉拧入音片上，将音片紧 固。 上海大学硕士学位论文 第十八个工位：检测 将音片与音筒上的各音齿对齐，控制弹起高度，使得音片弹奏出正确、悦耳 的音乐来。 第十九个工位：不良品剔除 将不合格产品剔除。 第二十个工位：成品下线 将装配好的精品八音琴移至另外一条传输线上，进行后面的装箱。 第二十一个工位：移线工位 用移栽机将随行夹具移至另一条装配线，准备进入下一个循环的装配。 2 4 小结 在这一章里，首先对精品八音琴的组成零部件进行了分类，然后从精品八音 琴装配线的全局出发，对装配线的各种装配布局形式进行了分析比较，最后选定 了双列直线型布局，在此基础上，进行工位的划分，并对涉及的关键技术集中进 行了分析。 上海大学硕士学位论文 第三章头轮组件装配工位机械部分设计 3 1 头轮组件装配的关键技术 3 1 1 待装配零件介绍 本工位的任务是完成一个组件的装配，待装配的组件为头轮组件，头轮组件 是由头轮，止逆簧和条轴三部分组成。 第一个装配零件头轮的剖视图： 头轮内部一周有4 5 个齿，齿槽形状如下图所示： 。k 弋 f 第二个装配零件为止逆簧，如下图所示 瀚 蜷 止逆簧是由两个零件镶嵌在一起的，上图中l 所指的即为止逆簧嵌件，它的 材料为0 8 f ，它镶嵌在止逆簧的内侧，并且贴在条形空内侧。它的作用是和条轴 配合，并且利用它折弯后形成的倒角，更有利于条轴的压入，2 为本体部分，它 的材料是聚四氟乙烯。在装配过程中是把两个零件合成后作为一个整体装配的， 并且在装配过程中止逆簧嵌件对装配没有影响。 上海大学硕士学位论文 第三个装配零件是条轴，材料为q 2 3 5 ，结构如下图所示 三个零件要达到的装配状态为： 最后再将装配好的头轮组件整体插入底板的安装孔上，如下图所示： t 每 艇麓矗霰 3 1 2 头轮组件装配方案的确定 头轮组件装配涉及三个零件，四个装配步骤，如果使用机器人一个一个零件 进行安装，会导致这个工位花费时间过长，影响整条线的同步性，所以决定采用 支装配线完成头轮组件的装配，实现布局图如下所示： 肃羽川丽山：bf 上海大学碗士学位论文 图3 1 头轮装配工位布局图 差蛙运行方自 根据头轮组件的结构特点，采用的装配顺序为：头轮止逆簧二合一装配一 条轴插入一条轴扶正一头轮组件上线。 按照装配顺序，划分四个装配工位，分别为：头轮止逆簧二合一；条轴插入； 条轴扶正；头轮组件上线。 3 13 支装配线各工位装配实现分析 支装配线第一个装配工位：头轮止逆簧二合一 装配对，由头轮和止逆簧两个料斗分别供料，根据这两个零件的结构特点， 决定了料斗出料口的空间布置为，头轮到达的指定位置在止逆簧的指定位置的正 上方，这样，在下面由一个上推的气缸4 1 ，将止逆簧通过一段上升料道压入头轮 中，压入示意图如下： tt 装配酊 上海大学硕士学位论文 装配实现后如下图( 全剖) 所示： ；里 0 i 筻_ 【7 葡二| i 二磊婶 【。3 “7 i l 。= k 鸯l 、| 装配后 头轮止逆簧装配实现机械图如下： 剥喾艘 d 、蓦醛强碍r 图3 - 2 头轮止逆簧装配图 装配过程中，由头轮分离气缸斜向推进，将头轮固定在指定位置，之后由 上推气缸将止逆簧沿着料道推进，直至实现装配( 装配过程的精度分析在后面详 细介绍) ，装配实现后由推进气缸推动头轮止逆簧部件至下一个装配工位。 支装配线第二个装配工位：条轴插入 这个工位的装配任务是将条轴插入头轮孔内，装配过程如下 条轴 上海大学硕士学位论文 头轮和止逆簧装配件 i j 装配过程为机械手爪抓紧条轴，插入头轮孔中，装配实现后的图如下： 条轴插入实现机械图 图3 - 3 条轴装配图 川一鼎斟v 上海大学硕士学位论文 此工位由一个升降气缸和一个回转气缸组合构成一个回转手臂，它从条轴理 料器中取出条轴，回转1 8 0 度后，通过升降气缸的升降运动，将条轴插入头轮的 孔内，以实现装配，装配完成后由推进气缸，将装配好的部件推至下一个装配工 位，此工位装配精度在后面有介绍。 支装配线第三个装配工位：条轴扶正 此工位的装配任务是将条轴压入止逆簧的条形孔内。 装配过程如下 ll k _ i 投矧歧删n l 可r 装配前 装配实现过程机械图： 装配后 幽3 _ 4 条轴扶正图 装配过程是：首先将头轮组件固定，以实现定位，扶正气缸从上面压条轴顶 部，侧面使用微型电机带动摩擦轮使头轮旋转，当条轴和头轮到达相对配合位置 时，即可实现装配，装配完成后由推进气缸将头轮组件推至下一个装配工位。 此工位的装配，头轮组件的定位很重要，当摩擦轮旋转时，会对头轮产生一 个推力，如果头轮组件不固定，上面的扶正气缸就会和条轴不同心，无法压入条 轴。所以，在此有必要对此工位的定位系统进行一下介绍。 上海大学硕士学位论文 下图为定位系统的放大图： 定位放大图 从第二个工位至第四个工位，有条轴装入，条轴装入后，会超出头轮一截， 所以要求料道的中间必须有5 5 m m 宽的槽，这样，条轴超出的部分可以在料道 槽中运行，保证头轮的平稳，当头轮组件运行到图中所示头轮位置时，定位气缸 伸出，定位气缸前面的连接块和料道的转弯处会形成一个直径为5 5 m r n 的定位 孔，这样，可以把条轴定位，但不要加紧，当条轴压入后，定位气缸退回，由推 进气缸推动头轮组件沿料道运动至下一个装配工位。 支装配线第四个装配工位：头轮组件上线。 此工位的任务是将装配好的头轮组件使用回转手臂安装在底板上，至此，完 成头轮组件的全部装配。 装配完成状态图如下： 划旦k 女。 尘 _ i | 虞萨壬号三三三蚴 剖i 鹫翻 装配实现过程机械图： 上海大学硕士学位论文 图3 - 5 头轮组件上线 此工位也是由一个升降气缸和一个回转气缸组成一个回转机构，通过气动手 指将在支装配线上完成装配的头轮组件，回转1 8 0 度后，通过升降气缸垂直运动， 将头轮装入底板的安装孔内。 主装配线上，底板和随行夹具之间由两个定位销连接，使它们作为一个整体 在主装配线上运动，所以底板定位时只要随行夹具满足定位精度，就可保证底板 的准确位置。主装配线上底板的定位是通过在主装配线上布置的传感器，检测底 板在传输线上的位置，当底板和随行夹具到达指定位置时，止档块弹起，使随行 夹具停靠在止档块上，之后，定位气缸上升，推动随行夹具向上运动，这样，定 位气缸和止档块就可以将随行夹具夹紧，使随行夹具准确定位( 精度计算在后面 有详细介绍) ，即可保证后面的装配顺利完成。 至此，头轮的装配全部实现。 3 2 机械手爪的设计 在支装配线的装配过程中，有两个工位使用了回转手臂，在回转手臂末端连 接有气动手指，气动手指上安装机械手爪，通过机械手爪抓取零件，所以机械手 瓜需要根据零件的特点自行设计。 3 2 1 机械手爪的设计 第二个装配工位( 条轴插入) 机械手爪设计“1 ： 手爪的抓取部位设计成菱形，这样手爪抓取条轴产生微量偏差时手爪会自动 调整，使条轴和手爪的中心尽量对齐，满足装配精度。另外，当条轴从理料器出 来时，条轴与条轴之间的间隙很小，这就要求手爪抓取条轴时不能碰到后面的条 轴，所以把手爪的抓取菱形部位设计在手爪的前端来满足抓取条件的限制。 手爪结构简图如下： 上海大学硕士学位论文 手爪夹持位置： 。 人、 令 人厶 q 7 ”、7 、上 第四个装配工位( 组件上线) 机械手爪设计： 此手爪抓取部位同样设计成菱形，有利于零件的抓取，不同的是菱形位置在 手爪的中间，是因为此工位条轴与条轴之间的间隔很大，手爪在抓取组件时不会 和后面的组件产生干涉，所以将菱形位置设计在了手爪的中间，此工位和第二个 工位机械手爪在条轴上的抓取位置是相同的，如图所示。 手爪夹持位置： 崩囫 2 4 圭塑查兰塑主兰垡丝苎 一 一一 3 2 2 气动手指的选型 由于两个手爪抓取零件的位置实际上是同一个位置，参考s m c 气动元件选 型手册，以上两个工位选用同一型号的气动手指。 气动手指型号为：m h z 2 - 6 d i - f 9 p v 。 气动手指参数如下“ m h z 系列，2 代表两个手指，6 指缸径是6 m m ，d 是双作用，l 代表是侧面螺 空安装。f 9 p v 是传感器型号，使用两个传感器。使用压力范围o 1 5 - - 0 7 m p a ； 重复精度o o lm i l l ；夹持力n ( 每个手指夹持力的有效值) ，外径夹持力为3 3 n ， 内径夹持力为6 1 n ，我们使用的是内径夹持力；开闭行程为4 m m ；质量为2 7 9 。 气动手指的其他安装形式介绍如下： 基本型：无记号。 l ：侧面螺孔安装。2 ：开闭方向通孔安装。3 ：扁平手指 型。 脚姆隅脚 3 3 装配时间分析“1 2 3 装配时间分析对整条装配线的动作一致性、协调性以及产品的生产节拍和生 产效率都具有决定性的影响，从中可以看出工位划分得是否合理，气缸选型是否 得当等等。因此，在进行装配线研制时，装配时间是应该重点考虑的。在这里， 主要对头轮支装配线的每一个装配工位进行装配时间分柝，对其中不合理的地方 进行再设计，对支装配线动作优化，保证整体动作的协调性。 装配时间的分析计算可以按照下式进行： 舻乎 上海大学硕士学位论文 完成某单独工序的持续时间为：t i = t t + t 。+ t v ( 3 - - 1 ) 式中t t 一一完成工序所必须的操作时间： h - - 一空行程时间( 辅助运动) ： t y - - 一系统自动化元件消耗的时间； 同步循环时间：t x = t i ，。+ t 。 ( 3 2 ) 己一：单个工序的最大持续时间： t 。：辅助时间； 3 3 1 第一个装配工位( 头轮止逆簧装配) 装配时间分析 此装配工位有4 个气缸，气缸型号均为：c d u 】q 0 4 0 f 9 b l ，活塞速度： 5 0 5 0 0 m m