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毕业论文零件自动装配生产线结构设计和控制研究

毕业设计说明书

题目:

零件自动装配生产线结构设计和控制研究

作者:

学号：

学院:

专业（方向）:

2015年6月

中文摘要

随着市场竞争的日渐激烈，提高生产效率已成为现代企业急需解决的问题，而提高产品的装配效率是提高产品生产效率的有效途径。

针对于盘套类零件的装配，由于手工装配效率低，成本高，且质量不一致。

因此，自动化的装配方式正逐渐应用于盘套类零件的装配，而且，自动化装配可以有效的提高盘套类零件的装配效率，并且保证产品的装配质量与可靠性。

由于气动技术具有低成本、少污染、高可靠性和高安全性的特点，本文采用气动技术，设计了盘套类零件自动装配生产线的整体结构，并且通过PLC控制技术，使生产线能够完成抓取、旋转搬运等上、下料以及压力装配等动作。

该生产线具有稳定可靠、速度快、效率高、污染小等优点。

关键词自动装配生产线PLC气动技术

Abstract

Withthemoreandmorefiercecompetition，improvingtheproductionefficiencyisofvitalimportance，andincreasingtheassembleefficiencyisaneffectivewaytoreachtheconclude.Totheplateandshelltypeparts，therearemanydrawbacksinhandassembly，suchlikelowefficiency，highcostandgreatdiversitybetweentheassembledcomponents.Therefore，throughautomaticassemblecanhelpimprovetheassembleefficiencyoftheplateandshelltypeparts，meanwhile，itcanalsoguaranteetheassemblequalityandreliability.Themethodbasedonthepneumatictechnologypossessesanamountofmerits，suchaslowcost，lesscontamination，greatsafety，soaringreliability.Inthisdissertation，Iapplythepneumatictechnologytodesignthewholestructureoftheplateandshelltypepartsproductionline.AndthroughthePLCtechnology，theproductionlinecansuccessfullyaccomplishloadmaterial，laying-off（likegrasp，rotatinghandle），andpressfitting，etc.Thisproductionlineisprovidedwithmanyspecialists，forinstance，reliablystability，highefficiency，highspeed，lesscontamination，etc.

Keywords：

AutomaticassembleProductionlinePLCPneumatic

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1绪论

1.1研究背景及意义

当今时代，伴着市场经济的不断发展，市场竞争愈演愈烈，如何提高产品竞争力已成为现代企业的急需解决的问题，目前来看，节约劳动成本是提高产品竞争力的有效途径。

为节约劳动成本，提高产品的生产效率，自动化装配变得尤为重要。

并且，由于有些产品要求装配精度较高，或者受装配环境的限制，此时，单纯的依靠手工已无法完成装配任务，因此，自动化装配已成为产品生产的必然趋势[1]。

但是就目前自动化的发展情况，应用于装配领域的水平依然较低，且种类较少，因此，大力发展自动化装配可以有效的节约劳动成本，提高产品质量，增强产品竞争力[2]。

产品的最终装配是工厂生产系统中的重要组成部分，产品的多样性导致了装配方法也多种多样，因此，产品装配会比普通的零件加工复杂很多。

所谓装配，是将已加工好的零件按照预先设定的装配条件和标准，以一定的方式组合起来的过程。

目前，自动化主要应用于原材料和零件的加工等方面，但在装配过程中应用较少，这是因为在实际装配过程中，对经验、熟练度要求较高，自动化装配在技术问题上实现较为困难。

现代产品制造业，一件产品的制造周期中装配时间约占50%，而且装配工作量十分巨大。

由于在现代产品制造过程中，装配作业所占的份额越来越大，所以制造成本也随之增加。

在实际加工制造过程中，很难统一出可以应用于所有装配的模型，因此，目前对于大多数装配任务，更多的是采用具体问题具体分析，针对不同的装配任务，设计不同的装配系统[3]。

为了提高产品的生产效率，装配自动化是生产自动化中必不可少的环节。

在现代制造业中，经常会大批量生产电动机、汽车发动机等产品，采用自动装配技术，在生产效率和质量控制方面已经取得了比较可观的成效，自动化装配有效的减轻了人工装配带来的质量低、速度慢、危险性高等问题，有效的提高了生产效率，保证产品质量[4]。

在众多自动化装配生产线中，气动技术生产线有着很大的优势。

与液压传动和电力传动相比，气压传动能源广泛，并且排放较小，不污染环境。

而且，气动元件结构简单，易于维护，制造方便，污染小，寿命长，安全可靠。

因此，在如今的自动装配生产线中，气动技术生产线应用的越来越广泛[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

传统手工装配正逐渐被自动化装配所取代。

现代的自动化装配旨在减小或替代传统的以

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来工人的经验进行的各种繁琐的装配工作。

从而提高生产效率，并能够保证较高的产品质量。

气动柔性装配系统已成为现代加工制造中的重要环节，更加适合大规模的生产装配，对未来制造业的发展具有深远意义[6]。

所有的装配都是有一些简单的动作构成的，例如“拾”或“放”。

把一个零件拾起，放到另一个零件上，并按照零件间的相对位置关系进行组合固定，使零件间能够相对静止或按照一定规律运动。

目前，主流的装配动作主要包括定位、抓取、移动、放置、配合、检测和反馈等[7]。

零件之间的位置精度，是衡量装配品质的重要因素。

其中，精准的自动上料机构及传送定位机构是自动化装配生产线最主要的工作机构之一[8]。

气动技术如今在自动化领域应用广泛，但由于其传动介质为空气，所以相对于液压传动或电机，气压传动的稳定性和精度更差一些。

但气压传动的综合性能较好，使其成为各种传动技术中最适合用来取代人手操作的一种传动形式[9]。

最近几年，气动技术与自动化技术相结合，正逐步向着机电一体化方向发展，与此同时，气动元件也在不断与自动化技术结合，从而为现代制造工业应用开发出大量组合方便、运动灵敏，并具有高精度、高柔性和集成化的各类新型气动元件[10]。

如图1.1为目前比较常见的气缸。

图1.1几种典型气缸

近年来，气动技术发展迅猛，逐渐开发除了新的运动形式和新的执行单元。

气液增力缸就是最近被研制开发的，它能实现平动的快进、快退组合运动。

气动技术还开发除了许多新的功能单元，主要包括以下两个方面。

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。

另一方面将缓冲、限位、导向、动力等集中在一个模块上，形成完善的功能单元。

使机床的数字化控制变得更加便利[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。

建国以后，我国的制造业开始走向了快速发展的道路。

上世纪七十年代，人们致力于传

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感器技术、电子技术、机电一体化技术的研究，使得机械制造技术也得到了飞速的发展。

中国的气动技术生产线始于上世纪六十年代末期。

当时因为第一汽车厂的建设而开始引

进气动生产线。

由于起步较晚，没有赶上国家的重点投资建设，所以基础相对薄弱。

直到“七五”计划开始，气动技术产业被国家列为重点扶持建设的产业，发展速度才得到了提高。

进入九十年代后，民营企业迅猛发展，国内外市场对于气动产品的需求，促使了我国气动产业的高速发展。

在“十一五”期间，我国的气动产业再次取得了令人瞩目的成绩，今年国内气动元件产值已排在世界第四位，仅次于美国、日本、德国[12]。

1.2.2气动机械手在装配生产线中的研究应用[13-15]

装配是整个生产系统的一个重要部分，也是整个生产周期的最后一个阶段，因此装配对产品的生产成本和生产效率有着重大的影响。

通过自动化的装配方式，不但可以提高产品的装配质量，还可以降低生产成本。

由于有些产品要求装配精度较高，或者受装配环境的限制，此时，单纯的依靠手工已无法完成装配任务，因此，自动化装配已成为产品生产的必然趋势。

如何实现装配自动化，以成为现代制造业亟待解决的问题。

自动化的生产方式正在逐步发展到制造行业的各个领域中。

随着制造行业的整体进步，制造技术也在向着自动化、柔性化、快速化的方向发展[16-17]。

某公司提出在原有的传统生产线上，配备上下料机械手，建成自动化生产线，从而提高生产效率。

所谓自动化生产线，是要求生产线上的各个机械加工装置能够在脱离人工的情况下，按照预定的工序和流程自动完成加工任务[18]。

在装配生产过程中，一个装配任务通常包括几道工序，因此，实现装配自动化，需要在各工序间安置用来搬运和定位的辅助设施。

工业机械手是装配中比较常用的辅助设施。

它可以根据不同的装配零件设计成不同的结构，如夹持型、托持型和吸附型等。

其运动机构能实现机械手的升降、伸缩、旋转等功能动作[19-20]。

机械手有很多种传动方式，例如液压传动、机械传动、气动传动、电气传动等，下面对这几种不同的传动方式分析如表1.1所示。

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表1.1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

较低

定位精度

高

一般

很高

一般

输出力

小

很大

小

稍大

动作速度

小

稍大

大

大

响应速度

中

快

快

慢

控制自由度

小

大

中

大

成本

一般

稍高

高

一般

维护

简单

复杂

更复杂

简单

综合分析以上四种传动方式，本课题为盘套类零件自动装配生产线，由于对定位精度要求不高，所以选择维护简单、技术要求较低的气动技术机械手较为合理。

而且气动机械手的性能足以完成零件的装配要求，速度快，效率高。

1.2.3PLC技术在气动生产线中的研究应用

PLC又称可编程控制器，目前，已应用于各个工业控制的领域，它的开发源自早期的通信技术、计算机技术和继电器控制技术。

PLC控制技术的核心是微处理器，用预先编写的程序进行控制，并通过数字量或模拟量的输入/输出来控制机械设备的动作或加工生产过程[21]。

PLC控制技术与传统的继电器控制或者计算机控制相比，有着较大的优越性，它具有应用灵活、使用方便、易于安装、调试、维修；网络功能强大；体积小、重量轻等特点。

因此在工业控制方面应用十分广泛。

下面将对本课题相关PLC控制系统进行简单介绍。

目前，轴类零件的装配主要由人工完成，通常装配质量不高，而且速度较慢。

为保证轴类产品的加工质量、提高生产效率、降低生产成本，采用自动化装配技术是解决此类问题的有效途径。

因此，研制了一套轴组件（轴体、轴套和轴承）自动装配系统。

如图1.2所示为该轴组建装配系统，利用PLC实现控制，采用气动技术实现动作，提高了产品的精度及一致性[22-24]。

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图1.2.2系统组成示意图

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。

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。

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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）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。

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接下来，进行动作分解分析。

首先分析手臂1，手臂1需完成抓取、搬运的动作，抓取过程中为了保证抓取稳固，因此需保证一定的摩擦力，而且为了使手指能够准确抓取到工件，还应添加定位装置。

搬运动作过程沿圆弧路线的方式完成，由2.1可以看出，该圆弧路线为四分之一圆周，需注意一点，由于气动元件并非单纯的点和线，存在宽度，因此，手臂运动的实际半径要大于125mm，在设计时应注意元件之间的干涉问题。

手臂2与手臂1工作方式相似，也需要完成抓取、搬运的动作。

但手臂2也与手臂1有着明显的区别，手臂1只需完成一次搬运动作，而手臂2需完成两次抓取、搬运的动作，且两次分别要将不同的工件抓取至不同的位置。

手臂2需停留三个位置，分别为0°、90°、

180°。

为了使手臂2能够停留在中间位置，必须在90°位置增加可活动定位装置，当手臂2第一次抓取工件2运动到装配位置时，定位装置伸出，阻挡手臂2，使其停留在中间位置；当手臂2去抓取装配件时，定位装置需先伸出，使手臂2停留在中间位置完成抓取任务，然后定位装置需缩回，使手臂2能够继续向右运动，完成搬运任务。

手臂与定位装置工作的先后顺序应恰当控制。

同时需注意手臂1与手臂2运动的先后顺序，以免发生干涉。

装配工位需完成的动作相对简单很多，只需要完成压力装配即可，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。

2.2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，因此，手臂1采用伸摆气缸连接气爪气缸的结构进行设计。

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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所示。

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图2.3零件自动装配生产线气动回路图

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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

ρ=2.7⨯103kg/m3

工件质量

m=ρν=0.32kg

计算夹持力

G=mg=3.2N

F>αmg

nμ

其中μ为摩擦系数，约取0.1～0.2

α为安全系数，约取4解得

F>48N

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Φ8~Φ20，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。

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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。

负载质量m=10kg

转动惯量

J=ml2=10⨯0.1252kg⋅m2=0.156kg⋅m2

摆动角加速度

α=πθ/（90t2）=90π/（90⨯12）rad/s2=3.14rad/s2

对惯性负载，选则，理论输出力矩

η=0.1

M0=Jα/η=0.156⨯3.14/0.1N⋅m=4.9N⋅m

查阅SMC公司出版的《现代实用气动技术》，根据表10-64，选择深摆气缸缸径为32mm，

伸缩形成40mm，型号为MRQBS32-40CB，如图2.5所示。

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图2.5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2.6.

图2.6装配气缸

2.4.1阻挡气缸选型

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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。

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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所示。

图3.1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抓取至装配台正上方，然后伸摆气缸下降，直到工件1接触工作台停止；手臂1放下工件1，上升后返回；之后手臂2以同样的方式将