0302-机油冷却器自动装备线压紧工位装备设计【全套8张CAD图+说明书】
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摘 要
汽车发动机在高速旋转下发热量很大，尤其是大功率发动机，在高温下对汽车发动机润滑系统的可靠性要求比较高。而机油冷却器可以保持发动机工作状态下可靠的润滑。提高其工作可靠性和寿命，降低发动机本体的制造精度，对于车载发动机来说是必不可少的配套装置。随着我国现代化进程的加快，汽车工业的迅猛发展，机油冷却器市场中的需求越来越大，圆盘机油冷却器由于其结构及性能的优势，更是需求加大。
机油冷却器的装配工艺过程是其制造过程中非常重要的环节，装配质量的好坏直接影响机油冷却器的密封性能。可是，由于机油冷却器的结构特点限制，长期以来，在国内外这一工艺过程一直靠人手工操作，效率低，工作劳动强度大，且装配质量过多地受到人为因素的影响，致使机油冷却器质量的稳定性和可靠性不高。随着企业用户需求量的增加，扬州通洋机油冷却器有限公司准备建造一条针对不锈钢圆盘式机油冷却器的自动装配线。基于机油冷却器的结构特点限制，采用完全的自动装配是不现实的。因此在原来的手工装配线，开发一条半自动装配线符合该厂目前的实际情况。这既可以提高机油冷却器的装配质量，又可以节约大量成本。自动装配线由机械系统（包括装配输送线、装配机械手、定位装置、压紧设备等）、气压系统、电气系统和PLC控制系统等部分组成. 无疑它将是机、电、气一体化的产品。
关键词：机油冷却器，自动化装配线，压力机。
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I 目 录 第一章 引言 . 1 题的来源、意义 . 1 题的来源 . 2 题的意义 . 2 第二章 总体方案设计 . 3 油冷却器自动装配线的设计要求 . 3 配方案设计 . 3 配工艺分析与确定 . 3 配线传送方案的比较与确定 . 4 体方案的确定 . 5 第三章 压紧工位装备设计 . 8 油冷却器定位方案的比较与确定 . 8 油冷却器夹紧方案的比较与确定 . 9 头的设计 . 12 力机的设计 . 13 案设计 . 13 缸的选择与设计 . 13 紧气缸的选择与设计 . 13 头气缸的选择与设计 . 17 转气缸的选择 . 18 紧工位支架的设计 . 19 力机压头的设计 . 20 臂压杆的设计 . 20 动支架的设计 . 22 块的设计 . 23 块的设计 . 24 导套的设计 . 24 头导套的设计 . 24 杆导套的设计 . 25 缸连接件的选用 . 25 紧工位结构的确定 26 第四章 总 结 . 27 致 谢 . 28 参考文献 . 29 要 汽车发动机在高速旋转下发热量很大，尤其是大功率发动机，在高温下对汽车发动机润滑系统的可靠性要 求比较高。而机油冷却器可以保持发动机工作状态下可靠的润滑。提高其工作可靠性和寿命，降低发动机本体的制造精度，对于车载发动机来说是必不可少的配套装置。随着我国现代化进程的加快，汽车工业的迅猛发展，机油冷却器市场中的需求越来越大，圆盘机油冷却器由于其结构及性能的优势，更是需求加大。 机油冷却器的装配工艺过程是其制造过程中非常重要的环节，装配质量的好坏直接影响机油冷却器的密封性能。可是，由于机油冷却器的结构特点限制，长期以来，在国内外这一工艺过程一直靠人手工操作，效率低，工作劳动强度大，且 装配质量过多地受到人为因 素的影响， 致使机油冷却器质量的稳定性和可靠性不高。随着企业用户需求量的增加，扬州通洋机油冷却器有限公司准备建造一条针对不锈钢圆盘式机油冷却器的自动装配线。基于机油冷却器的结构特点限制，采用完全的自动装配是不现实的。因此在原来的手工装配线，开发一条半自动装配线符合该厂目前的实际情况。这既可以提高机油冷却器的装配质量，又可以节约大量成本。 自动装配线由机械系统（包括装配输送线、装配机械手、定位装置 、压紧设备等）、气压系统、电气系统和 制系统等部分组成 . 无疑它将是机、电、气一体化的产品。 关键词：机油冷却器，自动化装配线，压力机。 in a s s in of It is an of of of of of of is a in do a on as of of a on at It is is to of is An to up o., to its to up of So on is a at It of a of , LC it is a 外文资料翻译 1 of of 用曲臂 3 个自由度的相同并列式微型机械结构的实验设计 in of be In in to of a 3of To an of of of a of a EM on is of is to of To an as of to to of of is of to of 摘要 ：曲臂在机械的微小结构设计中已经代替普通机械连接而广泛地使用。然而，错误的曲臂模型会降低机械结构的精密度。在这篇论文中，为了得到正确的曲臂模型而设计了一种平面 3 个自由度相同型式的微型机械结构。为此，一种初步的运动学分析包括逆运动学，内部运动学以及有关工作协调的分析固定 模型已经被提出来了。首先，考虑到了 1 个自由度曲臂的循环类型，但是基于 是因为小轴沿着连杆方向延伸从而阻碍了机械的准确连接。为了解决这个问题，一种包括这种额外的运动机构作为三棱镜连接的 2 个自由度的曲臂模型已经开始部分地使用了。根据这种模型，确保了机械结构的精确性。通过模拟和试验显示了这种准确模型的有效性。这项工作强调了曲臂模型的准确性对保证曲臂在并列微型机械结构中的使用具有重要意义。 外文资料翻译 2 、 、介绍 in is a as a on of of of 1, 2, 3, 4, 5, 6 10 - 13 ) is to an of a is a of in of to in of to of of of be is on of of 微型机械装置在许多领域是一项关键且必不可少的技术，例如电子显微扫描， X 射线石版印刷术， 微型机械。最近，出现了很多有关利用曲臂的微型机械结构的分析和实验研究。以前的大多数研究（ 1, 2, 3, 4, 5, 6，等等 10-13）是使用 1 个自由度的曲臂作循环臂， 3 个自由度的曲臂作球形臂，并以此制作模型。然而，有时就算总量很小，曲臂也会做直线运动 。一些研究者认为曲臂有一种额外的自由度。但是，他们忽略了模型程序中的易动性分析，而且也没有提出在微型机械结构中使用正确的固定模型。这就导致了微系统执行的失败。因此，这项工作的焦点将会是基于易动性分析的曲臂模型的准确性。 of of of in to be be 1) to , N, L, i j of of as as of of i of N 外文资料翻译 3 运动性因独立变量的数目而被限制，而这些独立的变量为了寻找物体之间的相关联系必须明确说明。以上可以通过公式（ 1）来进行描述，式中 M、 N、 L、j 和 别表示运动性，操作空间自由度，连杆数目，连接物数目以及第 i 个连接物移动的自由度。运动性也表明了系统运转的最小值。当 M 比 N 大时，就成为冗余运动系统。 a of of of If a of of of in on of of of On if of of 2 of if of of of 2 to of of to to a to of 图 1 显示了一个拥有曲臂的 3 个自由度的微型机械结构。通常，在这些系统中曲臂可以作旋转连接物的模型。在图 2 中描画了曲臂的模型。如果所有的曲臂都有 1 个自由度，那么系统的运动性就有 3 个自由度。然而，以前一些基于这种假设的结果都是失败的，这是因为曲臂模型的不准确性。另一方面，如果所有的曲臂模型都有旋转连接物和三棱镜连接物，那么系统的运动结构就达到 12 个自由度。即使限定结构程序分析和理论分析能够使 2 个自由度的曲臂模型比 1 个自由度的曲臂模型有更准确的结果，但需 12 个运转结构来控制 3 个自由度比较昂贵。因此，曲臂的设计不仅要 将运动结构减至最少，而且还要确保机械结构的精密度及充分的工作空间。 In we a of to as , of is to is a 文资料翻译 4 a to If of of by a a of of . to 在这篇论文中，我们设计了两种类型的曲臂。第一种类型只用了 1 个自由度来制作相对较厚的颈下部分，如图 2 所示，这部分显示了铰链的厚度。第二种类型是用了 2 个自由度来制作相对较薄的颈下部分。因此，第二种曲臂是以拥有 1个自由度的旋转连接和 1 个自由度的三棱镜连接来制作模型的。如果系统的每一个链条都是由一个 2 个自由度的铰链和两个 1 个自由度的铰链组成，那么系统的运动结构就是 6。所以说，这种曲臂可以通过 6 个运转结构来操作。 in be of in of a of a by of s of be 论文中接下来的内容将有进一步的发展。第二部分描述了系统的构造。运动学分析和 3个运动结构及 6个运动结构系统的分析固定模型分别在第三和第四部分进行演示。第五部分描述了比较 2 个自由度和 1 个自由度的曲臂精密性模拟结果，同时也体现了所推荐的 6 个运动结构系统的优点。这种正确模型的有效性通过实验可以体现。 、 、系统构造 of in is a of as . in of of of 20 . to of at to a 外文资料翻译 5 to to of 文中所建议的 3 个自由度的相同并列机械结构是由一个工作平台和三个链条所组成的，每个链条有三个曲臂，如图 1 所示。这种机械在所有连接处使用了曲臂，而且所有的连接物都是通过压力运动因素而运转。三个链条之间两两间隔120。这种对称结构减少了因温度差异和 温度失调带来的影响。每个链条第一和第三个连接处都是通过与机器底部相连的一对压力运动结构而相反地进行运转。所有的运动结构推动每个连接物的圆形表面进行良好的滑动和旋转。 In a to 2 h () In of (). 在图 2 中示例了一种曲臂类型。这种曲臂旋转运动的位移等于 h( ) 之和 方向上的直线运动的距离为 A( )。 , of 、 3 个运动结构的系统运动学分析 In to a of of we be of of of 为了演示 1 个自由度曲臂模型的运动状况，我们将在图 3 中介绍这种 3 个运动结构的系统运动学模型。以前所有的曲臂模型只有 1 个自由度，而这种系统拥有 3 个运动结构。通过下图可以清楚地了解这种运动学分析。 A 、第一运动学 to of G of of G of or (, j) (i, ) a j i . (i, j) (i, j) i, j j 外文资料翻译 6 4) to 4) in i as u i . in a of in be a 5) 6). If of a of an as as of in to a to of a 7) a = 112131 T u = 第一运动学连接了输出速率向量和独立连接物速率向量。在下文中， G表示 下角的 G 表示并列机械手中连续的链条数目。 G 右上角和右下角的符号分别表示相关或独立的参数。 （， j） 和 （ i，） 分别表示第 j 个圆柱和第 i 排的 。 （ i,j） 表示 的第（ i,j）个要素。 i,j 表示第 i 个链条的第 j 个连续链条的角度速率。每个连续链条的速率关系通过公式（ 4）来描述，公式（ 4）中输出速率向量 和第 i 个连续链条的角度速率向量分别定义为 u 和 因为三条连续链条在平台中拥有相同速率，就有了公式（ 5）和公式（ 6）。如果把三个基础连接物作为独立连接物，照这个情形来说，挑选三个链条中每个相反的 的第一排构成了输出向量和独立连接物向量的速率关系，而这种速率关系又构成了一个本体，如下文公式（ 7）所示，其中 a= 11 21 31T，u= 7) in of of by 8) = 现在，颠倒一下公式（ 7）中的生产量关系， 第一顺序促进了系统的运动学联系，通过公式（ 8）可以了解，其中 1。 B, a 、固定模型 in a on as a in of or of or or in to to of 外文资料翻译 7 we as a to of 假设图 1 中使用的曲臂只在 Z 轴上有旋转移动，而忽视了其他方向上的转移。曲臂可以在所有的连接处被当作弹簧使用，在需要的力量下或需要的时刻弯曲或者展开（或压缩）。因此，为了计算输入量以便操作机器，我们必须利用同等的输出量作为参考来获得分析的固定模型。 Be of be 9), i of In a of of be 10), u u a u by of 10), we be 11) to 11), an to u, is 12), we to is is of of is a 分析固定本体得到第 i 个链条可以写成（ 9），其中， 示第 i 个链上第 平衡状态下，机械中贮藏的潜在能量可以用（ 10）来表示，其中 u表示相反的 得 和 u 发生细微置换，可以通过逆位 得。 示固定本体所划分的可操作空间。公式（ 10）中可以看出，输出的固定本体可以用（ 11）来表示。根据公式（ 11），一个有效的输出量向量归因于 u 的转移，被定义为（ 12），其中要注意的是当系统处于对称结构而且三个链条相同位置的连接物拥有相同固定性的时候， 一条对角线。 、拥有 6 个可动结构系统的运动学分析 of (b) of is of to an of be in of 每个连接处的曲臂被认为如图 3（ b）所示拥有 2 个自由度的话，系统的可动结构是 6 个。记录每个链条的第一个曲臂根据轴方向延伸拥有一个额外的三棱形连接体。在下文中将叙述这个情况的运动学分析。 外文资料翻译 8 A A、第一运动学 of x, y) of (13), (14), (15). of of i1 of of ij of on be 16) of in of of we 17), (18). we of is of a of If 17), (18), of a) p) by 19) 19) 16) 20). of 21) 对每个链条来说，中心位置（ x,y）和操作平台上的方位分别表示为（ 13）、（ 14）、（ 15）。图 3 中实际连接物的长度表示为 中 示第 i 个链条上三棱形连接物的转移， 示连接物的固定长度。区分上述关于每个连续链条的第一运动学关系的时间生产量等式可以用（ 16）来表示。因为这三个连续的链条在平台中心拥有相同的输出速率向量，所以我们有公式（ 17）、（ 18）。这里，我们认为每个链条第一和第三个连接物是独立连接物。因此，一共有 6 个独立连接物。若重新排列（ 17）、（ 18），那么独立连接物（ a）和相关连接物（ p ）之间的关系可通过（ 19）获得。把（ 19）插入（ 16）可得（ 20）。最后，输出和独立连接物速率之间的关系通过（ 21）可得。 B, on 、相反运动学 is a x, y) a , of 21) 22) In a u (22) to 23) to + be to is 22) 文资料翻译 9 K an of 24), 给出平台的一个中心位置（ x,y）和一个方位角度，所有并列链条的连接物位置都可以获得。因为细微移动但与（ 21）相等的关系由（ 22）可得。在 6 个可动结构系统中， a 的尺度范围比 u 大。因此，（ 22）的相反关系由（ 23）可得，其中 重的伪相反分解用 表示。这表明将系统潜在能量减至最低程度的最佳分裂是以（ 22）为条件的。 K 示一个有效的固定本体与 6 个独立连接物有关，参看（ 24），其中 示固定本体与相关连接装置相一致。 of 25), (26) 最后，独立连接物和相关连接物的转移由（ 25）、（ 26）获得。 C, a 、固定模型 of of 27), (28), of 独立连接物和附属连接物的固定本体分别写成（ 27）、（ 28），其中 示第i 个链条的第 j 个连接物的固定性 24) to 29), = K 输出遵守本体与（ 24）所给的固定本体相等，表示为（ 29），其中 1。 to u, 30), = 因此，有效的输出量向量归因于 u，定义为（ 30），其中 1。 试验 be to of a of be 12) or 30) EM to by 文资料翻译 10 is EM be on of of a 以用来证明系统分析固定模型的可行性。给出平台的内在极小转移，要求 转移系统的操作力量向量可以通过公式（ 12）或者公式（ 30）计算得出。而在 境中，力量向量适用于实质模型。最终，通过比较，由分析模型给出最初转移的 型的输出位移向量可以检验出基于可动性分析的固定模型的可行性。 in x y 100 in 0 . to be . 系统工作空间在 x 和 y 方向上是 0100方向上是 0 拟试验结果在图 4 至图 6 中可以看出。 in a On of in 0 of in of of of 拥 有 3 个可变结构的微型机械装置在命令和其他所有方向都表现出严重的错误。另一方面，拥有 6 个可变结构的微型机械装置在命令方面表现出 510的微小错误，而在其他方面表现的则只是一些微不足道的小错误，因此，拥有 6个可变结构的系统比 3 个可变结构的系统有更高的精密性。 . a a 7.4 in x y to by 100 in 0 . In we a of to of to of in be 文资料翻译 11 A in of A in is to is a of a to in at of / T in x y be on of to be / T of to 由 9 个曲臂构成的发达的机械手可以制作一台金属线切割机。六组相反发动的 入使用。 直径是 器在 x 和 y 方向上允许的范围是 0100方向上 0在这部分中，我们做了一些实验来证明模拟试验结果的有效性。这些试验的目的是通过与模拟的预测固定性比较，证明发达机器可操作固定性的发展趋势和价值。图 8 显示了实验的操作。在图 9 中更详细描述。估量可操作固定性的实验会出现在下文中。一个圆柱形的撑杆连结在 6 个运动结构系统的中心。一根水平横木连结在撑 杆的顶部，这根横木是用来测量旋转固定性的。撑竿的中心部分是通过一个 转的，末端运转位移通过 测量的。发动机设置在连结机械手底部的 F/T 计测器中， x 和 y 方向上的固定性可通过分配精确的力量信息来估计，而这种力量信息又可以通过 F/T 计测器的反作用来估计。 of to 0 of of in in on in x y to 9 of of k 通过推动水平横木和测量因 3 个自由度的机械装置旋转而产生的旋转轴来测量旋转固定性。图 10 显示了实验结果。坡度体现了在 3 个自由度的机械装置中每个方向上的固定性。观察表明，在 x 和 y 方向 上的固定性是完全相同的，这证明了先前 9中所报道的分析结果。从试验和模拟中获得的可操作固定性在表 1中列出了，其中 示倾斜术语 As , 0% of 文资料翻译 12 It is of it 毕 业 设 计 任 务 书 毕业设计题目 机油冷却器自动装备线压紧工位装备设计 指导教师 职称 专业名称 班级 学生姓名 学号 设计要求 3000 字以上） 完成毕业课题的计划安排 序号 内容 时间安排 1 外文资料翻译 2 搜集相关资料并调研，完成调研报告 3 进行 机械零件的设计及机构的选择，并完成相关的工艺 ，编写说明书，绘制相关图纸。 4 整理毕业设计说明书并定稿，准备答辩 5 答辩 答辩提交资料 外文资料翻译，毕业设计调研报告， 毕业设计说明书，相关图纸。 计划答辩时间 1 第一章 引 言 随着汽车工业的发展，发动机的转速和功率不断提高，热负荷也越来越大，对发动机润滑系统的可靠性提出了更高的要求。而机油的温度是影响可靠性最主要的因素之一。机油温度过高，其粘度和稳定性显著下降，氧化变质加剧，机油的压力偏低，润滑性能显著下降，这容易造成烧瓦轴、烧曲轴、缸套拉伤等故障。因此，为控制发动机机油的温度，保证各部件可靠而有效的润滑，当机油的温度超过一定值时，就应该使用一定的装置使其降低到合理的范围，机油冷却器就是用来对发动机润滑用机油进行冷却的装置，它可以保持发动机工作状态下可靠的润滑，降低发动机零部件的磨损，提高其工作可靠性和寿命，同时由于润滑性能得到保证，也就间接地降低了发动机本体的制造精度，所以机油冷却器对车载发动机来说是必不可少的配套装置。目前，圆盘式机油冷却器由于其结构紧凑、冷却效果好得到广泛应用，市场需求不断增加，预计今年扬州通洋机油冷却器有限公司产量将达到 40 万件。 冷却器中有一个芯子总成，它由多层空心圆盘状散热片组成，各层之间有一层水隔板，他们交替地堆叠起来并通过钎焊焊接在一起。芯子总成与冷却器下壳之间也是以钎焊实现连接与密封的。各层散热片的空心部分由两根上下串通的孔道相连，一个圆孔，一个方孔，分别作为进、出油孔，机油通过这两根管道在芯子总成内部流动，而水在芯子总成与冷却器外壳之间的空腔循环。二者是完全隔开的，这样就实现了机油和水的热交换。 义 本课题是扬州通洋机油冷却器厂的委托项目。该厂现有采用的是人工装配。在芯子总成装配中，工人仅用一面一孔定位（套筒固定散热片中心孔），周向定位完全是靠人工调整，最后用长销，利用散热片的圆孔矫正定位。然后再由另外一名工人拿到压力机上，加压块和螺母（机油冷却器的中心孔内插有一底部联结一圆盘的长销 ，长销的另一端加工有螺纹，垫入一块压块后，旋入螺母），按动气动按钮对机油冷却器进行预紧，然后手工拔除长销，再加压保压，手工旋紧螺母，最后通过按钮松开冷却器。可以看出整个装配过程显得很复杂，而且都离不开人的应变性，智能性。 基于市场的需求，要扩大生产规模，因此扬州通洋机油冷却器厂委托李益民2 老师设计一套自动装配线，来提高生产率，降低生产成本，保证产品质量，减轻工人的劳动强度。 题的意义 本项目的创新之处在于采用机电气一体化的自动化技术来解决 制约机油冷却器产品质量和产量提高的装配工艺的瓶颈，实现由 人工装配向自动化装配的转变。目前 机油冷却器自动装配线 的研制开发在国内同类型生产企业尚属首次。 随着我国现代化进程的加快，汽车工业得到了迅猛的发展，扬州市的汽车工业已成为扬州多个优势产业中的一个， 我市 的水箱、油箱、活塞环等在业内具有一定优势， 目前 扬州 正努力 成为全国乃至世界的汽车零部件基地。 而机油冷却器可以保持发动机工作状态下可靠的润滑。提高其工作可靠性和寿命，降低发动机本体的制造精度，对于车载发动机来说是必不可少的配套装置。圆盘机油冷却器由于其结构及性能的优势，在机油冷却器市场中的需求越来越大。 通过本项目的 研制开发，促进圆盘机油冷却器产品制造企业的制造装备的技术进步，降低产品的制造成本，保证产品的装配质量，提高产品的装配工作效率从而提高产品的质量和生产率。以适应企业扩大生产规模，及时应对国内外客户的订货需求。因此本项目的实施对企业的发展、技术进步及创造良好的经济效益与社会效益都具有十分重要的意义，同时也对 扬州 努力 成为全国乃至世界的汽车零部件基地 起到推动作用。 3 第二章 总体方案设计 厂方要求装配线的总长不超过 5米，装配线要达到单班（ 8小时）日产 1200件以上。 完成单件装配平均耗时 : 8 3 6 0 0 2 4 ( )1200t S S 因此装配线的任何工位耗时都不得超过 24 秒。这就要求本设计要达到紧凑的结构和较高的装配效率的统一，在设计中，我们要充分地考虑装配质量、效率和成本。 本课题的难点在于产品结构比较复杂（详见图 2油冷却器爆炸图），机油冷却器的自动化装配，由于受其组成零件的不同类型及形状限制，很难实现其全部零件的全部自动化装配。由图可知装配过程中大量重复性动作主要集中在水隔板焊片（铜片）、 水隔板、散热片的交替装配上。在本设计开始之前，芯子总成的手工装配效率很低，主要是由于散热片、水隔板、以及铜片的数量比较多（分别为 11、 12和 24片），每层装配都要保证位置精确，并且不能装错数量和顺序，否则产品会不合格。这是多次的重复劳动，耗时很大。因此该工位可以通过机械手交替装配实现自动化。上下盖和上下外壳的装配量很小（各为 1 片），而且结构不利于机械手的抓取，因此采用人工装配。 水隔板焊片（铜片）、水隔板、散热片的交替装配在实现自动化装配的时候要考虑到如何更好的实现机械手的抓取。因为铜片面积小，中间多孔，无 法用真空吸盘抓取；又因为 铜片很薄，质量轻，不易于磁吸盘分料抓取。所以我们在设计前打算对 水隔板 结构进行适应性改造，取消了水隔板与散热片之间的 24 层铜片钎料，采用 复合材料（水隔板两面镀铜），或用事先由另外一个工序将水隔板 4 图 2和两面铜片焊合的水隔片总成取而代之。这样就可实现对水隔片总成和散热片的机械手自动装配。又考虑到每个工位不得超过 24秒，而装配零件数又很多，我们决定把机械装配工位设计为两个机械手工步，以达到减少工时的目的。 水隔片总成和散 热片都为薄片形状零件，其自动装配通过机械手动作实现。由于水隔片总成零件表面积不大，故考虑采用磁盘式机械手装配；而对于散热片零件，其表面积较大，可采用吸盘式机械手装配。这两个零件的装配顺序通过可编程控制器来控制。 在机油冷却器装配完成主要所有零件的装配后，需要对机油冷却器进行压紧，然后再夹紧，完成零件的最后装配。 现有的人工装配时该工序是通过螺旋夹紧，即把机油冷却器通过中心孔套在一个中间插有长销（长销的另一端加工有螺纹）的底座上，垫入一块压块后，按下气动压头开关，在压头压紧冷却器时手工旋入螺母进行夹紧。现在自 动化装配线上，为了有利于实现装配自动化，节约装配时间，以及保证装配的可靠性和稳定性，我们通过压力机来实现机油冷却器的自动压力夹紧。 按照自动装配的要求，装配机（线）的结构可设计为圆盘回转式、直进式和5 矩形环转式。 方案一：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。但是在本装配中，我们还有两个手工工位，它不宜与手动装配一起组合装配。且占地面积较大，也不可驻料工作，工时较长。可行性差。 方案二：直进式 ，直进式包括非同步直进式和同步直进式。非同步直进式装配工位数不受限制，调整较灵活，基础件间歇传送。适用于自由节拍、装配工序复杂、手工装配与自动装配相组合的装配线上。同步直进式的每个工位的生产节拍是同步的，相对自由性较小。本案例要用随行夹具定位，并且解决随行夹具的返回装置。这里随行夹具在压紧工位的卸与之后的自动上装是难点较大的设计。可行。 方案三：矩形环转式，拥有直进式的优点，占地面积大，可以两组装配线同时工作，节省工时。并且无需设计随行夹具的返回装置，只要一个换向装置。可行。 厂方要求占地面积较小， 生产线不得超过 5 米，基于厂方的意见与分析我们采用同步直进式装配线。 体方案的确定 结合以上对机油冷却器的装配工艺的分析，机油冷却器自动装配线的装配工序和装配方法为： 图 2第一工位：这一工位是在随行夹具到位后人工放上底座、下盖、下盒以及铜焊丝，并可能在底座和下盖间放上一张石棉纸，以防止入炉焊接过程中夹具体损伤下盖表面。 第二工位：这一工位使用两个机械手装配散热片和水隔片总成。其中散热片用吸盘式，水隔板用电磁式机械手。二者交替动作，进行芯子总成的装配。 第三工位：手工装配上壳、上 盖以及焊片，并放上石棉纸和压块。 6 第 四 工位：压力机自动压紧装配好的工件，并夹紧。最后压头复位，工件由工人取下。随行夹具也由一个气缸推离抽头，等待回送到装配线起点，以再次利用。 机油冷却器自动装配线的总体布局，及自动装配线的运动循环图如下 ： 图 27 图 2动装配线的运动循环图 8 第三章 压紧工位装备设计 机油冷却器外形如图 3示： 图 3手工装配中，先用两个定位孔进行周向定位，装配下盖、铜片、下壳及三四层的水隔片和散热片。在有一定高度时在进油口插入一根长销，底座的中心轴上套上套筒采用中心孔和进油孔定位，装配以上的水隔片和散热片上壳体与上盖。可以看出其自动化定位程度低，不易于实现自动化装配。为了实现装配自动化，整个产品所有零件的装配都应尽量采用统一的定位基准。小组考虑的定位方案有： 方案一：采用中心孔和进油孔定位 中心孔是通的，直接由底座（带长销）定位，但是由于下盖在进油孔位置不通，只能在芯子装配一定高 度再加入长销定位，这样前面的芯子就没有被定位到。不可行。 方案二：采用中心孔和出油方孔定位（两者上下都是通的）。设计一个带柱销和方销的夹具，由于上盖的方孔比其它的方孔都小，所以方销尺寸应该以冷却器压紧时方孔的高度来设计，上盖以上位置的方销小于方盖以下。问题是位置定了之后，当压紧时，只要当压过设定高度，就会造成对方销的压损。改造：以上盖方孔的大小设计上下同粗的方销，但这样由于太薄，销的周向定位削落了。可行性弱。 9 方案三：采用两个小孔定位（原来不通的，将其做成上下贯通的通孔，不影响产品的任何性能），但是由于定位 销过于细长，装配中这定位销的导向部分会太细，刚度和强度会较弱。鉴于两小孔在冷却器的工作中不起任何作用 ,可对其结构适当修改加粗。可行性强。 经过小组对其装配工艺反复讨论后，决定用这两个圆柱销所在位置的两个小孔定位。经厂方同意，将小孔直径由原来的毫米扩大到毫米，这样改进后用其定位的可行性大大提高。与之对应的两个定位销直接装配在随行夹具上（随行夹具请看李红兵的设计），这样就实现了装配线的自动定位。 图 3行夹具 现有的手工装配中，采用的六角螺母和螺栓夹紧， 用气缸驱动压紧，压力机（工作压强约在 紧壳体后，拧紧六角螺母之前需要用钳子将套筒和长销拔出，以保证手工拧紧螺栓时的空间，操作上费时又费力，这在自动装配过程很难实现。自动化装配线上，为了有利于实现装配自动化，节约装配时间，以及保证装配的可靠性和稳定性，我们需要对先前的定位（上面已经阐述）及夹紧机构进行优化设计。 方案一：螺栓式夹紧 由于定位方案中取消了套筒，只要在上个手工工位装配上压块和螺母。问题是对于螺母的自动旋紧难度较大，它需要配有自动扳手才能实现装配自动化。可行性较差。 10 图 3栓式夹紧 方案二：采用楔块自锁 斜面角度取 4，夹紧后可靠自锁实现夹紧。压紧工件后工人稍稍用力把楔块推入夹紧杆的楔形槽即可实现冷却器的夹紧。工人的操作时间减少，但是，这种方案仍用了压块和楔块两个装置，且需要人机共同作业，没有实现完全的自动化。不是最佳方案。 图 3块夹紧 方案三：具有棱柱止动杆的单向机构 在压块的周向设计由弹簧和止动块，在夹具杆上的压紧高度段上设计一段棱柱齿，这样，压块能向下运动反向不能。11 但是 ，该压块的加工相对较复杂，对于大批量的生产经济性较查差，方案可行性差。 方案四：螺旋槽夹紧 在夹紧杆上面设计道矩形的 L 型螺旋槽，其一段是直槽，末端是 4的螺旋槽。在压块的下端面处设计一个卡齿，压块沿着螺旋槽先向下直线运动，再旋转卡住螺旋槽，从而夹紧。该压块可通过铸造成型，但铸造成型的零件工艺性较差。压块如图 3 3块 方案五：方案四的改进。为解决铸造压块的工艺性问题，可在压块上面开对称孔，孔内安装销，以起到卡齿的作用。可行性好。 图 3旋槽夹紧 12 经过比较最终采用方 案五 螺旋槽夹紧。如图 3示，在夹紧杆上面巧妙地设计了一道矩形螺旋槽，其一段是直槽，螺旋角取 4，螺距 4压块上面安装了一根销，直径为 6压力机工位的前一工位，由工人装配上盖等零件的同时把压块放上去，使销恰好放在直槽内，这时销与螺旋槽起点还有一定的距离，当压力机压头把冷却器上盖压下时，销随压块在重力的作用下自动落到螺旋槽的起点处，这时利用一个摆动气缸将压块转动一个角度，销带动压块随螺旋槽下移，从而将机油冷却器夹紧。这种方法取消了套筒，只用一个简单的压块就实现了冷却器的完全自动夹紧。 如图所示，在压块转动以前，定位销顶端有一部分露在外面，显然会妨碍压块的转动，为此需要先将定位销（随行夹具）拔除，然后再夹紧。抽销的动作采用气缸驱动。这一部分关键是抽杆和导轨的设计。 我采用 T 形槽结构，及从随行夹具的一端开个 T 形槽（不通，在另一端留有 10厚度，并且开口端与装配线的流线方向一致。）；相对 T 形槽的形状设计一个抽头；同时在冷却器压紧工位处的导轨为了让随行夹具从下抽出，导轨在宽度上要向外阔出，大于随行夹具的宽度。同时导轨的台面也要上升，上升到底座的高度（底座的直径要大于随行夹具的 宽度）来做底座的支撑台面，好进行压紧与夹紧。 抽头设置在 T 形槽同一高度，随着工件输送到位，随行夹具已经套入抽头，然后气缸驱动将销随随行夹具一起拔出。如图 3 图 3杆示意图 13 前面阐述了机油冷却器在整条线上的定位问题，以及最后压力机工位的夹紧方案，在此基础上，我们才得到了压力机的总体设计方案。如图所示 ,压力气缸驱动悬臂压杆先将装配完所有零件的机油冷却器压紧，随后另一气缸驱动抽杆将定位销随随行夹具拔除，然后一个摆动气缸驱动一个装了拨销的转块，拨销带动压 块旋转一个角度，将工件夹紧。最后悬臂压杆台回摆动气缸转回。 如图 3 图 3紧方案示意 （ 1）气缸的布置位置：气缸的布置位置大体上有以下两种，如图 3示。 图 3缸布置示意 14 第一种布置形式是正对悬挂式，气缸的活塞杆不受径向力，对导向装置的要求比较低；但是活塞杆受压力，输出力比较大时需要进行稳定性验算；气缸采用脚架式安装，需要制造很高的支 架；安装螺栓受剪力；压头与活塞杆正对机油冷却器，由于机油冷却器的结构特点，这种结构会妨碍摆动气缸的安装。因此不予采用。 第二种布置形势是旁置落地式，气缸安装位置很低，低于导轨面，采用图示后置法兰式安装，虽然要求悬臂压杆有很高的刚度和强度，气缸法兰处螺栓和地脚螺栓会受较大的拉力，活塞杆导套会受很大的径向力，但是如果采用较大的地脚螺栓，在压下位置让导套尽量靠近悬臂压杆，这种力是可以降低到可接受的程度的；由于不需要很高的支架；活塞杆受拉，不存在稳定性问题；落地式安装稳固；压块活动空间很大；这些都是明显优于前者的， 所以决定采用这种布置方案。（ 2）缸径的选择 根据工作机构所需力的大小，考虑气缸载荷率确定活塞杆上的推力和拉力，从而确定气缸内径。 气缸由于其工作压力较小（ 其输出力不会很大，一般在10000N（不超过 20000N）左右，输出力过大其体积（直径）会太大 。通洋机油冷却器厂目前这类产品的人工装配线所用的气缸缸径为 250限输出力为5t（工作压力为 ），据车间的技术员介绍机油冷却器的压紧需要 1 吨左右的力。据我们现场所见，平时作业中工作压力为 人师傅根据经验适当 地增加，但很少超过 想这主要是根据厂里气压站提供的气源压力设定的，该厂的气源压力本来就比较低。厂里的气源压力如果很高，使压力机工作在 上，那么气缸的直径还可以进一步减小。但是由于气压站气源压力不高，经过减压阀以及各级管路损失，该厂压力机工作在 较适宜，因此我的计算仍采用这一参数选择气缸直径。 气缸在 作时，不考虑效率因素所能提供的压紧力为 24F D P 即 求得： 64 4 9 8 0 0 2 4 9 . 80 . 2 1 0FD m 可见，选择原缸径 D=250比较理想的，只要保持在 上的工作压力，就可以保证 1t 的压紧力，并且压缩空气的利用率比较高。因此，压紧15 气缸缸径选择 250 （ 3） 气缸行程 气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用来夹紧 的 机构，为保证夹紧效果，必须按计算行程多加 10 20行程余量。 在本设计中，压紧气缸的行程主要需要考虑两个问题： 行程太长，会造成压力机高度尺寸过大，与导轨的高度不协调，与压头导柱相配合的导套高度相应增加，其刚 度难以保证，因此导套乃至整个气缸支架的受力条件都会恶化，这就间接的需要增加其结构尺寸；并且，压头导柱过长，也会影响其刚度和装配效率。 行程过短，不利于从导轨面上将机油冷却器的零件或者连同其随行的夹紧杆，抽头方块等一起取出，也不利于在线检查和维修时（如机器调试检查或中途出现故障时）的操作。为此根据卸取物品人通常所需的空间，我们小组三人通过统计与协商，最后确定压紧气缸的行程为 200且压头底端行程下限在压紧时也留有适当的余量，以适应将来可能装配其他高度尺寸比较小的冷却器产品（如 6 片式）的要求。具体尺寸见装配图。 （ 4） 安装形式的选择 安装形式由安装位置、使用目的等因素决定。在一般场合下，多用固定式安装方式：轴向支座（ ）前法兰（ ）、后法兰（ ）等；在要求活塞直线往复运动的同时又要缸体作较大圆弧摆动时，可选用尾部耳轴（ ）和中间轴销（ ）等安装方式；如需要在回转中输出直线往复运动，可采用回转气缸。有特殊要求时，可选用特殊气缸。 具体的安装形式及其特点见表 3 16 表 3气缸的安装形式 分 类 简 图 说 明 固 定 式 气 缸 支座式 轴向支座 轴向支座，支座上承受力矩，气缸直径越大，力矩越大 切向支座式 法兰式 前法兰 前法兰紧固，安装螺钉受拉力较大 后法兰 后法兰紧固，安装螺钉受拉力较小 自配法兰式 法兰由使用单位视安装条件现配 轴 销 式 气 缸 尾部轴销式 单耳轴销 气缸可绕尾轴摆动 双耳轴销 头部轴销式 气缸可绕头部轴摆动 中间轴销 气缸可绕中间轴摆动 17 根据上面对气缸布置位置的分析可知，采用后法兰式安装是最好的选择，这种安装，螺栓的安装位置最低，最可靠稳固，安装方便美观，制作的支架结构简单。由于气缸的安装螺栓强度不需要校核，所以，地脚螺栓与安装螺栓性能等级相等的情况下，只要其 直径比安装螺栓大，那么就不需要进行强度校核。在此，地脚螺栓直径选 24脚角钢选 10 号，厚度为 12 b=100mm,d=12 压紧气缸的型号选择为 如图 3示，气缸的缸径和行程选择应参考以下的结构尺寸。 图 3销气缸行程示意 缸径参数由于没有实验条件，只能粗略地估算。气缸主要克服的是定位销与冷却器定位孔之间的摩擦力，这个力不会很大，选取缸径初定在 80内。由于随行夹具的高度为 156虑到抽到下限时 ，定位销顶端离支架底面还应有一定的距离，整个气缸的有效行程为 186了气缸的安全不能使用气缸的满行程，为此选取气缸的标定行程为 200于气缸的行程较长，为了使其有较好的导向刚度，气缸的直径不能太小，为此最终选取缸径为 100缸型号为 压紧气缸和抽头气缸都是选用的 列，它是 列的改进型号，由优质碳素结构钢制造，坚固耐用。其外形如图 3 18 图 3缸外形 摆动气缸有叶片式和齿轮齿条式，叶片式结构比 较紧凑，但是由于输出扭矩较小，受到冲击叶片容易损坏等缺点。实际生产中广泛采用齿轮齿条式。这种气缸的工作原理是：气体推动活塞的直线运动带动齿条直线运动，齿条与齿轮啮合，使齿轮输出回转运动。摆转角度一般有 90、 180、 270 度三种。这种气缸克服了叶片式的一些缺点，但是其不足之处是结构尺寸比较大，由于齿条的存在，摆动气缸外形很长，如图 3示： 图 3轮齿条摆动气缸 图 3形摆动气缸 我们到厂里没有得到具体 的锁紧螺母所需的扭矩数据，但是我们实地观察了工人的操作，并且尝试了自己锁紧的过程。我们用的是一个 250右长度的扳手，扭转了 1/4 圈左右，并且力度不大，大约 50N。由此算出扭矩 M=50* 我们最终选用了烟台未来自动设备有限公司生产的 列方形摆动气缸。这种气缸比一般的齿轮齿条式摆动气缸长度尺寸缩短了一半。我采用的型号为要技术参数为缸径 63动角度 270 度，在 力下输出扭矩 30图 3 19 导轨支 架支撑角钢的设计选用： 根据材料力学知识，这四根角钢承受的是压力，对于压杆，只要进行了稳定性计算，就不必进行强度校核。 本设计的四根杆没有钻孔等局部削弱，只是在距离地面约 758为杆长的 3/4）处焊接了支撑抽头导套钢板的角钢钢板，导套受力很小，焊接深度和 焊缝长度都不大，对杆的削弱很小。所以只需进行稳定性计算，选用合适的角钢即可。 由本设计的结构和受力条件，取四根角钢之一研究，按照选用气缸的最大压力 5吨（即工作在 每一根角钢都可看作两端固定结构，因此长度系数 =轴向压力为 度为L=235钢材料的许用应力为 =150 由经验压力机工位的导轨支架立柱采用其他工位用的 4#角钢，即b=40mm,d=4远满足稳定性要求，从而根据材料力学知识，也一定满足强度要求，可放心采用。 另外， 材 在任何普通生产条件下都能焊接，没有工艺限制，对于焊接前后的热处理及焊接热规范没有特殊要求。焊接后的变形容易矫正。厚度大于20 构刚度很大时 才 要预热 ，而通常用的 35、 40、 45号钢 在 一般 情况下， 焊接时有形成裂纹的倾向，焊前应预热，焊后应热处理，只有有限的焊接热规 范 可能获得较好的焊接性能 。所以采用 质的角钢焊接支架的主体结构是 不错的选择。两个气缸和两个导套都安装在 板上，钢板与角架焊接成型。 最终确定结构如图 3 20 图 3架焊接结构 悬臂压杆是压力机中受力较大的零件，它把机油冷却器压紧的同时会受机油冷却器的反作用力。在实际工作压力下， 我用 的应力分析工具进行了设计尝试，反复修改方案，最终获得了比较满意的结果。 图 3臂压杆及其受力示意 如图 3的应力分析条件是：在 A、 B 两面施加约束，其中圆柱面 B 面的约束相当于压力机压下时导柱顶端的台阶面限制其轴向位置。然后在 D 面上施加一个均布载荷 F=10000N，相当于压紧位置机油冷却器在 1t 的工作压力下给悬臂压杆的反力也是一吨。然后我分21 别在不同的结构参数和材料参数下做应力分析。得出了以下结果： 悬臂压杆厚度 b=35， 加强筋 C 厚度取 d=10余的结构参数在几次应力分析中保持不变（具体见零件图）。材料选择普通铸造碳钢，进行应力分析。如图 3 结果可知最大应力在加强筋边缘为 175 这时的安全系数只有 按照软件提供的建议，安全系数在工作压力下应不小于 以存在隐患，须要更完善的设计。有两种方法：或改进材料，或改进结构。 图 3力分析图一 图 3力分析图二 22 （ 1）考虑用可锻铸铁代替铸造碳钢 其他结构参数和加载条件不变，再次进行应力分析，得到图 3果。显然，最大应 力为 177全系数达到了 足条件，生产中也比较通用。 （ 2）仍然选用普通碳钢，铸造毛坯，但是加强筋的厚度改为 d=20 加载条件和约束条件不变。得到如图 3果 图 3应力分析图三 可见最大应力变为 109全系数也升到了 也保证了在工作压力下安全工作。 两种方案都可行，在这里我选用可锻铸铁。 摆动气缸受力不大，可用普通钢板焊接而成，也可以用钢板弯制而成。但是不宜用铸造和锻造。因为装配线零件属单件生产，力求制造工艺简单。 铸锻件工艺过程复杂，表面需进行机械加工，还要制造模具，很不经济。所以我采用焊接件。具体见零件图。 23 图 3撑架 转块是把摆动气缸的转动传递给压块的机构。转块与压块的周向传动依靠装配在转块上的两根长销带动（压块也在轴向打两个销孔，压头下压时长销插入销孔，带动压块转动），为了增大转距，两长销中心轴应设计的尽量大。在转块与气缸输出轴之间的周转传递可用键或销，由于轴是向下竖直安装的，转块在用键连接时，竖直方向还需要轴端挡圈来定位。但是基于转块的结构局限无法安装轴端挡圈。所以在径 向用对称的销连接，既轴向定位又可周向转动（这里径向与轴向的受力都不大，故可用销）。 图 3头 24 前面在机油冷却器夹紧方案、转块的设计中都有说到压块的设计，就不重复了。由于随行夹具上的定位销比产品的高度高，装配之后会有一段销露在冷却器外面，在放上压块时会顶住压块，给压块在径向造成不稳定。因此，还必须在块 的轴向打两个孔，以便压块的装配。 图 3头 两个导套的作用是保证导杆和抽杆的径向位置精度，运动中的刚度。一般把导套通过螺栓联接在安装板上 ，安装板再联接或者焊接在支架上，而不是直接焊接在支架上。这就要求导套不仅要有导向的内圆柱面，还应该有安装螺栓的翼板部分。可以把导套和翼板铸造成一体，也可以把导套焊接在钢板做成的翼板上。这里我采用了后者，主要是考虑导套比较细长，而翼板又要求有一定的宽度，铸造成一体工艺上要求比较高。但是采用焊接不足之处就是焊接容易变形，导向的内圆柱面焊接后精度不容易保证。 在本设计中气缸输出轴在轴向是不希望其转动的，因此我们在抽杆上沿轴向设计了一个导向槽，导套上开一个销孔，装配好抽头与导套之后，插 入销，使抽头可以轴向滑动，周向不可转动。 25 图 3头导套 设计原理与上相同，不过由于压力机导杆比抽杆长，为了保证导杆的轴向精度，因此导套的高度应设计的高一些。 图 3杆导套 气缸活塞杆接头的选用， 这属于气缸附件，不同气缸的接头有不同的要求和形式，对本设计的气缸
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