第6章 产品装配过程自动化

第6章产品装配过程自动化装配是机械制造过程的最后环节。装配对产品的成本和生产效率有着重要影响，研究和发展新的装配技术，大幅度提高装配质量和装配生产效率是机械制造工程的一项重要任务。相对于加工技术而言，装配技术落后许多，装配工艺已成为现代生产的薄弱环节。因此，实现装配过程的自动化越来越成为现代工业生产中迫切需要解决的一个重要问题。第6章产品装配过程自动化本章包括以下内容：6.1概述6.2自动装配工艺过程分析和设计6.3自动装配机6.4自动装配线6.5柔性装配系统6.6实例视频6.1概述6.1.1装配自动化在现代制造业中的重要性6.1.2装配自动化的发展概况6.1.3实现装配自动化的途径6.1.1装配自动化在现代制造业中的重要性装配过程是机械制造过程中必不可少的环节。人工操作的装配是一个劳动密集型的过程。据有关资料统计分析，随着先进制造技术的应用，一些典型产品的装配时间占总生产时间的53%左右，是花费最多的生产过程，因此提高装配效率是制造工业中急需解决的关键问题之一。6.1.1装配自动化在现代制造业中的重要性同人工装配相比，装配自动化（AssemblyAutomation）具备如下优点：（1）装配效率高，产品生产成本下降。尤其是在当前机械加工自动化程度不断得到提高的情况下，装配效率的提高对产品生产效率的提高具有更加重要的意义。（2）自动装配过程一般在流水线上进行，采用各种机械化装置来完成劳动量最大和最繁重的工作，大大降低了工人的劳动强度。6.1.1装配自动化在现代制造业中的重要性（3）不会因工人疲劳、疏忽、情绪、技术不熟练等因素的影响而造成产品质量缺陷或不稳定。（4）自动化装配所占用的生产面积比手工装配完成同样生产任务的工作面积要小得多。（5）在电子、化学、宇航、国防等行业中，许多装配操作需要特殊环境，人类难以进入或非常危险，只有自动化装配才能保障生产安全。6.1.1装配自动化在现代制造业中的重要性随着科学技术的发展和进步，在机械制造业，CNC，FMC，FMS的出现逐步取代了传统的制造技术，它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。如果只有加工技术的现代化，没有装配技术的自动化，FMS就成了自动化孤岛。装配自动化的意义还在于它是CIMS的重要组成部分。6.1.2装配自动化的发展概况自动装配系统大致经历了3个发展阶段。第一个阶段是采用如图6.1所示的传统的机械开环控制单元。例如，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。6.1.2装配自动化的发展概况第二个阶段的自动装配系统如图6.2所示。控制单元采用了预调顺序控制器，或者采用可编程序控制器，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。6.1.2装配自动化的发展概况6.1.2装配自动化的发展概况发展到第三阶段，产生了所谓的装配伺服系统（AssemblyServoSystem）。控制单元配备了带有智能电子计算机的可编程序控制器，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6.3所示。6.1.2装配自动化的发展概况6.1.2装配自动化的发展概况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。为提高定位精度，可采用带有主动自适应反馈的位置控制器，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测量，并采用计算机控制的伺服执行机构进行修正，这种伺服装配工具和夹具可进行精密装配。目前，定位精度为0.01mm的自动装配机已得以应用。6.1.2装配自动化的发展概况产品更新周期的缩短，要求自动装配系统（AutomaticAssemblySystem）具有柔性响应。20世纪80年代出现了柔性装配系统（FlexibleAssemblySystem，FAS）。FAS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（AssemblyCenter）和装配机器人（AssemblyRobot），使装配过程通过传感技术和自动监控实现了无人操作。具有各种不同结构能力和智能的装配机器人是FAS的主要特征。6.1.2装配自动化的发展概况柔性装配是自动装配技术的发展方向，采用柔性装配不仅可提高生产率、降低成本、保证产品质量一致性，更重要的是能提高适应多品种小批量的产品应变能力。今后一段时间内，装配自动化技术将主要向以下两方面发展。（1）与近代基础技术互相结合、渗透，提高自动装配装置的性能。（2）进一步提高装配的柔性，大力发展柔性装配系统FAS。6.1.3实现装配自动化的途径（1）产品设计时应充分考虑自动装配的工艺性。产品的结构、数量和可操作性决定了装配过程、传输方式和装配方法。机械制造的一个明确的原则就是“部件和产品应该能够以最低的成本进行装配”。因此，在不影响使用性能和制造成本的前提下，合理改进产品结构往往可以极大地自降低动装配的难度和成本。6.1.3实现装配自动化的途径工业发达的国家已广泛推行便于装配的设计准则（DesignforAssembly）。该准则主要包含两方面的内容：一是尽量减少产品中的单个零件的数量，如图6.4所示，结构方面的一个区别是分立方式还是集成方式，集成方式可以实现元件最少，维修也方便。二是改善产品零件的结构工艺性，层叠式和鸟巢式的结构（如图6.5所示）对于自动化装配是有利的。6.1.3实现装配自动化的途径6.1.3实现装配自动化的途径（2）研究和开发新的装配工艺和方法。必须对自动装配技术和工艺进行深入的研究，注意研究和开发自动化程度不一的各种装配方法。如对某些产品，研究利用机器人、刚性的自动化装配设备与人工结合等方法，而不盲目追求全盘自动化，这样有利于得到最佳经济效益。此外，还应加强基础研究，如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，开发新的装配工艺和技术。6.1.3实现装配自动化的途径（3）设计制造自动装配设备和装配机器人。要实现装配过程的自动化，就必须制造装配机器人或者刚性的自动装配设备。装配机器人是未来柔性自动化装配的重要工具，是自动装配系统最重要的组成部分。各种形式和规格的装配机器人正在取代人的劳动，特别是对人的健康有害的操作以及特殊环境（如高辐射区或需要高清洁度的区域）中进行的工作。6.1.3实现装配自动化的途径刚性自动装配设备的设计，应根据装配产品的复杂程度和生产率的要求而定。一般三个以下的零件装配可以在单工位装配设备上完成，超过三个以上的零件装配则在多工位装配设备上完成。自动装配设备必须具备高可靠性，研制阶段必须进行充分的工艺试验，确保装配过程自动化形式和范围的合理性。6.2自动装配工艺过程分析和设计6.2.1自动装配条件下的结构工艺性6.2.2自动装配工艺设计的一般要求6.2.3自动装配工艺设计（书中解释）6.2.1自动装配条件下的结构工艺性结构工艺性是指产品和零件在保证使用性能的前提下，力求能够采用生产率高、劳动量小、材料消耗少和生产成本低的方法制造出来。自动装配工艺性好的产品零件，便于实现自动定向、自动供料、简化装配设备、降低生产成本。因此，在产品设计过程中，应采用便于自动装配的工艺性设计准则，以提高产品的装配质量和工作效率。6.2.1自动装配条件下的结构工艺性在自动装配条件下，零件的结构工艺性应符合便于自动供料、自动传送和自动装配三项设计原则。1.便于自动供料2.利于零件自动传送3.利于自动装配作业1.便于自动供料自动供料包括零件的上料、定向、输送、分离等过程的自动化。为使零件有利于自动供料，产品的零件结构应符合以下各项要求。（1）零件的几何形状力求对称，便于定向处理。（2）如果零件由于产品本身结构要求不能对称，则应使其不对称程度合理扩大，以便于自动定向。如质量、外形、尺寸等的不对称性。（3）零件的一端做成圆弧形，这样易于导向。（4）某些零件自动供料时，必须防止镶嵌在一起。如有通槽的零件，具有相同内外锥度表面时，应使内外锥度不等，防止套入“卡住”。2.利于零件自动传送装配基础件和辅助装配基础件的自动传送，包括给料装置至装配工位以及装配工位之间的传送。其具体要求如下所述。（1）为易于实现自动传送，零件除具有装配基准面以外，还需考虑装夹基准面，供传送装置装夹或支承。（2）零部件的结构应带有加工的面和孔，供传送中定位。（3）零件外形应简单、规则、尺寸小、重量轻。3.利于自动装配作业（1）零件的尺寸公差及表面几何特征应保证按完全互换的方法进行装配。（2）零件数量尽可能少（如图6.6所示），同时应减少紧固件的数量。3.利于自动装配作业（3）尽量减少螺纹联接，采用适应自动装配条件的联接方式，如采用粘接、过盈、焊接等。（4）零件上尽可能采用定位凸缘，以减少自动装配中的测量工作，如将压配合的光轴用阶梯轴代替等。3.利于自动装配作业（5）基础件设计应为自动装配的操作留有足够的位置。例如自动旋入螺钉时，必须为装配工具留有足够的自由空间，如图6.7所示。3.利于自动装配作业（6）零件的材料若为易碎材料，宜用塑料代替。（7）为便于装配，零件装配表面应增加辅助定位面，如图6.8所示。3.利于自动装配作业（8）最大限度地采用标准件和通用件，这样不仅可以减少机械加工，而且可以加大装配工艺的重复性。（9）避免采用易缠住或易套在一起的零件结构，不得已时，应设计可靠的定向隔离装置。3.利于自动装配作业（10）产品的结构应能以最简单的运动把零件安装到基准零件上去。最好是使零件沿同一个方向安装到基础件上去，这样在装配时没有必要改变基础件的方向，以减少安装工作量。（11）如果装配时配合的表面不能成功地用作基准，则在这些表面的相对位置必须给出公差，且使在此公差条件下基准误差对配合表面的位置影响最小。6.2.2自动装配工艺设计的一般要求自动装配工艺比人工装配工艺设计要复杂得多，通过手工装配很容易完成的工作，有时采用自动装配却要设计复杂的机构与控制系统。因此，为使自动装配工艺设计先进可靠，经济合理，在设计中应注意如下几个问题。（1）自动装配工艺的节拍。（2）除正常传送外宜避免或减少装配基础件的位置变动。6.2.2自动装配工艺设计的一般要求（3）合理选择装配基准面。（4）对装配零件进行分类。（5）关键件和复杂件的自动定向。（6）易缠绕零件的定量隔离。（7）精密配合副要进行分组选配。（8）装配自动化程度的确定。（书中解释）（1）自动装配工艺的节拍自动装配设备中，多工位刚性传送系统多采用同步方式，故有多个装配工位同时进行装配作业。为使各工位工作协调，并提高装配工位和生产场地的效率，必须要求各工位装配工作节拍同步。（2）宜避免或减少装配基础件的位置变动自动装配过程是将装配件按规定顺序和方向装到装配基础件上。通常，装配基础件需要在传送装置上自动传送，并要求在每个装配工位上准确定位。因此，在自动装配过程中，应尽量减少装配基础件的位置变动，如翻身、转位、升降等动作，以避免重新定位。（3）合理选择装配基准面装配基准面通常是精加工面或是面积大的配合面，同时应考虑装配夹具所必需的装夹面和导向面。只有合理选择装配基准面，才能保证装配定位精度。（4）对装配零件进行分类多数装配件是一些形状比较规则、容易分类分组的零件。按几何特性，零件可分为轴类、套类、平板类和小杂件四类。再根据尺寸比例，每类又分为长件、短件、匀称件三组。经分类分组后，可采用相应的料斗装置实现装配件的自动供料。（5）关键件和复杂件的自动定向形状比较规则的多数装配件可以实现自动供料和自动定向。对于一些自动定向十分困难的关键件和复杂件，为不使自动定向机构过分复杂，采用手工定向或逐个装入的方式，在经济上更合理。（7）精密配合副要进行分组选配自动装配中精密配合副的装配由选配来保证，根据配合副的配合要求（如配合尺寸、质量、转动惯量等）来确定分组选配，一般可分3～20组。分组数多，配合精度越高，选配、分组、储料的机构越复杂，占用车间的面积和空间尺寸也越大。因此，一般分组不宜太多。6.2.3自动装配工艺设计过程1.产品分析和装配阶段的