（机械设计及理论专业论文）汽车车锁锁芯自动装配系统的研制开发.pdf

汽车车锁锁芯自动装配系统的研制开发 摘要 装配是机电产品制造过程的一个重要环节，实现装配自动化( a s s e m u ra u t o m a t i o n ) 对于提高生产效率、降低成本、保证产品质量，特别对减轻劳动强度或取代特殊条件 下的人工装配具有重要意义。同时，实现装配自动化是生产过程自动化或工厂自动化 1 a ) 的重要标志，也是系统工程学在机械制造领域里实施的重要内容。为适应市场对 产品需求的动态变化，并保证产品质量的一致性，装配自动化、柔性化必将是生产过 程全盘自动化的下一个战略目标。 本文介绍的汽车车锁锁芯自动装配系统是一台自动化装配设备。汽车车锁是汽车 必要的配件，目前国内汽车车锁锁芯的装配方式主要是手工装配，手工装配的生产效 率低，劳动强度大，成本高。为了改变手工装配汽车车锁锁芯这种落后的方式，适应 我国汽车产品数量高速发展的需要，在我国劳动力成本逐渐增加的情况下，受某汽车 车锁生产企业的委托，自主研制了汽车车锁锁芯自动装配系统，并将之用于实际生产 中，提高了锁芯装配效率，降低了生产成本。 汽车车锁锁芯自动装配系统功能是在测定钥匙齿形码后，对汽车车锁锁芯自动进 行叶簧组入和叶片组入。系统包括测号站、夹具站、叶簧站和叶片站四个部分。论文 详细讨论了测号站、夹具站、叶簧站和叶片站的功能原理和设计过程。在设计过程中 对各站用三维建模软件s o l i d w o r k s 进行建模，并模拟各站之间的装配关系。汽车车锁 锁芯自动装配系统研制完成后，通过大量的实验，对其进行了故障模式影响分析 ( f m e a ) ，保证了系统的可靠性。 关键词：自动装配系统测号站夹具站叶簧站叶片站f m e a t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn i la u t o m a t i c a s s e m b l ys y s t e m f o ra u t o m o b i l el o c kc o r e s a b s t r a c t t h ea s s e m b l yi sa ni m p o r t a n tl i n ko ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s si nm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a lp r o d u c t s i ti so fv i t a ls i g n i f i c a n c ef o rt h er e a l i z a t i o no fa s s e m b l y a u t o m a t i o n ( a s s e m b l ya u t o m a t i o n ) t oe n h a n c ep r o d u c t i o ne 伍c i e n c y , r e d u c ec o s t ， g u a r a n t e ep r o d u c tq u a l i t y , e s p e c i a l l y ，t or e d u c el a b o ri n t e n s i t yo rt or e p l a c em a n u a l l a b o ru n d e rs o m ec e r t a i nc o n d i t i o n s s i m u l t a n e o u s l y ，t h er e a l i z a t i o no fa s s e m b l y a u t o m a t i o ni sa ni m p o r t a n ts i g no fp r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i o no rt h ef a c t o r y a u t o m a t i o n ( f a ) ，a n di ti sa l s oa ni m p o r t a n tp r a c t i c a lc o n t e n to ft h es y s t e m e n g i n e e r i n gi nt h ef i e l do fm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g i no r d e rt oa d a p tt ot h e d y n a m i cc h a n g ew h i c hp r o d u c t sc h a n g ea sm a r k e t ，a n dt og u a r a n t e et h eq u a l i t y u n i f o r m i t yo ft h ep r o d u c t s ，t h ea s s e m b l ya u t o m a t i o na n dt h ef l e x i b i l i t y w i l l c e r t a i n l yb en e x ts t r a t e g i ct a r g e ti nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s i t i sa na s s e m b l ye q u i p m e n to fa u t o m a t i o nt h a ta u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e mo fl o c k c o r e sf o ra u t o m o b i l el o e k si n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea u t o m o b i l el o c k sa r e e s s e n t i a lf i t t i n g so fa u t o m o b i l e s of a r t h ea s s e m b l yo ft h ea u t o m o b i l el o c k si s t a x i e do u tb ym a n u a ll a b o r , b u ti t se f f i c a c yi sl o w , l a b o ri n t e n s i t yi sh u g e ，c o s ti s h i g h i no r d e rt oc h a n g et h i sb a c k w a r dw a yo fa s s e m b l i n gt h ea u t o m o b i l el o c k sb y m a n u a ll a b o ra n dt om e e tt h en e e do fa u t o m o b i l eq u a n t i t yd e v e l o p i n gr a p i d l yi no u r c o u n t r y , w eh a v ed e v e l o p e da u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e mo fl o c kc o r e sf o ra u t o m o b i l e l o c k sf o rac o m p a n yw h i c hp r o d u c e sa u t o m o b i l el o c k sb e c a u s et h ec o s to fm a n u a l l a b o rb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r b yu s i n gt h es y s t e mi np r a c t i c e ，t h ea s s e m b l y e f f i c i e n c yo fl o c kc o r e si se n h a n c e d a n dp r o d u c t i o nc o s t sa r er e d u c e d t h em a i nf u n c t i o n so ft h es y s t e ma r et oa s s e m b l ys p r i n g sa n db l a d e su s i n gi nl o c k c o r e so fa u t o m o b i l e sa f t e rt h ec o d e so fk e y sw h i c ha r ei na c c o r d a n c ew i t hb l a d e s a r em e a s u r e d t h ed e v e l o p e ds y s t e mi n c l u d e s f o u rp a r t s ，n a m e l y , t h ec e n t r eo f m e a s u r i n gt h ec o d e so fk e y s ，t h ec e n t r eo ff i x t u r e s ，t h ec e n t r eo fa s s e m b l i n gs p r i n g s ， t h ec e n t r eo fa s s e m b l i n gb l a d e s t h ep r i n c i p l e sa n dd e s i g n i n gp r o c e s s e so ft h ef o u r p a r t sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l si nt h ed i s s e r t a t i o n t h e i rs o l i dm o d e l so ft h r e e d i m e n s i o n sa r eb u i l ti nt h ed e s i g n i n gp r o c e s s e sa n dt h ea s s e m b l i n gr e l a t i o n sa r e i m i t a t e d b yu s i n gt h em o d e l i n gs o f t w a r eo fs o l i d w o r k s a f t e rt h es y s t e mi s d e v e l o p e d ，f a u l tm o d ee f f e c ta n a l y s i s ( f m e a ) i sa n a l y z e dt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mb yag r e a td e a lo f e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：a u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m ；k e yc o d ec e n t r e ；f i x t u r ec e n t r e ：s p r i n g c e n t t e ；b l a d ec e n t r e ；f m e a 图表清单 图1 1 采用机械方法的装配装置 图1 2 采用预调顺序控制器的装配装置 图1 - 3 采用可编程操作控制器的自动装配装置 图2 一l 系统实体模型图 图2 2 装配工艺流程图 图2 3 控制部分简单示意图 图2 - 4 工作站布置图 图2 5 工作站实体模型图 图3 1 测号站实体模型图 图3 2 测号站动作流程图 图3 3 测号站布置图 图3 - 4 测号夹具组成部分内的关系图 图3 5 测号夹具定位图 图3 - 6 测号夹具模型图 图3 7 钥匙夹紧原理图。 18 1 9 1 9 图3 8 测号站同步带传动原理图2 0 图3 - 9 同步带传动实体模型图2 1 图3 1 0 运动联结实体模型图 图4 1 夹具站及主要装配夹具示意图 图4 2 直线运动平台的动作流程图 。2 2 ：1 5 。2 5 图4 3 锁芯实体模型图2 5 图4 4 锁芯定位夹具模型图2 6 图4 5 锁芯定位原理图2 6 图4 - 6q s 和j k 系列锁芯装配尺寸关系图2 7 图4 7 锁芯夹紧原理图2 8 图4 8 锁芯正反检测及锁芯取出夹具图2 5 图4 - 9 叶簧组入夹具模型图2 9 图4 - 1 0 叶簧孔结构图。2 9 图4 1 1 叶簧检测夹具模型图3 0 图4 1 2 叶簧检测铜棒示意图3 0 图4 1 3 叶片组入夹具模型图3 1 图4 1 4 叶片组入夹具内部结构原理图3 l 图4 - 1 5 压叶片夹具图3 2 图4 1 6 锁芯旋转夹具模型图3 2 图4 1 7 叶簧组入时圆柱面配合相对位置图3 3 图4 一1 8 锁芯定位夹具和叶簧组入夹具同心调整图3 4 图4 1 9 叶簧组入夹具叶簧导向孔加工误差图3 4 图4 2 0 叶片组入时圆柱面配合相对位置图3 5 图5 1 叶簧供料状态图3 7 图5 2 叶簧箱原理图3 7 图5 3 叶簧箱结构图3 8 图5 - 4 叶簧箱模型图3 8 9 n n ”h m ：2 墙 图5 5 锁芯辅助夹头模型图3 9 图5 - 6 叶簧分离组入原理图4 0 图5 7 叶簧分离实体模型图4 1 图5 8 叶簧组入变化过程图4 l 图5 - 9 叶簧检测原理图4 2 图5 1 0 叶簧分离组入结构图4 3 图5 1 1 叶簧分离组入机构模型图4 4 图6 1q s 系列叶片外形示意图4 6 图6 2q s 系列1 号叶片备料示意图4 7 图6 3 叶片选取输送机构原理示意图4 7 图6 - 4 叶片滑动状态示意图4 7 图6 5l 号叶片选取输送滑块位置变化过程示意图4 8 图6 - 6 滑道结构及运动示意图4 9 图6 7 叶片选取输送机构结构图5 0 图6 8 预入盒动作流程图5 1 图6 - 9 预入盒同步带传动原理图 图6 1 0 预入盒结构图 图6 1 1 叶片站模型图 表3 - 1 q s 系列和j k 系列对比表。 表5 1 叶簧尺寸对比。 表6 1 关键尺寸( 蚴) 表6 2 凸轮运动分析。 表6 3 轮廓设计一 表7 - 1 叶簧部分 表7 ，2 叶片部分 表7 3 测齿号部分 ! i ：! ! ；5 ! ；6 1 6 3 6 ! ；3 ，5 4 5 4 1 0 5 9 6 l 6 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的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谢意。 学位论文作者签字：诗啦超 签字日期：2 0 0 72 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒目b 王些盘 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：陪担二过 导师签名： 签字日期：2 0 0 7 年j 2 月门日签字日期：2 0 0 7 年，瑚7 日 嚣差翳褴赫强伤有眩么司工作单位：安徽d ；蛳i 强1 刀币眩么习 通讯地址：鹰r 颦j 哥浚，哮j 7 i ； 3 电话：b 萝o ，如象抽 邮编：刀o2 2 贸予 砂 李 致谢 本文是在导师董玉革教授的精心指导下完成的。在读研期间，导师对我的 学习及论文工作倾注了大量的心血，在生活上给予了无微不至的关怀。导师严 谨的治学态度、求实创新的开拓精神，诲人不倦、宽以待人的高尚品质给我留 下深刻的印象，这些都将对我以后的学习和工作产生巨大的影响。同时还要衷 心感谢师母倪峥老师在我读研期间给我的关心和帮助! 在此对恩师和倪老师表 示我衷心的谢意! 同时，真诚感谢机械原理及零件教研室的王纯贤副教授、吴焱明副教授、 周美立教授、朱家诚教授、吴天星副教授、汪进副教授、田杰副教授、王勇副 教授以及朱立红老师、陈奇老师给我各方面的指导和帮助，并创造了许多必要 条件和学习机会! 感谢教研室的其他所有老师在我读研期间给予的诸多帮助。 感谢师兄高亮、刘建峰，同届的方俊芳、熊燕，师弟赵古田，师妹宋智燕 的支持和帮助。感谢教研室的黄士伟、赖江丰、余斌、徐致山、顾新春、张永 松、苏学满、娄银庭、李方等同学给予的支持和鼓励，感谢黄炎进、李德彪、 张凯帆等师傅在汽车车锁锁芯自动装配系统装配调试中给予的帮助。 感谢好友吴振华、徐顺、张燕、程鹏、邢登军、阎耀双、章文盛等对我的 帮助和鼓励，感谢与他们一起度过的快乐时光。 最后，还要深深感谢我的父母对我无微不至的关怀，感谢他们对我的理想 的理解和支持! 感谢许永华总经理和戚利民副总经理对我的关怀和鼓励。感谢 所有支持及帮助过我的亲人、同学和朋友们。谢谢l 6 作者：陈加超 2 0 0 7 年l o 月2 0 臼 第一章绪论 1 1 自动装配和柔性装配技术的发展概况 1 1 。1 装配自动化在现在制造业中的作用 现在制造技术的不断发展，为社会生产力带来了巨大飞跃。零件制造、金属成型、 切削加工等日臻综合自动化，并随着柔性制造技术的发展，当今世界机械制造业将进 入全盘自动化的时代。 然而，由于加工技术超前于装配技术许多年，两者已经形成了明显的反差，装配 工艺已成为现在化生产的薄弱环节，现在制造技术的发展使传统的手工装配工艺面临 严峻的挑战。装配自动化( a s s e m b l ya u t o m a t i o n ) 对于提高生产效率、降低成本、保证产 品质量，特别是减轻或取代特殊条件下的人工装配劳动具有重要意义。实现装配自动 化是生产过程自动化或工厂自动化( f a ) 的重要标志，也是系统工程学在机械制造领域 里实施的重要内容。 由于装配大多是人工操作的劳动密集型过程。生产率在很大程度上取决于装配过 程对入的依赖性，它是工入执行某一具体操作所花费时问的函数，其劳动量在产品制 造总劳动量中占有相当高的比例。同时，随着先进制造技术的应用，制造零件劳动量 的下降速度比装配劳动量的下降速度快的多，如果没有新的举措，该比值还会提高， 即使是发达国家某些部门从事装配的工人人数也要占工人总数的5 0 6 0 。据有关 资料统计分析，一些典型产品的装配时间占总生产时间的5 3 左右，如果所有的装配 都是人工控制的，则生产率指数可能降低到4 0 左右，而随着装配自动化水平的提高， 生产效率可升到8 5 9 7 。但目前产品装配的平均自动化水平仅占1 0 1 5 ，因 而装配对产品的原始成本影响很大，已成为昂贵的生产过程。所以，装配自动化是制 造工业中需要解决的关键技术【l j 。 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，已经不 能与当前的社会经济条件相适应。因为人工既不能保证工作的一致性和稳定性，又不 具备判断准确、灵巧，并赋予以较大作用力的这些特性。另外，从市场经济的现实出 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。 自动装配技术与柔性装配技术是研究取代依赖人工技巧和判断力进行各种复杂 操作的系统工程，是应用现在科学理论实现过程自动化的应用科学。特别是对于中小 批量生产，高质量、高效率、高柔性的智能装配系统的研究和开发，对适应自动装配 的新产品设计途径，对未来工业发展有着特殊的重要意义。 自动化水平的高低，已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。目前，一些 发达国家及早地将注意力转向自动装配技术，并取得了卓越的成果，一些产品、部件 的装配过程逐渐摆脱了人工操作，柔性装配系统( f a s ) 成为c i m s 的一个重要环节。 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，生产率得以全面提 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。另外，装配工艺自动化可以改善装配环境、保障生产安全。从工人劳动保护方面 考虑，发展自动化装配尤为重要，也是满足社会、市场及技术发展过程中产品不断更 新的需要。 1 1 2 自动装配与柔性装配技术的发展状况 众所周知，电子科学和计算机科学的发展，以及在此技术上开发起来的各种新技 术、新理论使人类社会迈进了一个高速发展的信息时代。对机械制造业来说，影响最 大的c n c 、f m c 、f m s 的出现逐步取代了传统的制造设备，他们不仅具备高度自动 化的加工能力，而且具有对加工对象的灵活性。在计算机辅助下，如c a d 、c a m 、 g t 、c a p p 、n c p 等技术，大大提高了工作效率和精确性，并开始由各种自动化独立 岛的方式过渡为信息共享的集成系统。 c i m s 就是一种新兴的制造概念和生产哲理，他把局部孤立的自动化技术合资系 统通过计算机通讯技术灵活、有机的集成为一个完整的体系，大大缩短新产品的研制 和开发周期。随着c i m s 的深入发展和技术内容的不断发展，给传统的生产技术、管 理技术带来了巨大变革。在激烈的市场竞争中，又萌发出了各种新的先进制造技术， 如并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 、精良生产( l e a np r o d u c t i o n ) 、灵捷制造( a g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟公司( v i r t u r ec o r p o r a t i o n ) 等。涉及技术和管理体制的新概念，使 我们对c i m s 及相关管理体制、人的作用有了更深刻的了解。先进制造技术是当代科 技发展最为活跃的领域，也是现在管理技术的实施重点。 在c i m 环境下，f m s 已跳出了传统概念，并向小规模单元方向发展。凡采用数 据和计算机控制的工序都有f m s 完成。 f m s 被定义为在广义上的可编程的控制系统，它具有高层次分布数据的能力，适 应不同产品寿命周期的动态变化。它最早始于箱体零件加工，后来又扩展到各种成型 表面的加工，以及钣金、锻、焊、激光、电火花、喷漆、热处理等工作范围，有效地 综合了加工传送和控制功能，成为灵活的高度自动化的生产系统。 站在全盘自动化的高度，根据c i m s 的总体计划，制造过程必须使用计算机和信 息技术把经营决策、设计、制造、装配、检测以及售后服务等过程综合协调为一体的 闭环系统。否则，只有加工技术的现在化，没有装配技术的自动化，f m s 就成了自动 化孤岛。随着f m s 的推广应用，以及装配机器人的研制成功，为自动装配技术的开 发创造了条件。随着产品更新周期的缩短，也要求自动装配系统( a u t o m a t i ca s s e m b l y s y s t e m ) 具有柔性响应，近而出现了柔性装配系统f a s ( f l e x i b l ea s s e m b l ys y g e m ) ，使装 配过程通过自动监控、传感技术与装配机器人等实现了无人操作。 f m s 和f a s 是相互交叉并采用相同设计思想和相同技术的两类系统，它们都是 “自动化工厂”或“计算机自动化工厂”( c a f ) 的先驱，都是物流系统、信息系统及应用 遥控技术和计算机管理的自动化仓库系统。组成f m s 的核心是c n c 和加工中心 ( m a c h i n i n gc e n t e r ) ，其功能是使金属毛坯转变成具有一定几何形状、一定尺寸精度， 一定表面质量的机械零件。而f a s 是一种计算机控制的自动装配系统，它的主要组成 是装配中心( a s s e m b l i n gc e n t e r ) 和装配机器人( a s s e m b l yr o b 0 0 ，是使零件转变为具有特 定功能的产品。具有各种不同结构能力和智能的装配机器人是f a s 形象的主要特征。 许多国家开发的高效自动装配系统，使很多产品装配工艺从适应人机工程学设计 的手工组装线转向高效柔性自动化。首先是中小型机电产品逐步引入自动装配机制， 成为自动装配技术开发的新格局。美国已将c i m s 列入六大科技发展方向之一。自动 装配技术近年来发展很快，如克罗斯公司除从事小型产品、汽车发动机及有关部件的 自动装配( a u t o m a t i c a s s e m b l i n g m a c h i n e ) 的研制外，还从事装配机器人、集成装配系统、 装配单元及全套设备的开发( 在设计中采用c a d ，利用计算机彩色动画模拟优化设计， 该公司从1 9 8 6 1 9 9 0 四年里开发制造了3 0 条左右自动装配机和自动装配线) 。这些装 配机( 线) 都是具有很高的生产率：小型产品每小时装配9 0 0 件，节拍为4 s ；发动机和 传动箱装配线每小时2 2 5 件。日本由于对小汽车采用柔性装配线进行最终组装，零部 件的准时输送系统，每隔2 0 r a i n 可把需要的一定数量的小汽车零部件运送到装配工位。 瑞士研制成功手表自动装配线。比利时n e w l a c h a u s s e e 公司研制的具有模块化工作站 的雷管自动装配线，生产能力达1 4 0 0 0 0 发班。美国k i r t g s b u r y 公司研制的全自动或 半自动装配系统可用于家用冰箱压缩机、汽车主动转向泵、家用空调压缩机、汽车自 动变速器、汽车减震器、汽车制动器等多种产品装配，s w a m s o n e r i e 公司的引信自动 装配线等都体现了当代装配技术的新水平。美国b o d i n e 公司一直从事中小型产品的 高速自动化装配技术研究，已有5 0 年历史，开发出了模块式自动装配机。1 9 8 0 年， 英国政府曾拨款3 0 万美元由伦敦b r s l ( 英国机器人系统公司1 用了8 年时间对f a s 进 行了可行性研究，研究出一种f a s ，能对质量小于1 5 k g ，体积小于0 0 3 m 3 的电器、 电子、机械产品进行柔性装配，年产量可达2 0 3 0 万套。更换产品的时间仅为l 2 h 。 叶信息流 c = = $ 能量流 叫环境干扰 r 功工件流 件和托盘流 直接剐性连接 1 操作者2 一电动机3 _ 机械顺序控制器4 - 机械运动控制器 5 - 零件输送装置6 - 装配操作装置7 ，8 - 零件 9 一夹具和托盘装置1 0 机械装配装置1 i - 机械控制装置 1 2 - 采用机械控制的装配系统1 3 零件送进装置 图1 - 1 采用机械方法的装配装置 以前，专用的机械式自动装配机是非常昂贵的，但近年来自动装配机的零部件，如基 础件定位传递或连续传动装置、机械装配工具和夹具逐渐标准化，使自动装配机广泛 应用于制造业的大规模生产线上。全自动装配机或系统已在灵巧的柔性装配领域得到 实际应用。 自动装配系统大致经历了三个发展阶段：最初是采用图1 1 所示的传统的机械开 环控制单元，如操作程序由分配轴把操作时间运动行程信息都记录在凸轮上。 第二个阶段的自动装配系统如图i - 2 所示。控制单元采用了预调顺序控制器，或 者采用可编程控制器，操作时间分配和运动行程摆脱了机械刚性的控制方法。由于采 用微电子器件，各种信息都编制在控制程序中，不仅调整方便，而且提高了系统的可 靠性。 l 1 3 见图卜11 4 一可编程顺序控制器1 5 一采用可编程顺序控制器的 机械装配装置 图1 - 2 采用预调顺序控制器的装配装置 发展到第三阶段，进入所谓装配伺服系统，控制单元配备了带有智能电子计算机 的可编程控制器，能发出改变操作顺序的信号，根据程序给出的命令和反馈信息，使 操作条件或动作维持在设计的最佳状态。这种自动装配系统如图1 ，3 所示。 l 1 5 见图1 1 、图l - 2 顺序控制器1 6 - 可编程操作控制器1 7 操作程序处理器 1 争前馈控制器1 9 最佳控制器2 0 自适应控制器 2 l 一伺服执行机构 2 2 - 传感器或探测器2 3 一反馈控制器2 4 - 可编程操作控制器的伺服装配装置 图1 - 3 采用可编程操作控制器的自动装配装置 对于精密零件的自动装配，必须提高夹具的定位精度和装配工具的柔顺性，目前 4 定位精度在o 0 1 m m 的自动装配机己得以应用。 为提高定位精度采用带有主动自适应反馈或前馈位置控制器，一种是通过光电传 感视觉设备，接触压力传感器等对零件的定位误差进行修正。这种伺服装配工具、夹 具可以对有紧密配合的部件进行自动装配。另外一种是针对组装零件的物理、化学、 电气和力学性能进行测量的装置和智能计算机控制的伺服执行机构，这种伺服装配工 具和夹具可进行精密装配。 为适应多品种小批量产品的柔性自动化装配，就要求对专用装配工具、家具、托 盘、供料装置和机械控制元件实现快速更换。 装配中心实际上是一种独立的装配机，所需的装配零件由送料装置依次送到装配 中心。它能快速更换装配工具和装配夹具，设计适用于多种不同的零件。装配工具的 定位是有待计算机的可编程控制器控制的伺服执行机构来实现。 此外，自动装配技术还涉及管理系统，例如从零件装配到监控和装配过程调度工 作都采用微电子设备，即可编程数控坐标、装配机器人柔性运输设备等，使整个装配 过程按程序的随机指令进行操作。自动装配系统中应用自动检测、触觉和视觉传感器 对故障或潜在性故障自动诊断，可使各装配环节准确的连锁操作。在质量保证与监控 装配过程方面进行数据采集与s p c ( 统计工艺控制) 分析，自动完成零件分类、供料、 旋转等装配过程的全部操作。 由于f a s 起步较晚，目前无论在数量上和种类上都远不及f m s 的发展，两者之 间的明显反差还体现在装配费用占产品总成本的2 0 7 0 0 , 4 ，装配作业中即使零件输 送、精度检测、分组及试验等实现自动化，但最终装配总成大多数企业仍靠人工完成， 加上产品的多样性、装配时间的随机性和系统状态的模糊性，实现自动装配与柔性装 配是一项非常复杂的工作。但是，我们应看到，装配过程自动化的各项基础技术在迅 速发展，这些基础技术在向纵深发展的同时，也向横向发展：与其它技术相互渗透， 最典型的是控制技术，网络通讯技术和人工智能技术的结合，为自动装配技术注入了 新的活力：机电一体化提供了柔性自动化手段；c a d c a m 为装配机器人建立了程序。 c i m s 将在制造业中占主导地位，其发展趋势必将随带头学科之一电子计算机技 术地飞跃丽迅速发展。我国制定了2 1 世纪发展五个重点关键技术的长远目标，在自 动化领域内计算机综合自动化制造系统和智能机器人已成为高技术发展的两个前沿 主体项目。许多专家学者预言：c i m s 是制造业发展的必然趋势。c i m s 将不可逆转 的成为2 1 世纪占主导地位的新型生产方式。c i m s 的核心石油工程设计自动化、制造 自动化、管理信息和质量保证四个分系统以及计算机网络通信和数据库两个制成分系 统构成的。其中制造自动化分系统包括实现多品种小批量的柔性装配系统。所以说 f a s 是c i m s 的重要组成环节，也是未来“灵捷”制造的基础，为满足2 l 世纪制造技术 的发展需要，必须研究开发柔性自动装配技术。 1 1 3 实现装配自动化的途径 研究与开发自动装配技术与柔性装配技术，大幅度提高装配质量和装配效率，是 制造工业的一项重要任务。首先，在产品设计阶段充分考虑装配自动化问题是非常重 要的，因为自动装配系统的最大柔性主要来自被制造的零件族的合理设计。工业发达 国家已广泛推行便于装配的设计准j j ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) ，其主要包含两方面重要内 容：一是尽量减少产品中单个零件的数量；二是改善产品零件的结构工艺性。基于该 准则的计算机辅助产品设计软件也己开发成功。目前，这些国家便于装配的产品结构 在设计人员头脑中所占的地位己不亚于便于数控加工的产品结构。实践证明，提高装 配效率，降低装配成本，实现装配自动化方面所做的最大工作量首先应是改进产品设 计，所解决的基本理论分析和实验研究的问题有： a 研究自动装配产品的结构工艺性； b 研究并设计自动装配工艺过程； c 设计制造自动装配设备或装配机器人。 此外，还应对合理配合间隙或过盈量的确定及控制方法，装配生产的组织与管理 等进行研究，开发新的装配工艺和技术。 从国外自动装配技术的发展过程来看，首先是在大批量生产的企业里，从小型简 单产品的装配机械化开始，逐渐发展到能实现自动装配的装配机和连续自动装配的装 配线，后来发展到对大型产品的自动装配，最早阶段研制的装配系统都具有一定的专 用性。 柔性装配是自动装配技术发展方向，采用柔性装配不仅可提高生产率、降低成本、 保证产品质量一直性，更重要的是能提高适应多品种小批量的产品应变能力。f a s 的 选用率、复杂程度和它的发展是随时间而变化的，在一定历史阶段的发展水平受财力 和技术水平的限制。当前，对我们较突出的问题是该项技术的设备投资较高，并缺乏 这方面的人才。 1 2 自动装配系统与f a s 的组成和分类 所谓装配是按规定的技术要求，将几何形状规则的零件进行配合联结成装配单 元、部件、复合件和产成品的工艺过程。装配是整个生产系统的一个重要组成部分， 是整个制造工艺过程的最后一个环节。装配工艺过程包括装配、调整、检测和试验等 工作。 1 2 1 自动装配系统与f a s 的组成【1 】 自动装配系统必须包括装配过程的物流自动化、装配作业自动化和信息流自动化 等系统。 ( 1 1 装配过程的物流自动化 装配过程中的物流自动化是指装配工艺过程的运储系统的自动化。物料通过一系 列的工作区朝着一个方向高速运动，它与机械加工物流系统不同点在于物料传送期 间，自动装配系统的非生产时间很短。物流系统一般包括：产品及装配零部件出入库、 运输和储存，主要设备是自动化立体仓库、堆垛起重机、自动导向小车和搬运机器人 6 等。 ( 2 ) 装配作业自动化 任何一种产品的自动装配过程，都是将相互间处于相对静止状态和可动状态下的 零件按其所要求的位置进行组合和固定。 零件的定向( d i r e c t i o n ) 和定位( p o s i t i o n i n g ) 精度是影响装配过程的稳定性及装配质 量的主要因素。因此，应该采取措施确保其实现。一个好的供料系统必须提供充足的 存储容量，维持恒定的进给率，保证准确的定向，提供精确的定位方法，并实现零件 的追踪和分离。而一般要装配的零件多处于无约束的自由状态，搬运这些零件就成为 自动输送中的难题。在进行自动装配系统设计时，首先考虑零件的自动供料系统，这 对自动装配系统的结构有很大影响，而且在自动装配系统开发的经费和时间上占有相 当大的比例。 在拟定自动装配工艺时，所遵循的原则是即应保证装配作业实现自动化，又应保 证装配过程的可靠性。任何装配工作都是简单的拾放运动，把一个零件拿起来装 到另一个零件上。但是，在这个简单运动中，却会有数个明显不同的动作，即定位、 抓取、拾取、移动、放置、配合和反馈。 自动装配工序的概念是含有在确定的工位上完成装配对象的联结动作，每个工位 上的动作都有独特的特点，工序之间由传送机构( t r a n s f e rm e c h a n i s m ) 联结起来。自动 装配工序有： a 装配工序( 又可分为安装工序和固定工序) ： b 检测工序( 包括检验、检查和测试等) ； c 调整工序； d 辅助工序( 清洗、去毛刺、打标记、上油、分选、压入密封件等) ； 安装工序是指在自动装配设备的专用工位上进行装配部件、零件的预备联结( 没有 固定1 。 通常，安装工序随后是固定工序，也可以把安装和固定放在一个工位上进行。 零件固定工序指的是螺纹联结、压配联结、热压过盈联结、装销钉和开口销、铆 接、折边廉洁、卷边、敛缝、压紧、弯曲、缠绕、粘接、塑料压制成型和焊接等。 自动装配工艺过程也含有检测工序，检测工序一方面保证装配质量，另一方面在 装配过程中对各种故障进行处理。 自动检测的内容包括：装入零件是否有缺件、装入零件方向、位置的识别；装入 过程中零件的夹持误差，异物的混入；装入零件的分选误差，装入后的尺寸精度、密 封质量、装配质量；装配的灵活性；性能试验；装配过程的故障诊断、预测报警以及 产品装配完成以后产品的功能检查等。 自动装配技术的开发包括零件配合过程的研究和装配系统的研究两个方面。配合 过程是应用尺寸链原理，保证产品的装配精度。装配不同于加工，装配过程是多种零 件同时参与，而加工过程的对象则是单一的。一般装配零件是处于无约束的状态下， 7 能否在即定条件下完成装配，是由零件开始接触一瞬间的相对位置决定的。因此，必 须提高装配间的相对位置精度和具有适当肉量的装配工具和夹具的定位精度。如果出 现相对位置偏差将产生接触力，如果位置偏差不超出允许值，配合会顺利进行，若偏 差过大，将恶化装配条件。自动装配工具应能配合允许的间隙量，利用接触力的反馈 信息自动调整，进行精确配入和随动纠编。自动化装配还需要产品特点、装配对象、 零件配合间隙、品种规格等合理的选择装配机的类型和数量，使装配作业分配在装配 机的各个工位上。 ( 3 ) 装配过程的信息流自动化 装配是生产过程的最后阶段，必须在交货时间、批量大小、产品更新换代等方面 最大限度地适应不断变化的市场要求。自动装配过程与自动化仓库存取的调度、零件 数量、品种的协调都必须建立严格的装配生产组织和有效的节水管理措施，使装配过 程中的各种信息数据的收集、处理和传送实现自动化。 a 使市场预测、订货要求与生产计划间信息数据的汇集、处理和传送自动化； b 使加工好的零件、外购件的存取及自动仓库的配套发放等管理信息自动化： c 使自动装配机( 线) 与自动运输、装卸机器人及自动仓库工作协调的信息流自动 化； d 装配过程中的监测、统计、检察和计划调度的信息流自动化。 上述各种装配信息流的自动化，可以采用多级计算机、自动监测装置、建立数据 库和自动的信息系统等手段来实现，也可以采用人机对话形式实现。 1 2 2 自动装配系统与f a s 的分类 自动装配系统按主机的适用性可分为两大类：一是根据特定产品制造的专用自动 装配系统，或专用自动装配线；其二是具有一定柔性范围的程序控制的自动装配系统。 ( 1 ) 专用自动装配系统 自动装配系统必须具备三个功能，即装配、传送和零件供应。特别是传送功能 是决定自动装配系统生产各环节的重要因素，其形式有回转式、直进式、同步式、非