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微型开关自动装配生产线的研制The Reasearch and Development of An Automatic Assembly Line for Micro-Switch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PLC作为本系统的控制器。并根据设计的要求，选用三菱的FX1N-40MT-001型PLC，再按照装配的工艺流程确定控制流程，利用PLC编程软件绘制控制梯形图， PLC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IIThe Reasearch and Development of An Automatic Assembly Line for Micro-SwitchAbstractMicro-switchs low value,small input-out ratio, led to lack of automatic assembly equipment in the micro-switch auto-assembly areas. At present, the micro-switch mainly assembled by hands,caused the low production efficiency, labor-intensive and difficult to control the quality. After doing the investigation and decomposed the production process,the micro-automatic assembly line was designed,which had obtained some achivements. It was based on the dimensions of the various parts and its inter-relationship between components, analysis the strategy of micro-parts assembly.The automatic assembly line, included parts of the automatic sorting conveyor systems, automatic assembly systems and control systems, the main assignment and achivements obtained are as follows:Based on the requirement of the assembly of various parts, diffrent automatic orientation devices were designed in accordance to the structural characteristics of these kinds of elements. By the theory of kinematics and dynamics, the force of parts in the automatic transmission process of sorting was analysised, from which some performance indexes that may impact on the efficiency of automatic orientation was drawn. The prototype has succeeded in debugging in the enterprise.According to the assembly technical process, closed loop mode was used in the assembly line , some assembly mechanism were designed,such as button assembly, hardware Riveting foot placement, floor installation. As well as special transportation ways and clamping device designed for irregular or small elements, the assembly unit was relatively independent and realized the accurate positioning and automatic installation of various components , which effectively improved the efficiency of assembly. The automatic assembly systems have been initially installed, and one key technology has been accepted for national invention patent .Comparing with several control methods widely used, and considering design requirements, FX1N-40MT-001 of PLC was selected, control procedures in accordance with assembly technical process was established, PLC received signal from the sensor and reasonably control the cylinderand the motor, force them to complete the transpotation, rivet, loading and unloading materials and other functions.The micro-switch auto-assembly production line designed in this paper achieved automatic orientation of parts, transmission, automatic fixturing, automatic assembly.Keywords: Micro-switch；Automatic Orientation；Mechanical Design；Automatic AssemblyIV目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1课题的研究背景及研究意义11.2目前国内外研究现状及分析21.2.1国内外小型零件自动装配技术的研究现状21.2.2国内微型开关自动装配技术的研究现状31.3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82.1电磁振动给料系统的组成及工作原理82.1.1电磁振动给料系统的组成82.1.2电磁振动给料系统的工作原理82.2定向方法82.3零件自动排序分选装置的设计92.3.1整体结构设计92.3.2按钮的自动排序分选机构设计112.3.3弹簧的供料装置设计122.3.4底板供料装置设计132.3.5五金脚的供料装置设计142.3.6基座的供料装置设计152.4零件自动排序分选的运动学分析与动力学分析162.4.1运动学分析162.4.2动力学模型分析212.5自动排序输送装置样机实物图232.6本章小结23第三章 生产线自动装配系统的机构设计243.1总体方案的设计243.2按钮装配机构的设计253.2.1按钮装配系统的总体方案设计263.2.2按钮安装原理与结构设计273.2.3弹簧获取装置及转移结构原理与设计283.2.4辅助块结构设计303.3 五金脚安装机构的设计303.3.1总体方案设计313.3.2机械手爪的设计313.3.3具体型号的确定323.3.4铆合机构的设计323.4底板安装机构设计333.5基座的输送方式343.6基座的料盒设计353.7装配系统样机实物图363.8本章小结36第四章 自动装配生产线控制系统的设计374.1控制器的确定374.1.1控制方案的确定374.1.2可编程控制器384.1.3可编程控制器的确定384.2本课题控制系统的设计394.2.1控制系统的功能分析394.2.2PLC输入/输出口的分配394.2.3按钮安装控制模块404.2.4五金脚安插铆合控制模块414.2.5底板安装控制模块424.2.6步进电机的控制434.2.7对气缸气爪的控制454.3样机调试454.4本章小结46第五章 总结与展望47参考文献48致谢52攻读学位期间的研究成果52VII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RoHS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，目前已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1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，2005年，国内各种主要开关需求总量已经超过88.27亿只，预计今年将达到98.8亿只。需求总量约达5亿7亿只，有的估计比较多，可能超过10亿只。 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ISO9001：2000质量管理体系认证的企业也相当多1。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、产品生产加工到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。 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。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20005000台。项目完成后预计可以达到累计年产500台的产量，到2010年，预计可以达到年产1000台的年产量，单个品种年产值可以达到6000万元，甚至可以出口国外，出口创汇1000万美元。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4-12。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2070%，装配的费用约占机器总成本的1/31/2。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10%15%，而且人工装配每小时仅有43min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13。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ZXLK-100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WP2-27AP型微型按钮开关，整体大小规格约为24mm14mm14mm，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、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； (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10小时，一天大约装配2000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11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。图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20个工人一个月正常工作22天，这样仅支付工人的工资就要花费35200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PLC控制的优点以及PLC的选型原则，选用三菱公司的FX1N-40MT-001型PLC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限14。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。1-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15。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16,17。图2.2是几种典型的定向机构形式。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，料斗中径，轨道宽度，料斗侧壁厚度，料斗升距，轨道厚度，料槽升角，料斗底部锥角，料斗高度。图2.3 料斗尺寸在本课题中，料斗采用厚度为3mm的不锈钢板做侧壁与轨道材料，外径为400mm，料斗升距为30mm，料斗底部锥角，料斗高度为120 mm。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18。选用三组均匀布置的板弹簧作为支撑板弹簧，材料为65Mn。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25mm，高度为20mm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。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.振动频率在本系统中，振动频率取。2.料槽升角料槽升角的大小影响上料速度。角太大或太小，均会影响上料速度，取。3.振动升角根据已有的经验数据信息，取。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0.51.5mm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5.98mm，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6.5mm。经过试验知道，保证按钮达到稳定状态的振动强度范围为10001024。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3.8mm。图2.7 弹簧分选定向装置缺口设计图2.8 弹簧尺寸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2.10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2.11所示，基于它的尺寸特点，缺口处轨道宽度设计为6.5mm,长度为10mm左右，定向挡条距离轨道的高度为5mm。1、2、3-底板；3-缺口图2.9 底板定向装置之豁口设计1-底板；2-选向挡条图2.10 底板定向装置之挡板设计图2.11 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2.12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口而继续向前运动，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2.12 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2.13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口，将使悬挂在内径上的五金脚剔除，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1.2mm，缺口长度为18mm。1-缺口；2、4、5-五金脚；3-定向槽图2.13 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2.14所示，由于基座的长宽接近，因此给分选带来了很大的困难。如图2.15所示，首先利用一个小斜坡，使轨道上直立的零件由直立变为侧卧，然后再在后面设计一挡板，将经过斜坡之后仍可能直立的零件剔除，这样轨道上就只剩侧卧状态的零件。图2.14 基座外形尺寸1-小斜坡；2、4-基座；3-选向挡条图2.15 基座定向装置利用基座的一个倾斜角，设计出如图2.16所示的挡块3，挡板3将直边靠近内壁状态的基座剔除，同时利用缺口2，经过这两道定位之后就只剩下倒角边靠近内壁的基座4可以沿着轨道单排输出。1、4-基座；2-缺口；3-定向挡条图2.16 基座定向装置本课题中，将小斜坡的高度设计为10mm，缺口处轨道宽度为16mm，定向挡条高度为16mm。2.4零件自动排序分选的运动学分析与动力学分析2.4.1运动学分析由于各零件在自动排序分选装置上的运动受力情况均相似，因此此处只选择具有代表性的底板为例来进行分析17,18。电磁力时，料槽在支承弹簧作用下向右上方复位，底板与轨道的摩擦而随轨道向右上方运动，并逐渐被加速。 电磁力时，料槽在电磁铁的吸引下向左下方运动，底板由于受惯性作用而脱离轨道,继续向右上方运动(滑移或跳跃)。 下一循环，周而复始的进行上述运动，从而使底板在轨道上做由低到高的运动。 底板在轨道上所受的力主要有：自重力、轨道反力、摩擦力、惯性力，其中摩擦力、惯性力与电磁铁的电流有关。1、底板在轨道上的运动分析如图2.17所示，当电磁铁吸力减小为零的瞬间，料槽将在主振弹簧反力作用下，带着底板以加速度从左下方朝右上方升移，底板受到与料槽运动方向相反的惯性力作用。此时，与料槽垂直的惯性力分力向下，增加了底板与料槽之间的正压力N及摩擦力F，而与料槽平行的惯性力分力向后，故一般不会使底板滑动，而只会使物料随料槽一起向右上方运动。图2.17 料槽向上运动时底板受力分析2-(1)2-(2)如图2.18所示，料槽在电磁铁吸力作用下，带动底板以加速度从右上方向左下方运动，底板受到与料槽运动方向相反的惯性力的作用。此时与料槽垂直的惯性力分力向上，使底板作用在料槽上的正压力减小，摩擦力 F 也减小。图2.18 料槽向下运动时底板受力分析2-(3)2-(4)根据受力分析，底板在轨道上的运动有三种基本的运动形式，讨论如下：在惯性力作用下，底板在轨道上被抛起，在式（2-4）中，令2-(5)故当时，底板跳跃。若因惯性沿轨道下滑，此时=0，且有2-(6)当轨道向右上方运动的加速度满足上式时，底板便会沿轨道下滑。这对振动上供料机构是不希望出现的。若沿轨道上行，此时根据电磁铁吸合与否可得：2-(7)2-(8)电磁振动供料器要实现预定的向上供料，轨道向右上方运动的加速度和向左下方运动的加速度必须满足上述底板沿轨道上行时的条件式。底板沿轨道上行时的运动状态随多种条件而变。2、运动状态 (a)连续跳跃 (b)断续跳跃 (c)连续滑移 (d)断续滑移图2.19 底板在料道上的运动状态注：图示为料槽的两极限位置。（1）连续跳跃当I为零时，弹簧使料斗复位，底板依靠摩擦、空间位置从A点上行到B点；I不为零时，电磁铁吸合，由于惯性、底板由B点跳跃起来；当I再次为零时，底板再落至轨道上时已到达C点，后又随轨道上行到D点。如此往复，底板“随轨道上行-跳跃-再随轨道上行”，底板跳跃式前进，跳跃间距为AC段。 此时的底板具有大的供料速度，供料率高，但由于电磁铁吸力、料槽振幅及抛射角较大。但底板腾空时间过大料斗复位时底板再落至轨道过晚A点与C点的间距缩小，甚至落回原处而没有前移，导致底板运动平稳性差，对定向不利。（2）断续跳跃I为零时，弹簧使料斗复位，底板依靠摩擦、空间位置从A点上行到B点；I不为零时，电磁铁吸合，由于惯性、底板由B点跳跃起来，底板很快落至轨道上的C点、并随轨道下行到D点；当I再次为零时，底板再随轨道从空间位置D点上行到E点。如此往复，底板“随轨道上行-跳跃后随轨道下行-再随轨道上行”，底板断续跳跃式前进，跳跃间距为AD段。 此时底板具有较大的供料速度，供料率较高；底板运动平稳性一般。（3）连续滑移I为零时，弹簧使料斗复位，底板依靠摩擦、空间位置从A点上行到B点；I不为零时，电磁铁吸合，由于惯性、底板沿轨道由B点滑移；当I再次为零时，底板停下时已滑移至C点后又随轨道上行。如此往复，底板“随轨道上行-滑移-再随轨道上行”底板滑移式前进，滑移间距为AC段。 此状态下底板具有较大的供料速度和供料率，而且由于电磁铁吸力、料槽振幅及抛射角均较跳跃时的小，底板运动平稳，利于定向。（4）断续滑移I为零时，弹簧使料斗复位，底板依靠摩擦、空间位置从A点上行到B点；I不为零时，电磁铁吸合，由于惯性、底板沿轨道由B点滑移，底板很快停在轨道上的B点、并随轨道下行到C点；I再次为零时，底板再随轨道从空间位置C点上行。如此往复，底板“随轨道上行-滑移后随轨道下行-再随轨道上行”，底板断续滑移式前进，滑移间距为AC段。 此时，由于电磁铁吸力、料槽振幅及抛射角均小底板供料速度和供料率较小；底板运动平稳，有利于定向。综上所述，在设计过程中，参数选择要恰当，同时为了不产生跳跃，平稳滑移，而且供料较快，应该首选连续滑移。3、底板在轨道上滑移和跳跃的条件（1）滑移条件由前分析，底板沿轨道上行滑移的条件为2-(9)2-(10)由于，取，则2-(11)2-(12) 所以，只要合理设计，使轨道向左下方运行的加速度满足一定条件，便可获得预定的滑移状态。（2）跳跃条件所以产生跳跃的条件为2-(13)同上，取，则有2-(14)2-(15)如将料槽受电磁力作用产生的振动视作简谐振动，其频率为f、振幅为A，则轨道最大加速度为2-(16)所以，当，底板就会产生跳跃式前进。由上分析可知，连续跳跃所需加速度最大，断续滑移时最小。2.4.2动力学模型分析电磁振动给料器经过简化可以看作是一个双自由度的双质点强迫振动系统19-28, 力学模型如图2.20所示。图2.20 双自由度双质点强迫振动系统力学模型机座及与之联接的铁芯、线圈、部分板弹簧构成了质量, 槽体及与之联接的衔铁、部分板弹簧、部分物料构成质量, 隔振弹簧弹性刚度为,板弹簧弹性刚度为。由电磁学原理导出脉冲电磁力(即瞬时激振力)F的计算公式为2-(17)和分别以激振力F为零时系统的平衡位置为起点, 隔振弹簧对和机架的弹簧反力为, 板弹簧对和的弹簧反力为,弹簧反力是运动的阻力, 与位移方向相反。按牛顿第二定律, 质点和的运动微分方程得矩阵形式为2-(18)用微分方程组的特解表示该系统的强迫振动，有2-(19)求式2-(19)的一阶及二阶导数得速度及和加速度及后分别代入式2-(18)，简化得2-(20)求得谐振振幅和为2-(21)其中，为式2-(21)系数行列式，表达式为2-(22)当激振力F撤除后，要使谐振振幅和有非零解，系数行列式2-(22)必须为零，即：，展开后得频率方程式2-(23)由于，因此可取，式2-(23)得非零解，即为振动系统固有频率，表达式为2-(24)把双自由度双质点振动系统简化为单自由度单质点有阻尼的强迫振动系统的等效质点质量，可得出2-(23)那么，式2-(24)可简化为2-(24)电磁振动给料器激振频率与固有频率的比值为：。为了使电磁振动给料器工作性能稳定，以较小的功率消耗产生较大的机械效能，电磁振动给料器工作点通常设定在亚临界近共振区，即。根据以上振动分析可得出：两个质点的振幅与他们各自的质量成反比，即。因此，要使机座振幅小，槽体振幅大，必须使机座质量大，槽体质量小。但由于槽体质量受自身结构和物料重量限制，不可能很小，同时为满足加料量大而快捷，槽体振幅要求较大，因此尽管隔振弹簧弹性刚度较小，但这时隔振弹簧对机架弹簧反力仍然较大，为，不能满足对给料器的隔振性要求，利用这些信息，可设计出可以最满足实际需要的设备21-25。2.5自动排序输送装置样机实物图本课题的设计，样机已经加工完成，并在企业中调试成功。图2.21为样机的整体实物图。图2.21 自动排序分选装置的整体结构实物图2.6本章小结本章的主要工作是零件自动排序输送机构的设计。简单分析了电磁振动供料系统的组成及工作原理，以及影响物料输送速度的一些性能指标，结合一些现有的定向分选装置，根据项目中的各种物料的重心和形状特点，利用缺口、挡条等定向装置，合理确定参数，进行针对性的定向分选机构设计，实现了对不规则或欠规则零件的分选排列输送。并以底板为例，借助运动学理论，对底板在自动排序输送机构上的运动受力以及运动状态进行分析，并对零件自动排序装置进行动力学模型分析，从中得出一些影响零件自动分选排序效率的性能指标。52第三章 生产线自动装配系统的机构设计3.1总体方案的设计自动装配生产线的形式主要有直线型、曲线型和封闭环型。 图3.1 回转式 图3.2 直线式按照基础件在装配工位间的传送方式不同，装配机（线）的结构可分为回转式和直进式，分别如图3.1，3.2所示。回转式结构较简单，定位精度易于保证，装配工位少，适用于装配零件数量少的中小型部件和产品。基础件可连续传送或间歇传送，间歇传送时，在基础件停止传送时进行装配作业。直进式的结构比回转式复杂，装配工位数不受限制，调整较灵活，占地面积大，基础件一般间歇传