1、第一章 緒 論引言隨著我國現代化進程的加快, 汽車工業的迅猛發展, 對圓盤式機油冷卻器的 市場需求量越來越大。可是長期以來,其裝配過程一直靠手工操作,效率低,勞 動強度大, 為改變圓盤式機油冷卻器手工裝配的狀況, 提高裝配質量與效率, 揚 州通洋機油冷卻器廠委托我們為其設計圓盤式機油冷卻器自動裝配線。通過對該裝配線的設計, 將促進機油冷卻器制造企業的技術進步, 降低產品 的制造成本, 保證產品的裝配質量, 提高產品的裝配工作效率從而提高產品的質 量和生產率。 以適應企業擴大生產規模, 及時應對國內外客戶的訂貨需求。 因此 本課題的實施對企業的發展、 技術進步及創造良好的經濟效益與社會效益都具有

2、 十分重要的意義。1.1圓式機油冷卻器裝配技術現狀及趨勢揚州通洋機油冷卻器廠給出的圓盤式機油冷卻器如圖 1-1所示。在高速的情況下, 機油溫度升高, 機油高溫下油氣產生的壓力也高, 從而影響到 機油的物理穩定性, 造成潤滑不良, 增加機車內部零件的磨損, 所以需要在機車 上加上機油冷卻器對機油進行有效的降溫冷卻。圓盤式機油冷卻器帶有獨立水 套,結構緊湊,傳熱系數高,安裝使用極為方便。冷卻器中有一個芯子集成, 它由多層空心圓盤狀散熱片組成, 各層之間有一 層水隔板, 他們交替地堆疊起來并通過銅片焊接在一起。 芯子總成與冷卻器下殼 之間也是以銅片實現連接與密封的。 各層散熱片的空心部分由兩根上下串

3、通的孔 道相連,一個圓孔,一個方孔,分別作為進、出油孔,機油通過這兩根管道在芯 子內部流動, 而水在芯子與冷卻器外殼之間的空腔循環。 二者是完全隔開的, 這 樣就實現了機油和水的熱交換。 圖 1-1 機油冷卻器圖圓盤式機油冷卻器的裝配工藝過程是其制造過程中非常重要的環節, 裝配質 量的好壞直接影響機油冷卻器的密封性能。 長期以來, 這一工藝過程一直靠人手 工操作, 效率較低, 工人的勞動強度大, 且裝配質量過多地受到人為因素的影響, 致使機油冷卻器質量的穩定性和可靠性不高。隨著企業用戶需求量的不斷增加, 裝配工藝過程已成為制約產量提高和企業發展的瓶頸。 要形成規模化生產, 其裝 配工藝過程必須

4、實現自動化 , 這樣才能提高生產率,降低生產成本,保證產品質 量,在不久的將來,自動化裝配將逐漸替代手工裝配。1.2課題的來源、意義及主要內容本課題是揚州通洋機油冷卻器廠的委托項目。該廠現有采用的是人工裝配。 在芯子總成裝配中,工人僅用一面一孔定位(套筒固定散熱片中心孔 ,周向定 位完全是靠人工調整, 最后用帶有長銷的托盤, 利用散熱片的圓孔矯正定位。 然 后再由另外一名工人拿到壓力機上,加壓塊和螺母(長銷的另一端加工有螺紋,墊入一塊壓塊后,旋入螺母 ,按動氣動按鈕對機油冷卻器進行壓緊,手工旋緊 螺母, 最后通過按鈕松開冷卻器。 可以看出整個裝配過程顯得很復雜, 而且對人 的基本技能要求較高,

5、存在很大的不確定性,容易對生產效率產生影響。 基于市場的需求, 必定要擴大生產規模, 因此揚州通洋機油冷卻器廠要制造 一套自動裝配線,來提高生產率,降低生產成本,保證產品質量,減輕工人的勞 動強度。該課題的創新之處在于采用自動化技術來解決制約機油冷卻器產品質量和 產量提高的瓶頸裝配工藝, 實現由人工裝配向自動化裝配的轉變。 隨著我國現 代化進程的加快, 汽車工業得到了迅猛的發展, 圓盤式機油冷卻器在汽車市場中 的需求將越來越大,該課題的研究正好應對了市場的需求。通過本課題的研制開發, 將促進圓盤機油冷卻器產品制造企業的制造裝備的 技術進步, 降低產品的制造成本, 保證產品的裝配質量, 提高產品

6、的裝配工作效 率從而提高產品的質量和生產率。 以適應企業擴大生產規模, 及時應對國內外客 戶的訂貨需求。 因此本項目的實施對企業的發展、 技術進步及創造良好的經濟效 益和社會效益都具有十分重要的意義。本課題的內容為機油冷卻器裝配自動化。機油冷卻器包括水隔板、散熱片、 焊料銅片、上下蓋、上下盒等零件的裝配,裝配后機油冷卻器的壓緊等。我在本 次畢業設計中主要內容為機油冷卻器的上料裝置與裝配機械手的設計, 其它的包 括傳送線和整體方案及壓力機的設計由幾個同學共同完成。 上料裝置的研制與開 發是本課題的重點。本課題設計的產品是由 9片散熱片和 10片水隔板以及 20片焊料銅片和下蓋下盒以及上蓋上盒組成

7、。 考慮到上下蓋、 上下盒自動化裝配技 術比較難實現, 故考慮由手工裝配。 另外在散熱片和水隔板交替裝配過程中焊料 銅片較薄不易自動化裝配, 所以由手工先將其和水隔板作為一體。 最后本課題的 難點就集中在如何實現自動上散熱片和水隔板,以及對于不同零件機械手的設 計。1.3裝配線上料裝置的概述隨著自動機、自動線的高速、高度自動化,對上料裝置的生產率、上料準確 性等提出了更高的要求, 同時也要求上料裝置更加靈活、 柔性化, 已適用供送不 同的物品,這使得機械手在自動機、自動線上得到愈來愈廣泛的應用。上料裝置的任務是把代加工的物品(工件從存料器(料箱分離出來,按 照自動機的加工要求,定量、定時、定向

8、地送到加工位置。上料裝置主要由四部分組成:1.定時裝置定時裝置主要是按照自動機生產節拍,使上料裝置定時工作,準時供料。 在定時裝置設計中, 主要是解決工件供送與自動機加工節奏協調的問題。 一 般由上料裝置與相關的其他機構 (如工藝執行機構 之間的運動傳動鏈 (內聯傳 動鏈 來保證, 所以上料裝置的運動循環必須與自動機工作循環相協調。 也可以 采用獨立驅動的上料裝置, 例如電磁振動供料器、 供料機械手, 但要由控制系統 或者設計諸如閘門等隔離裝置,使上料裝置停止或送料。2.定量裝置定量裝置是根據自動機加工工藝的要求, 在每一個工作循環送出規定數量的 工件。定量可以分為量(如重量、體積和數(如件、

9、個,例如酒類、洗衣粉等 物料主要是定量,螺釘、香皂、香煙等主要是定數,成卷的塑料帶、薄鐵皮、細 剛棒等物料則是定長度。 設計時要根據供送物料的形、 性態等來確定。 定量裝置 往往需要隔離裝置、計數機構等來配合。3.定向裝置保證工件按照工藝加工的方位要求送出。定向送料在單件物品加工中是一個關鍵問題。 定向機構一般與糾正、 剔除機 構等配合工作。4.其他裝置例如,定位裝置、隔離裝置、卷料的校直機構、帶狀料的糾偏調位裝置、不 符合要求工作的剔除機構、缺料檢測機構、計數機構等等。1.根據總動機的生產節拍及工位位置,準確、快速、可靠地將工件送到位;2.供料過程平穩、無沖擊,不能損傷工件;3.適應性強,調

10、整方便;4.結構簡單,工作可靠。由于自動機所加工產品的品種繁多、形式多樣,工件的尺寸、形狀、結構、 材料性能亦不同,因此上料裝置的種類龐雜,上料原理、結構形式各不相同。從 找出共性、 便于討論與設計這個主要目的出發, 可按照上料的形、 性態把上料裝 置分為:液體料上料裝置、粉粒料上料裝置、條帶及線棒料上料裝置、單件及板 片料上料裝置、特殊結構物料上料裝置。若按照驅動控制方式分類,則有機械式、電氣式、氣動式、液壓式及各種驅 動方式的組合。1.4裝配機械手的概述工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備, 是工業機器 人的一個重要分支。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控

11、制 技術、 傳感器技術和計算機技術等科學領域, 是一門跨學科綜合技術。 機械手的 研究和應用在我國尚屬起步階段, 但顯示出許多特殊的優點, 展現了廣闊的應用 前景。工業機械手可通過編程來完成各種預期的作業任務, 在構造和性能上兼有人 和機器各自的優點, 尤其體現了人的智能和適應性。 能模仿人手和臂的某些動作 功能, 用以按固定程序抓取、 搬運物件或操作工具的自動操作裝置。 它可代替人 的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化,能在有害環境下操作以保護人身安 全,因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器, 它有多個自由度,可

12、用來搬運物體以完成在各個不同環境中工作。1.機械手的組成機械手的設計構想是以人的手為基礎, 以機械拉來實現人的動作, 它的動作 由以下四部分來實現:1、自由度的旋轉 2、肩的前后動作 3、肘的上下動作 4、 腕 (手 的動作驅動。機械手主要由手部和運動機構組成。(1手部是用來抓持工件(或工具的部件,根據被抓持物件的形狀、尺 寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式,如夾持型、托持型和吸附型等。 (2運動機構,使手部完成各種轉動(擺動、移動或復合運動來實現規 定的動作,改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立 運動方式,稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體

13、,需 有 6個自由度。 自由度是機械手設計的關鍵參數。 自由度越多, 機械手的靈活性 越大,通用性越廣,其結構也越復雜,可靠性也越差。一般專用機械手有 23個自由度。2、機械手的結構機械手由以下結構:執行機構驅動 -傳動機構控制系統智能系 統遠程診斷監控系統,五部分組成。如圖 1-2所示: 圖 1-21.按機械手的使用范圍分類(1專用機械手 一般只有固定的程序,而無單獨的控制系統。它從屬于某種機械或生產線, 用以自動地傳送物件或操作某一工具。 這種機械手結構較簡 單,成本較低,使用于動作比較簡單的大批量生產的場合。(2通用機器人(也稱工業機器人 即指具有可變程序和單獨驅動的控 制系統, 又不從

14、屬于某種機器, 而能自動地完成傳送物件或操作某些工具的機械 裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同, 可分為簡易型和伺服型兩種。 簡易 型只能是點位控制, 故屬于程序控制類型; 伺服型可以是點位控制, 也可以是連 續軌跡控制,一般屬于數字控制類型。2.按機械手臂部的運動坐標型式分類(1 直角坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X、 Y、 Z三個方向移動。 亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動、左右移動(定為沿Y方向的移 動和上下升降(定為沿Z方向的移動。(2圓柱坐標式機械手 手臂可以沿直角坐標軸的X和Y方向移動,又可 繞Z軸轉動(定為繞Z軸轉動 角,亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右 轉

15、動。(3球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動,還可以 繞 Y 軸和Z軸轉動,亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動、上下擺動(定為 繞Y軸擺動 角和左右轉動(仍定為繞Z軸轉動 角。(4多關節式機械手 這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大 臂的連接(肘部以及大臂和機體的連接(肩部均為關節(鉸鏈式連接,亦 即小臂對大臂可繞肘部上下擺動 角,大臂可繞肩部擺動(仍定為繞Y軸擺動 角,手臂還可以左右轉動(仍定為繞Z軸轉動 角。3.按機械手的驅動方式分類(1 液壓驅動機械手 以壓力又進行驅動。(2氣壓驅動機械手 以壓縮空氣進行驅動。(3電力驅動機械手 直接用電動機進行驅動。(4機械驅動

16、機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構 等傳給機械手的一種方式。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置, 如在自動機床或自動生產線上 裝卸和傳遞工件, 在加工中心中更換刀具等, 一般沒有獨立的控制裝置。 有些操 作裝置需要由人直接操縱, 如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常 稱為機械手。 在自動裝配生產線上, 機械手往往是必不可少的設備。 它模擬人手 臂的部分動作,按預訂的程序、軌跡共和要求,實現抓取、搬運和裝配。在減輕 人的勞動強度、提高裝配質量和裝配效率方面的效果。1.供送料機械手供送料機械手可以看作是一種無料槽、 滑道的上料裝置, 它在一個位置抓取 物品,然后將其

17、搬運到另一個位置。在自動機、自動線中,物品供送(上料、卸 料 過程中的基本動作是:上料時, 先由料槽中取出工件, 帶著工件到指定工位, 將工件放在工位上,返回;卸料時則從工位上取下工件、帶走、放到料箱中。上 料時一般有位置及方位要求, 而卸料時一般無嚴格要求, 所以上料是關鍵。 要完 成上述動作, 供送料機械手的手爪必須到達兩點 (取料點料槽; 放料點 加工工位,這可通過機械手的立柱和手臂來實現;手爪必須做兩個動作(抓取 料和放下料,這可通過機械手的手爪閉合、張開來實現;方位要求一般通過機 械手的手腕來滿足。2.裝配機械手裝配機械手是自動生產線上應用極為廣泛的一種設備 , 其驅動主要是由氣動

18、系統完成 , 控制邏輯主要由可編程控制器程控產生。裝配機械手程序控制主要由 可編程控制器完成。第二章 裝配線總體方案設計2.1機油冷卻器自動裝配線的設計要求通過在揚州通洋機油冷卻器廠的實地考察, 我們總結出機油冷卻器自動在裝 配線的具體要求有:1 裝配線要完成每日生產機油冷卻器 1200件以上 (每工作日以 8小時記 ;2裝配線的占地面積盡量小,盡量節省制造成本;3保證機油冷卻器的裝配精度,提高裝配質量;4減輕工人的勞動強度。根據以上要求,要完成單件產品的裝配需耗時:8360024( 1200t S S =可知裝配線的任何工位耗時都不得超過 24秒。這就要求本設計要有緊湊的 結構和較高的裝配效

19、率, 同時盡量減少人為因素對產品裝配的影響, 以達到較高 的裝配質量和效率。2.2裝配工藝分析與確定本課題的難點在于產品結構比較復雜, 機油冷卻器的自動化裝配, 由于受其 組成零件的不同類型及形狀限制, 很難實現其全部零件的全部自動化裝配。 其中 要解決的難題有:零件裝配自動化, 產品輸送自動化, 壓緊工位的自動化。 為此, 設計一條半自動化的裝配線比較適合該公司的生產水平。 該裝配線將包括機械手 工位,人工工位,壓緊工位。在本設計開始之前,手工裝配效率很低,主要是由于散熱片、水隔板、以及 銅片的數量比較多(分別為 9、 10和 20片 ,每層裝配都要保證位置精確,并且 不能裝錯數量和順序,否

20、則產品會不合格。這是多次的重復勞動,耗時很大。因 此該工位可以通過機械手交替裝配實現自動化。水隔板焊片(銅片 、水隔板、散熱片的交替裝配在實現自動化裝配的時候 要考慮到如何更好的實現機械手的抓取。 因為銅片面積小, 中間多孔, 無法用真空吸盤抓取;又因為銅片很薄,質量輕,不易于磁吸盤分料抓取。所以我們在設 計前打算對水隔板結構進行適應性改造,取消了水隔板與散熱片之間的 20層銅 片釬料,采用復合材料(水隔板兩面鍍銅 ,或用事先由另外一個工序將水隔板 和兩面銅片焊合的水隔片做成整體取而代之。 這樣就可實現對水隔片總成和散熱 片的機械手自動裝配。水隔片總成和散熱片都為薄片形狀零件,其自動裝配通過機

21、械手動作實現。 由于水隔片總成零件表面積不大, 故考慮采用磁盤式機械手裝配; 而對于散熱片 零件, 其表面積較大, 可采用吸盤式機械手裝配。 這兩個零件的裝配順序通過可 編程控制器來控制。由于機械手的動作是程序化的, 為了減少裝配時間及提高裝配精度, 我們設 計的機械手臂動作將盡量簡單, 用時盡量少。 因此, 我們在機械手工位的上料裝 置上設計舉升機構, 將零件放到托盤上, 利用舉升機構將托盤舉升到機械手能抓 到零件的位置, 從而使機械手每次只需下降到固定的高度就可以抓到工件。 后來 在對機油冷卻器定位裝置的設計過程中, 我們發現在導軌上也需要一個類似的舉 升機構, 使機油冷卻器的下蓋上升至機

22、械手剛好能把零件裝配上去的高度。 考慮 到每個工位不得超過 24秒,而裝配零件數又很多,我們決定把機械裝配工位設 計為兩個機械手工步,以達到減少工時的目的。機油冷卻器包含有上下蓋和上下外殼,其裝配量很小(各為 1片 ,而且結 構不利于機械手的抓取,因此采用人工裝配。在裝配之初,先由工人將下蓋、銅焊片、下外殼依次放到工作臺上,當芯子 在機械手工位裝配完成之后, 再由另一位工人加上上蓋、 銅焊片、 上外殼。 同時, 因為機油冷卻器在下一工位需要實現自動夾緊, 所以還要加上一個壓塊。 現有的 人工裝配時該工序是通過螺旋夾緊, 即把機油冷卻器通過中心孔套在一個中間插 有長銷(長銷的另一端加攻有螺紋的底

23、座上,墊入一塊壓塊后,按下氣動壓頭 開關,在壓頭壓緊冷卻器時手工旋入螺母進行夾緊。圖 2-1 機油冷卻器爆炸圖在機油冷卻器裝配完成主要所有零件的裝配后,需要對機油冷卻器進行壓 緊,完成零件的最后裝配。現在自動化裝配線上,為了有利于實現裝配自動化, 節約裝配時間, 以及保證裝配的可靠性和穩定性, 我們通過壓力機來實現機油冷 卻器的自動壓力壓緊。2.3裝配線傳送方案比較與確定按照自動裝配的要求, 裝配線的結構可設計為圓盤回轉式、 直進式和矩形環 轉式。在設計之初,我們對各種方案做了比較和分析,最終確定了實施方案。 方案一:回轉式結構較簡單,定位精度易于保證,裝配工位少,適用于裝配 零件數量少的中小

24、型部件和產品, 基礎件可連續傳送或間歇傳送。 但是在本裝配 中, 我們還有兩個手工工位, 它不宜與手動裝配一起組合裝配。 且其占地面積較 大,也不可駐料工作,工時較長,可行性差。方案二:直進式, 直進式包括非同步直進式和同步直進式。 非同步直進式裝 配工位數不受限制,調整較靈活,基礎件間歇傳送。適用于自由節拍、裝配工序 復雜、 手工裝配與自動裝配相組合的裝配線上。 同步直進式的每個工位的生產節 拍是同步的, 相對自由性較小。 本裝配線上要用隨行夾具定位, 并且解決隨行夾 具的返回裝置。 這里隨行夾具在壓緊工位的與工件分離之后的自動上裝是設計的 難點。在本設計中該類型的裝配線可行。方案三:矩形環

25、轉式,擁有直進式的優點,占地面積大,可以兩組裝配線同 時工作,節省工時。并且無需設計隨行夾具的返回裝置,只要一個換向裝置。在 本設計中該類型的裝配線也可行。通過比較, 直進式傳送占地面積小, 造價低且能很好的滿足生產要求, 所以 設計的裝配線將采用步伐式直進裝配線,用推桿推動夾具和工件步伐式間隙傳 送,其中要解決的難題是機油冷卻器的定位。2. 4機油冷卻器定位方案的分析與確定 圖 2-2 散熱片通過機油冷卻器結構的分析,我們提出了幾種定位方案。方案一:機油冷卻器各層散熱片的空心部分由兩根上下串通的孔道相連, 一 個圓孔, 一個方孔, 可以在夾具體上設置一個圓形銷或方形銷, 用中心孔和銷來 實現

26、精確定位,但是經過討論發現,兩個空分別作為進、出油用,機油通過這兩 根管道在芯子內部流動, 而在機油冷卻器的下蓋上則沒有圓孔, 在上蓋上的方孔 又比散熱片上的要小,兩者都不適合用來定位。方案二:在考慮第一方案的時候, 我們發現在機油冷卻器的中心孔附近有兩 個 3毫米的小孔, 且上下不通, 經過詢問, 該小孔是在散熱片加工過程中產生的, 將其做成上下貫通的通孔,不影響產品的任何性能,可行性強。經過討論, 具體的定位方案確定為:將兩個小孔做成上下貫通的通孔, 在夾 具體上設置兩個長銷, 這樣就實現了裝配線的自動定位。 但是由于定位銷過于細 長, 裝配中這定位銷的導向部分會太細, 剛度和強度會較弱。

27、 鑒于兩小孔在冷卻 器的工作中不起任何作用 , 可對其結構適當修改加粗,即將小孔直徑由原來的3毫米擴大到5毫米,這樣改進后用其定位的可行性大大提高。2.5總體方案的確定結合以上對機油冷卻器的裝配工藝的分析, 機油冷卻器自動裝配線的裝配工 序和裝配方法確定為:第一工位:這一工位是在隨行夾具到位后人工放上底座、托盤、下蓋、下盒 以及銅焊絲。第二工位:這一工位使用兩個機械手裝配散熱片和水隔片。 其中散熱片用吸 盤式,水隔板用電磁式機械手。二者交替動作,進行芯子總成的裝配。為提高效 率, 本工位采用兩個同樣的機械手工步, 第一工步裝配 5片散熱片和 5片水隔板, 剩余的由第二工步完成。第三工位:手工裝

28、配上殼、上蓋以及焊片和壓塊。第四工位:壓力機自動壓緊裝配好的工件,并夾緊。最后壓頭復位,工件由 工人取下。隨行夾具也由一個氣缸抽走,等待回送到裝配線起點,以再次利用。經過比較以后,我們最終確定的總體布置方案如圖 2-3所示。散熱片料倉水隔板料倉 第四工位 第三工位 第二工步第二工位 第一工步 第二工位第一工位圖 2-2 裝配線總體布置圖第三章 上料裝置與裝配機械手方案設計3.1上料裝置與裝配機械手的設計要求在參觀揚州通洋機油冷卻器廠的圓盤式機油冷卻器手工裝配線, 我們發現手 工裝配效率很低, 其主要原因是由于散熱片、 水隔板、 以及銅片的數量比較多 (分 別為 9、 10和 20片,每層裝配都

29、要保證位置精確,這是多次的重復勞動,耗 時很大, 因此該工位可以通過機械手交替裝配實現自動化。 由于水隔板與散熱片 之間的焊料銅片中間多孔而且又薄又輕, 難以用機械手抓取, 所以考慮將焊料銅 片與水隔板作為一體,這樣就可實現對水隔板總成和散熱片的機械手自動裝配。 在該設計中最主要的任務就是要實現機械手與上料裝置動作的匹配, 即上料 裝置能實現不間斷的供料, 以便于機械手能連續不斷的抓取工件, 從而達到既能 降低工人的勞動強度, 又能提高生產效率、 降低生產成本的目的。 這是我們在設 計中要解決的基本問題。3.2上料裝置的方案設計與比較上料裝置一方面要實現連續不斷的供料, 另一方面要保證其與機械

30、手動作的 協調, 使機械手能連續不斷的抓取工件。 這既是我們設計的重點也是我們設計的 難點。為了實現上述功能, 我們選用回轉工作臺作為上料裝置。 在回轉工作臺上均 勻分布四個上料工位, 每個工位上有兩個定位銷安裝在工作臺上, 以此來保證工 件放置在工作臺上時的定位精度。 另外還設有四個托盤, 每個托盤下部有兩個小 孔,以保證它們能穿過定位銷放置與工作臺上,每個托盤上放置有六十片工件。 為了保證機械手運動控制系統簡單而穩定, 機械手的動作應盡可能簡單。 這 就要求機械手每抓取一個工件后, 托盤就應上升一個高度, 從而使工件的上表面 保持在一個固定的高度, 為機械手的下一次抓取做好準備, 保證機械

31、手每次只需 下降一個固定的高度就可抓到工件。在設計的過程中我們共考慮了四種方案,現表述如下:方案一:在方案中我們用一個中心軸來支撐回轉工作臺, 并帶動回轉工作臺轉動。 該 軸通過齒輪副與減速器相連, 再與三相異步電機相連。 通過三相異步電機的通斷 電來保證工作臺旋轉的角度。 另外, 用一個支撐軸穿過托盤正下方工作臺上的孔 來撐起托盤,支撐軸每次上升的高度通過與其相連的一個汽缸來保證。該方案具體的原理如圖 3-1。 支撐柱子汽缸減數器三相異步電機圖 3-1上料裝置方案一方案二:在該方案中, 中心軸通過同步帶與步進電機相連, 通過步進電機來控制工作 臺的回轉角度。 另外, 是用絲杠螺母副來控制托盤

32、的上升。 絲杠的一端與花鍵軸 相連, 另一端則穿過托盤正下方的工作臺上的孔來托起托盤。 花鍵軸則通過同步 帶與步進電機現連。 在該機構中, 螺母是固定在箱體上的, 當步進電機開始工作 時, 絲杠在花鍵軸的帶動下邊旋轉邊上升, 其穿過托盤正下方工作臺上的孔將托 起托盤。該方案具體的原理如圖 3-2。方案三:在該方案中, 在該方案中, 中心軸通過同步帶與步進電機相連, 通過步進電 機來控制工作臺的回轉角度。 另外, 是用絲杠螺母副來控制托盤的上升。 在此處 絲杠軸用軸承固定在箱體上, 它的一端通過同步帶與步進電機相連, 另一端與螺 母現連。 當機械手抓取一個工件后, 步進電機在控制系統的作用下開始

33、工作, 從而通過絲杠 絲杠螺母花鍵軸套筒軸承 同步帶步進 電機同步 步進電機圖 3-2上料裝置方案二帶動螺母沿導柱上升。 螺母上均勻分布的三個支撐柱穿過工作臺上的小孔將托盤 托起一定的高度。 在機械手抓完一個托盤上最后一個工件時, 螺母再上升時會觸 動安裝在箱體上的一個行程擋塊, 控制機構便會發出信號使步進電機反轉, 從而 帶動螺母下降。 當螺母下降到一定高度時, 又會觸動另一個行程擋塊, 電機隨即 停止作用。 此時, 中心軸所連步進電機開始作用, 帶動工作要旋轉到下一個工位, 然后停止作用,進入下一個循環中。該方案具體的原理簡圖如圖 3-3。方案四:在該方案中, 在該方案中, 中心軸通過同步

34、帶與步進電機相連, 通過步進電 機來控制工作臺的回轉角度。 另外, 是用絲杠螺母副來控制托盤的上升。 在此處 絲杠軸用軸承固定在箱體上, 它的一端通過同步帶與步進電機相連。 此處螺母處 于絲杠上兩個軸承之間部位。 當機械手抓取一個工件后, 步進電機在控制系統的 作用下開始工作, 從而通過絲杠帶動螺母沿導柱上升。 螺母上均勻分布的三個支 撐柱穿過箱體及工作臺上的小孔將托盤托起一定的高度。 在機械手抓完一個托盤 上最后一個工件時, 螺母再上升時會觸動安裝在箱體上的一個行程擋塊, 控制機 構便會發出信號使步進電機反轉, 從而帶動螺母下降。 當螺母下降到一定高度時,又會觸動另一個 同步 步進電機支撐柱

35、絲杠軸軸承套筒同步帶 步進電機圖 3-3上料裝置方案三行程擋塊,電機隨即停止作用。此時,中心軸所連步進電機開始作用,帶動工作 要旋轉到下一個工位,然后停止作用,進入下一個循環中。該方案具體的原理簡圖如圖 3-4。 同步 帶步進電機同步帶 步進電機定位銷支撐柱軸承圖 3-4上料裝置方案四在方案一中, 三相異步電機不能保證工作臺旋轉的精度。 另外, 工件每次上 升相當與散熱片或水隔板厚度的高度, 因此每次上升的高度很小, 汽缸達不到這 個精度。在方案二中, 步進電機可以保證工作臺的回轉精度。 但是在此結構中, 絲杠 要一邊旋轉一邊上升,結構不是很合理。在方案三中,步進電機可以保證工作臺的回轉精度,

36、絲杠只需做旋轉運動。 但是螺母位于絲杠的一端,是一個懸臂機構,從結構和受力角度來看均不合理。 在方案四中,步進電機可以保證工作臺的回轉精度,絲杠只需做旋轉運動, 螺母位于兩固定軸承之間, 軸的結構和布置更合理。 但是相較于第三種方案, 螺 母位置的改變將導致托盤尺寸的增加,從而使回轉工作臺占用空間加大。我們從工廠實際所給的安裝空間及結構和受力角度綜合考慮后, 最終確定用 第四種方案。 但僅是利用步進電機并不能保證回轉工作臺的回轉精度, 因為步進 電機也必定存在工作誤差。 因此, 我們在工作臺的側面設有定位銷來保證其回轉 精度。3.3機械手的設計方案由于整個裝配線的裝配效率主要取決于散熱片和水隔

37、板的裝配, 為了提高效 率,我們選用的是回轉式雙臂機械手。機械手的兩個手臂成 90度,一個手部在 抓取時,另一個正好在間工件放在裝配線上的規定位置。機械手和上料裝置的布置簡圖如圖 3-5。1.常見的手部結構形式根據被抓取物件的材質、形狀、尺寸、重量以及其它一些特征(如易碎性、 導磁性、表面光潔度等的不同,常見的手部結構形式可分為以下幾種:(1夾鉗式手部:手指是夾鉗,利用夾鉗的開閉來完成抓取和松開功能。(2氣吸式:手指是橡膠吸盤和塑料吸盤,利用控制真空吸力或負壓吸力 的大小吸住和松開工件。(3磁吸式:手指是電磁或永久磁鐵,利用磁吸力來吸住鐵磁性材質的工 件。(4其它型式:如在手部安裝噴槍、焊槍、

38、扳手、電動螺釘(母擰緊器、 電鉆等工具的專用機械手。圖 3-5 機械手與料倉布置簡圖2.機械手部的選用(1鉗抓式手部鉗抓手部應用最廣泛,一般由手指、傳力機構和驅動裝置組成。手指:手指是直接與物件接觸的構件, 也是傳力機構的構件。 常用的手指 運動型式可分為回轉型和平移型兩種。如圖 4-2、 4-3所示,回轉型手指因結構 簡單,易于制造而得到廣泛應用,常用于夾持圓形工件,但因其開閉角小,且當 工件直徑變化時, 其軸心位置也隨之變化而變化, 故回轉型手指當所夾持工件直 徑變化大時, 受到一定限制。 平移型手指常用來抓取方形工件, 當用手抓取圓形 工件時, 工件直徑變化不影響其軸心位置, 故適應于不

39、同直徑的工件, 但因其結 構復雜而較少采用。為了適應被抓取工件的尺寸、重量、表面形狀和抓取部位(外圓或內孔的 變化, 其結構形式又分為平面型手指和 V 型手指, 三抓和二抓手指。 外卡式和內 卡式手指等幾種。 傳力機構:傳力機構型式較多,常用的有滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒 輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式等。 (2氣吸式手部氣吸式手部是利用吸盤 (用橡膠或軟性塑料制成的皮碗 內形成負壓將工件 吸住的。氣吸式手部一般由相當于手指的吸盤, 支架和控制氣體的閥或進排氣管路組 成。氣吸式手部適用于搬運一些不受材質影響的薄片狀輕型工件,如矽鋼片、 薄鐵片、板材、紙張及薄壁易碎的玻璃器皿,弧形殼體等表

40、面平整光滑、無孔無 油的零件。它的優點是結構簡單、重量輕、慣性小。手部與支撐之間的連接可用 彈性連接,也可用螺紋連接。工作時,只要手部內腔達到一定的真空度,便可以 吸取物件。根據形成負壓的方法不同,可將氣吸式吸盤分為三種:.擠壓式 是利用外力作用將吸盤壓在物件表面上,迫使吸盤變形擠 出盤內空氣形成負壓依靠與大氣的壓力差而吸住物件的。當吸盤與大氣相通時, 即將物件放下。這種方法結構較簡單,但吸力較小,一般用于吸取輕型物件。 氣流負壓式 是借助噴嘴所噴射的高速壓縮空氣, 將吸盤內部的空氣帶 走形成負壓(真空而吸住物件的。這種吸盤由于結構簡單,氣源方便,吸力可 靠,故應用較多。真空泵式 是利用真空泵

41、抽出吸盤內部的空氣而吸住物件的, 這種方法 工作可靠性強,使用方便。但需要真空泵設備,成本較高,具有真空泵的進排氣 系統。(3磁吸式手部電磁式吸盤是安裝在手臂的前端,通過電磁吸力把工件吸住。當線圈通入電流后,在鐵芯內外激起磁場,由線圈出來的磁力線經過鐵芯、 空氣隙和被磁化的銜鐵而形成閉合回路。電磁鐵主要由鐵芯、 繞在鐵芯上的線圈及原來不顯磁性的鐵磁物質制成的銜 鐵所組成。具體選用哪種手部必須根據所裝配零件的外形尺寸來選擇。 由于隔板是鐵制 品故選用磁吸式手部, 而散熱片材料中不含鐵不能用電磁式手部的抓取, 散熱片 和水隔板的尺寸都很小,都是薄片狀(散熱片厚 3.2mm ,水隔板厚 1.8mm

42、的,并且在抓取后放置時還要實現精確的定位,因此選用鉗抓式手部。 具體方案見圖 3-6: 圖 3-6 鉗抓式手部方案第四章 上料裝置與裝配機械手的結構設計4.1上料裝置的結構設計上料裝置我們采用圓形回轉工作臺,尺寸:直徑 550mm ,高度 40mm 。由 于回轉工作臺主要是承受工件的重量, 然而工件的重量又很輕, 對其承重能力沒 有特別要求,故回轉工作臺的材料用 45鋼即可。工作臺的質量 : 1m 20. 55=kg 15. 3009. 74= /9. 7(3cm g =工件的總質量 : kg m 11. 1494. 6602=所以總的質量 : kg m m m 26. 30121=+=總即總

43、重量 : N g m G 34. 29528. 926. 301=總工作臺轉速 :min /16r n =,則 s rad n /675. 160162602= 工作臺繞主軸旋轉的轉動慣量 :(2222221121d m r m r m J J J +=+=鉗抓式手部只需承受工件的重量, 但工件的重量很輕, 所以鉗抓式手部材料 選 45鋼即可。其具體尺寸如圖 4-1所示: 圖 4-1 托盤1.彈簧的設計:此處所選彈簧為壓縮彈簧, 其作用于定位銷, 通過定位銷對工作臺產生一個 力矩,推動工作臺做微小轉動,從而使工作臺準確定位。由經驗可知,所需的彈 簧的彈力為 N F 13=, 由 簡明機械零件設

44、計手冊 表 17-3得:彈簧的極限工作 載荷 N F F 71. 211367. 167. 1lim =。由表 17-14中,根據 N F 71. 21lim ,選取彈簧尺寸如下:mm d 8. 0=, mm P 04. 5=, mm D 0. 92=d -材料直徑2D -彈簧中徑P -節距2.定位銷的設計定位銷的頭部可以是錐形的,也可以是圓形的,或是其它形狀。需根據具體使用條件來確定。此處為了便于加工及安裝,選用頭部為錐形的定位銷。 先假設定位銷頭部的錐角為 o 60,則 N COS F F O 26213601= 1.軸的材料軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。 合金鋼比碳鋼具有更高的力學性能和更

45、好的 淬火性能, 應用于需傳遞大的動力, 并要求減少尺寸和質量, 提高軸徑的耐磨性, 以及處于高溫或低溫條件的情況。 但是碳鋼比和合金鋼低廉, 對應力集中的敏感 性較低, 同時也可以用熱處理或化學處理的方法提高其耐磨性和抗疲勞強度, 故 采用碳鋼制造軸更廣泛, 而且最常用的是 45鋼。 此處為一般軸, 故采用 45鋼即 可。2.軸的結構設計(1軸上零件的裝配方案確定方案一:上下端軸承,上端軸承蓋,回轉工作臺均從上向下安裝,下端蓋和 帶輪從下向上安裝。方案二:上端軸承,上端軸承蓋,回轉工作臺從上向下安裝,下端軸承,下 端蓋和帶輪從向上安裝。由于方案一中兩個軸承之間的間距較大, 采用套筒定位時要考

46、慮到套筒的質 量及材料用量,不可取。方案二中兩個軸承通過軸肩定位,不必用到套筒。故選 方案二。(2軸上零件的定位零件的軸向定位軸承利用軸肩和軸承端蓋來定位,帶輪和工作臺均是用軸肩和螺母來定位。 零件的軸向定位軸承利用過盈配合來定位, 工作臺和帶輪均是利用鍵來定位。 應注意同一根 軸上的鍵槽應設計在同一母線上。軸的結構工藝性1 安裝軸承處需留有砂輪越程槽;2 需制螺紋的軸段,留有退刀槽 ;3 為了減少裝夾工件的時間,該軸上不同軸段的鍵槽布置在同一母線上;4為了減少加工刀具的種類和提高勞動生產率,軸徑相差不大的軸上的砂 輪越程槽和退刀槽采用相同尺寸。3、軸的計算(1軸徑的確定裝工作臺處的軸徑相對最

47、小,從此處通過計算確定該處軸徑。N f F o 2621360cos /1=m N R F M o . 20. 6275. 022660sin 11= W M P 39. 10675. 120. 611= 由機械設計公式 15-2得:軸的直徑 2. 09550000nP d P = 由表 15-3查得:2545, P MPa =,取 35P MPa =則 mm d 6. 91652. 11%121(0=+=d d ,經圓整后取 20d mm =,則各段軸徑具體尺寸見零件圖。(2各段軸的長度的確定各段軸徑確定以后即可選定所需軸承, 然后依次確定各段軸的長度, 具體尺 寸見零件圖。(3軸的校核由于

48、軸徑最小處直徑通過扭矩計算來確定的,故不需要進行彎扭強度校核。 但是由于該軸要承受工作臺及工件的總重量對其的壓力作用,并且此力相對較 大,故需進行壓桿穩定性校核。數學模型:此處軸的約束可看作兩端鉸支,如圖 4-2。 232l mm =圖 4-2壓桿模型材料力學:F l = F >,符合條件。1.軸承類型的確定由于此處軸承主要承受軸向力, 只有在主軸開始和停止旋轉的時候才會產生 少量的徑向力,故選用圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承主要承受以徑向載荷為主的徑軸向聯合載荷, 而大錐角可承受以軸向載荷為主的徑軸向聯合載荷。 圓錐滾子軸承為分離型軸承, 其內圈 (含圓 錐滾子和保持架 和外圈可以分別安裝

49、。 在安裝和使用過程中可以調整軸承的徑 向和軸向游隙, 也可以預過盈安裝, 單列的在徑向載荷作用下, 會產生附加軸向 力。因此,一般應成對配置(同名端面相對安裝 。如單獨使用,其外加軸向力 應大于附加軸向力。錐角 001810=的小錐角圓錐滾子軸承 3000型主要承受徑向載荷,錐角 003027=的小錐角圓錐滾子軸承 3000B 型主要承受軸向載荷并能承受少量 徑向載荷。 按照需要此處應選用 3000B 型軸承, 但是由于此處受軸向力不大, 故 選用 3000型即可。 .2.按額定動載荷選擇軸承當量動載荷 : p a r f yF xF P (+=, 其中 p f 為載荷系數, r F 純徑向

50、載荷, a F 純軸向載荷, x 徑向動載荷系數, y 軸向動載荷系數。此處 a F 很小,計算時N F F a r 34. 2952, 0=。由 機械設計 表 13-5:e F F r a >/, 故選取 mm y 4. 0=13-6:1. 1=p f所以 a a r p C N yF xF f P <=+=03. 129934. 29524. 01. 1 (,符合條件。 根據軸徑不能太小, 由 機械設計手冊-軸承 表 6-2-79, 選取 mm d 40=的 30208型單列圓錐滾子軸承。3.軸承的配置由于此處軸兩端懸臂部分相對于整根軸相對較短, 故采用正裝, 以提高軸的 支承

51、剛性。對于圓錐滾子軸承, 一般采用雙支點各單向固定的定位方式。 安裝時, 通過 調整軸承外圈的軸向位置,可使軸承達到理想的游隙或是所要求的預緊程度。4.軸承的軸向固定軸上軸向零件的軸向定位是以軸間, 套筒, 軸承擋圈, 軸承端蓋和圓螺母來 定位的。此處利用軸肩和軸承端蓋的方式來固定 。5.軸承的游隙調整征對不同的情況有不同的游隙調整方法, 其中最長用的使加調整墊片。 此處, 利用軸承端蓋處的調整墊片厚度的改變來調整游隙。6.軸承的預緊軸承預緊的方式有:(1夾緊一對圓錐滾子軸承的外圈而預緊;(2在一對軸承中間加入套筒而預緊,預緊力可有套筒的長度來調整;(3安裝時通過調整外圈的軸向位置來進行預緊;

52、(4此處通過調整軸承外圈的軸向位置,使軸承達到所要求的預緊程度。7.滾動軸承的潤滑由機械設計表 13-10得:min /. 1016min /. 64040164r mm r mm dn <=, 故選用脂潤滑。8.軸承端蓋和密封裝置的設計(1軸承端蓋的設計由機械設計實踐表 4.14:根據 mm D 80=,確定軸承端蓋各尺寸如下:310d =, 4n =, 03(12 12d d =+=,032.58025105D D d =+=+=,4(0.850.9 70D D =,503(2.53 1053075D D d =-=-=,31.212e d =,1(0.10.15 12e D =,8

53、=, 20m =(2密封圈的設計由機械設計實踐表 15.10:根據 040d =,確定密封 圈各尺寸如下:39, 52, d D =12115, 4, 5.5, 41, 53b b b d D =1.傳動功率和扭矩的計算N G N o o 12, 76475cos 34. 295275cos = 由簡明機械零件設計手冊表 1-12查得:04. 0=N N f 65. 3054. 012. 7641=mN f M o o . 92. 502. 015cos 65. 30502. 015cos 12= W M M P 24. 2067. 1 20. 692. 5( 21=+=+=(總2.電機的選擇

54、(1電機類型的選擇伺服系統是指輸出量能夠按一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統。 它 用來控制被控對象的轉角(或位移 ,使其能自動地、連續地、準確地復現輸入 指令的變化規律。 伺服系統中驅動元件伺服電機包括步進電動機、 直流伺服電動 機、交流伺服電動機等。由于此處為開環控制,故選用步進電動機即可。步進電 動機是將電脈沖信號轉換成角位移 (或線位移 的一種機電或數模轉換器。 其轉 子的轉角(或位移與電脈沖數成正比,它的速度與脈沖頻率成正比,而運動方 向是由步進電動機用電的順序所決定的。步進電動機按力矩產生的原理可分為反應式和勵磁式。 我國目前使用的步進 電動機多為反應式步進電動機。它的結構簡單

55、,性能可靠,同步運動特性好,分 辨率高, 定位精度高, 價格適中等優點, 故廣泛用于開環數控系統執行元件和驅 動元件。在此處,我們選用反應式步進電動機。(2電機的確定由簡明機械零件設計手冊表 23-10得:m N M M M 12. 1220. 692. 521=+=+=總選 取 150BF001型 反 應 式 步 進 電 動 機 , 其 最 大 靜 轉 矩 為 總 M m N M >=72. 130,符合要求。同步帶傳動機構利用同步帶的齒形與帶輪的輪步依次相嚙合傳遞運動和動 力。 它兼有帶傳動、 齒輪傳動及鏈傳動的優點, 能方便地實現較遠中心距的傳遞, 傳動過程無相對滑動,平均傳動比較

56、準確,傳動精度高,且同步帶的強度高,厚 度小,重量輕,故可用于低速及告訴傳動;同步帶無需特別張緊,作用在軸及軸 承處的載荷小,傳動效率高。1.同步帶的選用:同步帶的齒形可分為梯形同步帶和齒形同步帶, 而梯形同步帶又可分為周節 制、模數制和特殊節距制。此處選用周節制同步帶。根據 W P 65. 13=,由機械 設計手冊傳動裝置表 12-1-50,選取 MXL 型周節制同步帶,其主要參數:基準帶寬為 6.4mm , 基準帶寬所傳遞功率范圍為 0.00090.15kw, 節距為 2.032mm2.同步帶輪的選用:由表 12-1-60選取:小輪 Z =32的 MXL 型同步帶輪大輪 Z =72的 MXL 型同步帶輪3.帶輪擋圈的選用:由表 12-1-63選取:擋圈最小寬度 K =0.5mm擋圈厚度 t=0.51mm,取 t=0.81.絲杠的運動形式的選擇螺旋傳動按螺紋間摩擦狀態可分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋三大類。 滾動螺旋和靜壓螺旋的使用性能、 力學性能等相對更好, 但是結構復雜, 成本較 高。此處絲杠只是旋轉使螺母上的立柱上升頂起托盤上工件以便于機械手的抓 取, 并不要求很高的精度, 故選用滑動螺旋即可, 既可達到要求, 又降低了成本。2.滑動螺旋傳動計算:取 20=d , 4=P , 25. 0=c a 則5. 2025. 02