毕业论文零件自动装配生产线结构设计及控制研究Word下载.docx
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在现代制造业中，装配工作的时间约占整个制造时间的40％～60％，装配工作量约占整个产品制造工作量的20％～70％。
由于产品制造过程装配作业比重的日益增大，影响了产品制造成本份额的增加，在实际生产中广泛存在着各种复杂的装配任务，很难抽象出一个统一的物理模型，使用某种通用的方法去处理所有的复杂装配问题。
因此针对某类装配任务，分析设计相应的装配系统，在目前的生产实践中具有较强的现实意义[3]。
为了提高产品的竞争力，自动化装配是制造为生产自动化中必不可少的重要环节，也是最富有挑占性的问题之一，在大批大量生产的汽车发动机、电动机、洗衣机等产品生产中，采用使用传统机械结构形式的自动机进行自动装配，在质量控制和生产效率方面都已取得了可观的成效，现代制造技术的发展使传统的手工装配工艺面临严峻的挑战，自动化装配的目的在于减轻或取代依赖人工技巧和判断力进行各种装配操作，从而提高生产效率，保证产品质量[4]。
其中，气动技术生产线有着不可替代的优点。
与电子电气控制或液压传动相比，空气来源方便，使用后可直接排人大气，不污染环境，气动元件结构简单紧凑、易于制造维护，尤其在易燃易爆、存在腐蚀性气体等恶劣场合，工作安全可靠，使用寿命长，具有高效、高速、适应性广等特点。
因此，在如今的自动装配生产线中，气动技术应用越来越广泛[5]。
1.2国内外气动技术生产线研究现状及特点
1.2.1自动装配生产线中气动技术的应用
现代制造技术的发展使传统的手工装配工艺面临严峻的挑战。
自动化装配的目的在于减轻或取代依赖人工技巧和判断力进行各种复杂的装配操作，从而提高生产效率，保证产品质量。
柔性装配系统已成为诸如CIMS这类现代制造系统的一个重要环节，特别适应于大规模、小批量、多品种的生产装配系统，对未来工业发展有重要意义[6]。
任何装配工作都是由一些简单的“拾”、“放”运动所构成。
把一个零件拿起来装到另一个零件上，并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迸行组合或固定。
装配的动作包括定位、抓取、移动、放置、配合、检测和反馈等[7]；
装配的过程包括零件的上料、传送、装配。
而零件的定向和定位精度是影响装配过程的稳定性及装配质量的主要因素，是装配设备可靠工作的重要保证。
其中，准确的自动供料及传送定位是装配自动化系统最主要的工作机构之一[8]。
气动由于其传动介质（压缩空气）特性的影响，运动精度及稳定性较差。
但其良好综合技术特性，使它成为各种传动技术中最适合用来取代人手操作的一种实现形式[9]。
近10年来，气动技术与自动化技术互动发展，在系统及元件控制方面与电子技术结合，实现机电一体化，同时，气动元件尤其是执行元件也在不断与机械技术结合，各种精密导轨和线性驱动系统与气动元件构成一体化，实现气动与机构集成,从而为现代工业应用开发出大量运动、组合灵活快捷，并具有高精度、高柔性和模块化、功能集成化的各类新型气动元件[10]。
图1.2.1几种典型直线运动气缸
近年来，气动技术发展出了许多新的运动实现形式和新的功能单元。
气液增力缸就是其中的一种，它能实现平动的快进、工进、快退组合运动，后面还要详加说明。
新的功能单元主要是在以下两方面有了长足的进展：
一方面将动力、导向、限位、缓冲等集中在一个模块上；
另一方面功能单元将位置检测，位移量检测，压力和计数集中在一个模块上，形成完善的功能单元。
使机床的数字化控制便利化[11]。
因此国内外均在气动技术生产线的研发应用方面做出了巨大的努力。
新中国成立以后，中国的机械制造业有了飞速的发展。
20世纪70年代，由于微电子技术、传感器技术、控制技术与机电一体化技术的快速发展，尤其是计算机的广泛应用。
不仅给机械制造领域带来了许多新观念、新技术、新工艺，而且使机械制造技术产生了质的飞跃，迈上了—个个新的台阶。
我国气动生产线于20世纪六十年代末因第一汽车厂建设才开始选厂。
未赶上国家投资建设期，起步基础很弱。
“七五”计划开始．气动元件被列入国家重点扶持的产业，发展明显加快。
至90年代，民营企业崛起，日益增长的国内外市场需求．催生了我国气动产业持续高速发展。
“十一五”期间，又取得长足的进步和令人瞩目的成就，2008年国内气动元件产值已排在美国、日本、德国之后。
位居第四。
据欧洲流体动力协会统计，2009年我国气动产品国内市场销售额仅低于美国0．63个百分点。
跃居世界第二位。
我国内资企业生产的气动元件品种基本上包含了气动各大类产品，即：
气源处理元件、气动控制元件、气动执行元件、气动辅件、气动系统与气动机械等，总计有品种约2200个，规格约12000个（电磁阀未计电压组合，气缸未计行程组合等）。
内资企业产品水平多数达到上世纪90年代国外企业产品水平，少数主导产品达到当代同外企业产品水平。
方向阀有电控、气控、人控、机控，通径l～25mm，最小幅宽8．5mm，最低功耗1．1W（DC24），最高工作频率200Hz：
多介质电磁阀通径6。
50mm；
压力阀有普通型、精密型．调压精度±
10kPa，灵敏度±
9．8kPa；
空气过滤器有普通型、精密型。
最高过过滤度0．1Ixm；
油雾器最小起雾流量≤30IVmin（通径8mm，进口压力630kPa）；
气缸缸径1．5mm到320mm。
最大缸径l350mm，最长气缸4000mm，伸缩气缸最长14500mm；
工作压力有常规压力，也有高压，可达5MPa：
适应环境温度有常温、高温、低温，能适应一50—2000C，最高达400。
C；
工作介质有压缩空气、水、油、蒸汽及腐蚀性流体等。
能基本满足各行业中低端市场配套要求[12]。
1.2.2气动机械手在装配生产线中的研究应用
装配是整个生产系统的一个主要组成部分，也是机械制造过程的最后一个环节，装配对产品的成本和生产效率有着重要的影响。
通过装配自动化可以降低生产成本，提高产品质量与可靠性。
现代工业自动化生产中迫切需要解决的一个重要问题是实现装配过程的自动化。
生产自动化作为一种趋势，将渗透到各个制造行业中。
随着现代制造技术的发展，冲压生产技术也在向高速化、自动化、柔性化的方向发展[16-17]。
某厂的同一类型锅身冲压年生产在50万件以上，传统的手工生产耗费大量的劳动力。
为节省劳动力、提高生产效率，同时也为迎合制造生产业的发展趋势，该厂提出在原有的传统冲压生产线上，配备上下料机械手而建成自动化冲压生产线。
自动化生产线是在流水线的基础上发展而来，它要求生产线上各机械加工装置能自动地完成预定的各道工序及工艺工程[18]。
在冲压生产过程中常常需要几道工序来完成，因此，实现冲压生产线的自动化需要在各工序间安置上料与卸料装置等辅助装置来完成工件的定位与装卸。
工业机械手是常用于搬运物料的装置，可根据被抓持物件的材料、尺寸、形状、重量和作业要求有多种结构形式，如托持型、夹持型和吸附型等。
其运动机构能实现手部的伸缩、升降、旋转等动作[19]。
在该项目中，压机是传统的四柱式油压机，上料或卸料时需要完成夹持、升降和伸缩3个动作。
采用机械手作为搬运装置，只需此3个自由度，其结构简单紧凑。
机械手的驱动方式有多种，常用的有机械传动、液压传动、电气传动、气动传动，几种传动方式的特点如表1所示。
表1.2.1几种传动方式的机械手的性能比较
项目
机械传动
液压传动
电气传动
气动传动
技术要求
较低
较高
最高
定位精度
高
一般
很高
输出力
小
很大
稍大
动作速度
大
响应速度
中
快
慢
控制自由度
成本
稍高
维护
简单
复杂
更复杂
在此项目中，机械手搬运的最大锅身质量为2kg，对定位精度要求可通过首末两端的机械挡块的定位而实现，综合比较以上4种传动方式的特点，根据该项目的实际情况，选择维护简单、技术要求较低的气动传动作为传动方式。
1.2.3PLC技术在气动生产线中的研究应用
可编程控制器（PLC）是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。
它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算数运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程[21]。
PLC是传统的继电器和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点，包括高可靠性；
应用灵活、使用方便；
面向控制过程的编程语言，容易掌握；
易于安装、调试、维修；
网络功能强大；
体积小、重量轻等。
下面将对本次毕业设计相关PLC控制系统进行简单概述。
轴组件的装配目前大多由人工完成，装配质量往往得不到保证，同型号、同批次的轴组件质检时达不到统一的工艺标准。
为保证产品的工艺质量、提高生产效率、降低生产成本，设计或研发自动化设备是当前企业亟待解决的问题之一。
因此，研制了一套轴组件（轴体、轴套和轴承）自动装配系统。
利用PLC实现控制，使用触摸屏实现人机交互，采用气动机构实现装配和补料，并基于机电伺服控制技术的机械手实现产品的自动搬运，提高了产品的精度及一致性[22]。
如图1.2所示为轴组件装配系统。
图1.2.2系统组成示意图
接下来介绍由沈阳铁路机械学校研发的自动化生产线自动上料站的PLC控制系统，通过自动上料、检测传输、自动分拣和装配等工序设计，将机电气驱动技术、传感嚣技术、PLC技术及网络控制技术的综合实训集于一身。
自动上料模块是整个自动生产线系统的起始单元，主要由工件装料管和推出装置、支架、阀组、端子排组件、PLC、按钮、走线槽及底板等组成。
主要功能是将放置在料仓中的工件自动推到物料盘上，以便使输送单元的机械手将其抓取并输送。
具有手动、自动两种操作方式。
在操作前应确保上料盘有料。
PLC梯形图程序的设计方法有经验法和顺序控制法两种。
顺序控制设计法的基本思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的步，用编程元件（例如存储器位M）来代表，在任何一步内各输出量的状态不变。
使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件，它可以是外部的输入信号，如按钮、限位开关的通断等。
也可以是PLC内部产生的信号，如定时器和计数器的触点信号[23-24]。
图1.2.3PLC接线原理图
1.3课题的主要内容
本课题需采用气动技术，完成某盘套类零件自动装配生产线的结构设计和控制研究，主要内容包括：
1．查阅国内外的相关文献，了解气动控制技术的研究现状。
2．设计零件自动装配生产线气动系统的总体方案，使其完成抓取、旋转搬运等上、下料以及压力装配等动作。
3．熟悉各种气动元件的性能，对自动装配生产线中的气动元件进行选型。
4．进行自动装配生产线系统的装配图设计及各零件的三维造型和二维工程图的设计。
5．对自动装配生产线进行PLC控制。
6.撰写论文。
1.4本章小结
本章系统的阐述了零件自动装配生产线在实际加工生产中的必要性与优越性，针对于盘套类零件的特点，结合国内外的自动装配生产线的特点，提出了采用气动技术完成盘套类零件自动装配生产线的方案，并对课题的来源及主要内容做了系统的描述。
2零件自动装配生产线的总体方案设计
2.1零件自动装配生产线功能分析
零件自动装配生产线需采用气动技术设计完成可满足下列工作要求的盘套类零件的自动装配生产线，如图2.1.1：
1、工件1尺寸：
外径Ф60，内径Ф50，高度15
工件2尺寸：
外径Ф50，高度15
2、摆动转轴1的轴臂原始位置在Ⅰ位置，摆动转轴2的轴臂原始位置在Ⅱ位置。
3、装配冲压头底面距离工件的装配工作台面为200mm。
图2.1.1生产线示意图
其中，绕摆动转轴1摆动的手臂1将工件1由运输带1运送至装配工位，绕摆动转轴摆动的手臂2将工件2由运输带2运送至装配工位，当工件1和工件2同时处于装配工位时，在装配工位完成两零件的过盈配合，最后由手臂2将装配好的零件由装配工位运送至运输带3。
从以上可以得出，运送工件的手臂需要完成抓取、旋转搬运、上、下料等动作。
而在装配工位，生产线需要完成压力装配的动作。
由于工件质量较低，且为过盈配合，因此在装配时所受摩擦力较小，采用气动技术，可以在满足装配精度的要求下，有效的节约成本，提高生产效率，并且气动技术污染较小。
为完成以上动作要求，可以选择旋转气缸、直线气缸、气爪气缸等气动元件进行组合，完成零件自动装配生产线的设计。
2.2生产线方案分析设计
由2.1节分析，零件自动装配生产线可以由旋转气缸、直线气缸、气爪气缸等气动元件组合而成，由于组合方式不同，组合位置不固定，因此零件自动装配生产线的设计方案也是多样的，在本节，将针对于手臂1、手臂2及装配工位的不同设计方案的优缺点进行比较分析，并从中筛选出最佳方案。
2.2.1手臂1方案
手臂1的任务是将工件1由运输带1运送至装配工位，所以手臂1须绕摆动轴心进行90°
角的往复摆动，因此，手臂1的结构中应包含摆动气缸。
同时，为完成抓取任务，手臂1的结构中应包含气爪气缸。
为保证手臂1在搬运工件的工程中，能够稳定抓取工件，并且不与工件或其它生产线中零部件发生干涉，手臂1的结构中还应包含直线型气缸来完成上升、下降的动作要求。
综合以上手臂1不同分解动作的设计方案，为满足结构要求，节约空间，可将直线气缸和摆动气缸用伸摆气缸代替，如图2.2.1,因此，手臂1采用伸摆气缸连接气爪气缸的结构进行设计。
图2.2.1伸摆气缸MRQ
2.2.2手臂2方案
不同于手臂1，由于在一个工作周期内，手臂2要完成工件2和装配件的两次抓取任务，因此手臂2的动作相对于手臂1要更加复杂。
手臂2由于要完成两次抓取任务，所以手臂2绕轴心旋转过程中，需要有0°
、90°
、180°
三个停留位置，参考于手臂1的设计方案，手臂2可以采用180°
伸摆气缸连接气爪气缸的结构方案，为保证手臂2既可以到达90°
位置，又可以到达180°
位置，可以选择90°
位置处添加可移动机械挡块的方式。
可移动机械挡块可以选用普通直线气缸代替，当伸摆气缸摆动至90°
位置时，恰好可以被直线气缸伸出的活塞杆挡住，当直线气缸活塞杆缩回时，伸摆气缸又可以摆动至180°
位置处。
2.2.3装配工位方案
由于该零件自动装配生产线要完成盘套类零件的自动装配，所以装配方式为压力装配，且装配时压力不大，选用普通直线气缸即可。
但是由于装配冲压头底面距离工件的装配工作台面为200mm，高度较高，可能会对生产线内其它零部件造成干涉，因此支撑装配气缸的支撑板不应与摆动轴心1、2在同一轴线上，且不允许在手臂1、手臂2摆动范围内。
2.3气动回路图
气动系统一般由最简单的基本回路组成，通过这些气动回路图，可以直观的看出气动系统的工作过程和方式，并且通过气动回路图得到的信息，可以更好的对气动系统进行控制研究。
零件自动装配生产线的气动回路图由四部分组成，分别为手臂1、手臂2、装配气缸和阻挡气缸，针对于每个气缸分别加装的电磁换向阀进行控制，如图2.3.1所示。
阻挡气缸
装配气缸
手臂2
手臂1
图2.3.1零件自动装配生产线气动回路图
2.4气动元件选型
在本章的前三节中，已经确定了零件自动装配生产线所需气动元件的类型，接下来将对具体气动执行元件进行选型。
目前，国内外有许多公司都对气动技术的应用方面做出的大量的研究，其中SMC公司的成果较为突出、全面，所以接下来对于气动元件的选型主要以SMC公司生产的气动元件为主。
2.4.1气爪气缸选型
设所夹持工件为铝合金
铝合金密度
工件质量
计算夹持力
其中
为摩擦系数，约取0.1～0.2
为安全系数，约取4
解得
查阅SMC公司出版的《现代实用气动技术》，根据表10-59a，可选气爪型号为MHF2系列，该系列气缸缸径为
，夹持力为19~141，行程为8~80，满足生产线的工作要求，同时，根据生产线的结构和功能，最终选取气爪型号为MHF2-16DR，手臂1、手臂2均可使用，如图2.4.2所示。
为使气爪能够未定工作，正常夹持工件，气爪手指需自行设计，在手指内侧黏贴防滑垫，可有效增大摩擦力，保证气爪在夹住工件时工件不会滑落。
如图2.4.1
图2.4.1气爪手指
图2.4.2薄型气爪气缸
2.4.2伸摆气缸选型
由于手臂需要实现升降摆动的动作，因此选择MRQ伸摆气缸，它可以同时实现摆动和直线运动，并且由于伸摆气缸摆动角度可以调节，因此只需在生产线安装前预设不同的角度，手臂1和手臂2均可使用，根据生产线尺寸要求，选择深摆气缸缸径为32mm，伸缩形成40mm，型号为MRQBS32-40CB，如图2.4.2所示。
图2.4.2伸摆气缸
2.4.3装配气缸选型
由于该零件自动装配生产线要完成盘套类零件的自动装配，所以装配方式为压力装配，且装配时压力不大，所以选用CM2直线气缸。
由于该系类气缸耐冲击性能较好，比较适用于装配的需要。
因为装配冲压头底面距离工件的装配工作台面为200mm，所以装配气缸行程至少为200mm，为使安装方便，选择轴向脚座型直线气缸，气缸型号为CM2L32-200，如图2.4.3.
图2.4.3装配气缸
2.4.1阻挡气缸选型
由于阻挡气缸工作简单，为使维护方便，可以与装配气缸选择相同类型的CM2系列直线气缸，行程70mm，型号为CM2L32-70。
2.5本章小结
本章主要介绍了零件自动装配生产线的总体方案设计，其中又将具体动作进行分解分析，针对不同动作方式设计了不同方案，从中选出最佳方案，并以此为依托，绘制了气动回路图，本章最后，根据设计好的方案，对所需气动执行元件进行了详细的选型。
3零件自动装配生产线机械结构
生产线的结构设计是本课题的重点内容，本文主要根据零件的装配要求设计了生产线中各气动元件的位置关系，保证结构尽量紧凑，并通过软件的检测，保证该生产线在运行过程中不会发生干涉现象。
3.1零件自动装配生产线结构示意图
根据以上设计要求与设计方案，设计零件自动装配生产线机械结构如图3.1.1所示。
9
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7
6
5
4
3
图3.1.1生产线结构图
1.装配气缸2.机械手臂13.气爪气缸4.工件15.装配台
6.阻挡气缸7.伸摆气缸8.工件29.气爪气缸10.手臂2
零件自动装配生产线工作过程如下，伸摆气缸1先下降，带动气爪1下降，下降到气爪1的手指可以抓取到工件1的位置停止；
气爪1闭合，抓取到工件1；
然后伸摆气缸1上升，此时，抓取到工件1的气爪1随之一起上升；
之后伸摆气缸右旋，知道连接板接触到挡块停止，此时，工件1被手臂1抓取至装配
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