自动供料系统及传送装置的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文摘要与快速发展的现代加工和制造自动化技术相比,装配自动化技术发展相对落后,产品零部件的装配成为生产中的薄弱环节，尤其在一些精度要求高的自动装配作业,如机械电子产品（微硬盘、数码相机等）的自动装配中，由于装配零件小而精密、形状复杂且装配精度要求高，严重的影响了其自动化程度和生产率，本文以微硬盘 自动化装配生产线设计为背景，着重对装配生产线的自动供料系统及传送定位装置 进行了研究和设计。论文主要工作如下：分析了国内外装配生产线和企业半自动化装配系统，根据微硬盘等精密机械电 子产品的特点、装配方式及装配环境，设计了一种具有一定柔性的多工位直进式非 同步装配系统。根据企业需求、微硬盘装配技术要求及装配作业环境，基于零件料盒的供料系 统设计思想，完成了微硬盘零件的料盒、料栈及供料装置结构方案设计，通过分析 供料装置的基本操作过程及控制任务，确定了控制系统结构方案。分析了多工位精密装配生产线传送装置的功能需求，基于运动耦合装置原理设 计了重复定位精度高、互换性好的多工位传送定位装置，并通过误差建模和分析，验证了该方案能有效提高系统的装配精度。本文研究和设计的自动供料系统及传送定位装置，使自动化装配生产线具有一 定的柔性，基本实现了模块化、通川化设计，符合发展趋势，对于相关企业的技术 改革具有很好的借鉴意义。关键词：自动装配 装配生产线 微硬盘 供料系统 传送装置华中科技大学硕士学位论文AbstractAssembly automation technology is at the relatively elementary stage comparing with the high level of the modern manufacture technique.Then the product assembly becomes the bottle-neck in the production,especially in the high-precise automatic assemblies.Because the components are often small and complicated,the automation degree and the production efficiency are seriously affected.According to the design requirement of the micro-disk assembly system,automatic feeding system and the transporting and locating device are designed and researched in this paper.The major contributions of the thesis are as follows:Some assembly production lines and half-automatic assembly system of the factory are analyzed.According to the characters and the assembly mode and environment of the precise electro-mechanical products,such as the micro-hard-disk,this paper adopts a straight-line configuration and non-synchronize multi-station assembly system which is flexible to some extent.According to the companys demand,the technical requirement and assembly environment,with a new design thought of feeding system based on the components9 package,this paper achieves the design of the part boxes,parts warehouse and the automated feeding mechanism.This paper also analyses the basic operation process of the feeding mechanism and the control task.And finally the control system is designed.With the analysis of the transfer mechanism,this paper makes use of kinematic coupling which has high repeatability and interchangeability in the multi-station transportation and location of workparts.Finally the paper verifies the validity of the devices to improve the assembly accuracy through error analysis.The proposed automatic feeding system and the device of transportation and location improve flexibility of the automatic assembly line.Modularized and generalized idea has been used through the whole work,which accords with the development trend.So the design can be used as a good reference for the corporations.Key Words:automatic assembly,assembly line,micro-hard-disk,feeding system,transfer mechanismii华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题来源本课题得到国家自然科学基金项目“网络环境下的数字制造理论与关键技术”（50335020）、“基于力和视觉的可变形体接触状态检测、建模和操作”（50175036）、国家自然科学基金“十五”重大项目”芯片封装界面制造过程多参数影响规律与控 制”（50390064）以及横向科研项目联合资助。1.2 课题背景现代制造技术的不断发展，为社会生产力带来了巨大飞跃。自80年代柔性制造 系统进入实川阶段以来，使机械加工的面貌发生了质的变化。零件制造、金属成型、切削加工等巳臻综合自动化，并随着柔性制造技术、计算机辅助技术和信息技术的 发展，当今世界机械制造业将进入全盘自动化的时代山。然而，由于加工技术超前 于装配技术许多年，两者已经形成了明显的反差，装配工艺已成为现代化生产的薄 弱环节，现代制造技术的发展使传统的手工装配工艺面临着严峻的挑战。从装配生产率上来看，手工装配过程大多属于劳动密集型，生产率在很大程度 上取决于装配过程对人的依赖性，它是工人执行某一具体操作所花费时间的函数，其劳动量在产品制造总劳动量中占有相当高的比例。同时随着先进制造技术的成川，制造零件劳动量的下降速度比装配劳动量下降速度快的多，如果没有新的举措，该 比值还会提高，即使是发达国家，某些部门从事装配的工人人数也要占工人总数的 50%60%。据有关资料统计分析，一些典型产品的装配时间占总生产时间的53%左右，如果所有的装配都是人工控制的，则生产率指数可能降低到40%左右，而 随着装配自动化水平的提高，生产效率可上升到85%97%。但目前产品装配的平 均自动化水平仅占10%15%。从装配成本上来看，目前在许多企业大量生产中，装配只占产品成本的很小部 华中科技大学硕士学位论文分，购件和原材料一般占5070%,总劳力占2030%,装配只占1015%,可 见作为直接成本核心的装配，相对投入太少，但装配占的隐含成本（即所需工时和 实际所需工时的比率）很多，如：废料、重复劳动等，在诸如飞机行业占80%左右。可见，装配是生产过程中是最薄弱的环节，这一环节占去总生产成本和时间的很大 一部分。随着国际竞争的日益激烈，产品生产周期不断缩短、种类日益增加、质量要求 更高、相应的产品交货时间要求宜短、劳动力成本增加。另外，装配作为一项复杂 的生产过程，人工操作在装配中作为一个生产元素出现，已经不能与当前的社会经 济条件相适应。手工操作既不能保证工作的一致性和稳定性，又不具备判断准确、灵巧，并赋以较大作川力的这些特性，另一方面，从市场经济的现实出发，人工操 作与产品功能可靠、质量一致性好、价格合理的要求也极不相适应。这就对企业提 出了高要求，即：生产过程高柔性，产品质量及生产率高、稳定，生产成本不断降 低。所以，装配自动化是制造工业中需要解决的关键技术。特别是目前国内微硬盘等一类精密机械电子产品的装配，由于零件精密复杂、防静电ESD（Electro Static Discharge）操作疲劳、净房环境、协调作业等因素，使得手工作业存在了很大的局限性，如容易发生误操作，装配不合格等等。微硬盘 的装配很复杂，整个硬盘需装配的零部件有：基座（Mortorbase）、碟片（Disk Candy）、压片（Clamp）螺钉（需不同型号的螺钉）、磁头限位杆（Latch）匝道（Ramp）、磁 头组件（HSA）、滤片（Filter）、上盖（Top Cover音圈马达上盖（VCM）、标签（Label）等。由于这些零部件的结构工艺复杂，使得人工装配的产品合格率、生产率都大大 下降，所以微硬盘零部件精密装配的半自动化/自动化改造的需求尤为明显。特别是 对微硬盘装配进行自动化改造将会大大提高产品成品率和生产率及公司产品的竞争 能力，同时降低了公司的生产成本，对于公司发展具有重大的意义。1.3 课题目的意义在现代精密机械电子产品中，“装配精度的提高”是其发展的关键。在精度要求 高的自动装配作业中，如微硬盘、数码相机等的自动装配，由于其很大一部分装配 2华中科技大学硕士学位论文过程需要较高的定位精度，使得其装配任务的完成相当困难。目前在国内这一类产 品装配仍然大部分采川人工装配为主的手工装配系统，这种装配系统生产率低下，劳动力成本高，质量不能保证。国内许多企业的生产线都面临着技术升级和改造。在本课题中由于微硬盘零部件体积小、复杂且精度要求高，其装配环境要求苛 刻，如ESD控制、净房环境等等。那么如何设计出一条具有自动装配、供料的装配 生产线成为目前迫切需要解决的问题，其中自动供料装置及传送定位装置作为自动 化装配生产线的重要组成部分。它们的好坏直接影响了整个生产线的自动化和柔性 化程度，因此对自动送料及传送定位技术的研究对于自动化装配技术与柔性装配技 术的发展具有重要的意义。自动化水平的高低，早已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。目前，一些发达国家及早地将注意力转向自动装配技术，并取得了卓越的成果。一些产品、部件的装配过程逐渐摆脱了人工操作，而我国工业生产中的自动化程度依然不高，装配速度和生产效率亦较低。这一方面缘于我国人口众多、劳动力便宜，企业不愿 将有限的资金用于自动化装配技术的研究，另一方面也是由于自动化装配研制成本 较高、适川面窄，国内许多企业虽有需求但资金不足。但是随着我国市场经济体制 的完善和对外贸易的巳益增加，国内外的竞争越来越激烈，企业对装配的自动化需 求也必定会巳趋增长，而引进国外的先进设备价格又过于昂贵，因此我国企业要 真正的提高自动化装配水平和竞争能力必须在借鉴国外先进技术的基础上自主研 发，以尽量少的费用研究和开发出符合我国企业需求的自动化装配生产线。因此我 国的自动化装配技术研究具有很大的开发和应川前景。装配自动化的重要性还在于促进产品制造系统的整体优化，生产率得以全面提 高，用少量调整工人服务于一定数量的自动装配设备，在一定程度上提高均衡生产 水平。自动装配不会因工人疲劳、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。同时，在许多情况下，装配自动化所占川的生产面积比手工 装配完成同样生产任务的工作面积要小得多。并且装配工艺自动化可改善装配环境、保障生产安全。在电子工业、宇航工业、化学工业、兵器工业、核工业、海洋开发 等行业中，有些装配操作分别需要洁净空气、惰性气体、真空等特殊环境；有些作 3华中科技大学硕士学位论文业人类难以接近；有些作业有易燃、易爆的危险。因此，从工人劳动保护方面考虑,发展自动化装配尤为重要，也是满足社会、市场及技术发展过程中产品不断更新的 需要。1.4 装配线国内外研究现状1914年美国Ford公司实现流水线生产方式，出现了活动装配线，大大了提高了 生产率。随着机器人技术、计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，从 而使自动化装配生产线得到了飞速发展，许多国家开发的高效自动装配系统，使很 多产品装配工艺从适应人机工程学设计的手工组装线转向高效柔性自动化，首先是 中小型机电产品逐步引入自动装配机制，成为自动装配技术开发的新格局。自动 装配技术近年来发展很快，如克罗斯公司除从事小型产品、汽车发动机及有关部件 的自动装配机（automatic assembly machine）的研缶I夕卜，还从事装配机器人、集成装配 系统、装配单元及全套设备的开发（在设计中采川CAD,利川计算机彩色动画模拟优 化设计，该公司从19861990年四年里开发制造了 30条左右自动装配机和自动装 配线）。这些装配机（线）都具有很高的生产率：小型产品每小时装配900件，节拍为 4s,发动机和传动箱装配线每小时225件。巳本随后也跟踪发展这方面技术，由于 对小汽车采川柔性装配线进行最终组装，零部件的准时传送系统，每20min可把需 要的一定数量的小汽车零部件运送到装配工位。瑞士研制成功手表自动装配线。比 利时New Lachaussee公司研制的具有模块化工作站的雷管自动装配线，生产能力达 140000发/班。美国King Sbury公司研制的全自动或半自动装配系统可川于家川冰 箱压缩机、汽车主动转向泵、家川空调压缩机、汽车自动变速器、汽车减振器、汽 车制动器等多种产品装配，Swamson-Erie公司的引信自动装配线等都体现了当代装 配技术的新水平。美国Bodine公司一直从事中小型产品的高速自动化装配技术研究,已有50年历史，开发出了模块式自动装配机。1980年，英国政府曾拨款30万美元 由伦敦BRSL（英国机器人系统公司）用了 8年时间对FAS（Flexible Assemble System）进行了可行性研究，研究出一种FAS,能对质量小于15kg,体积小于（Un?的电器、电子、机械产品进行天线装配，年产量可达20-30万套巴 更换产品的时间仅为l-2h。4华中科技大学硕士学位论文以前专川的机械式自动装配机是非常昂贵的，但近年来自动装配机的零部件，如基 础件定位传递或连续传动装置、机械装配工具和夹具逐渐标准化，使自动装配机广 泛取用于制造业的大规模生产线上。全自动装配机械系统己在灵巧的柔性装配领域 得到实际应川。我国对自动装配技术的研究起步较晚，目前国内企业大部分仍然采川人工装配 为主，但近年来有了一定的进展，陆续自行设计、建立和引进了一些半自动、自动 装配线及装配工序半自动装置。如采川PLC控制的车锁柔性装配系统、灯头快速 自动化装配生产线及空调蒸发器自动装配生产线等等，这些都已经成功的应川到工 业生产中，并获得了巨大的经济效益和社会效益。我国一些高校也对自动化装配技 术和柔性装配技术投人了大量的人力物力进行研究，如上海交大的毫米级微型机器 人的微装配系统的研究等等，应该说我国对自动化装配技术的研究虽然时间很短,但已经取得了很大的进步。综上所述，目前国内外仍然存在着以下几种装配系统：以人工装配为主的手工 装配系统，该类系统适用于多品种小批量生产装配作业；以特定产品为装配对象的 自动装配系统，该类系统适川于少品种大批量生产装配作业；以某类产品为装配对 象的应川装配机器人的柔性装配系统，这种系统适川于品种经常更换的装配作业。随着产品日益多样化，产品更换频度越来越高，对此类装配系统的柔性化要求愈来 愈 iWj。1.5 本文主要研究内容本文通过对企业手工装配生产线和半自动化装备系统的调研，设计了一套微硬 盘自动化装配生产线的自动供料系统并对生产线中传送系统的传送定位装置进行了 分析和研究，着重分析了在设计过程中需要解决的各种问题，为后续工作提供理论 和参考依据。本文的主要内容包括：第一章介绍了课题的背景和国内外研究现状，及本课题的研究目的和意义。第二章通过对装配工艺设计基础的深入研究，结合微硬盘半自动化生产线的实 际情况，并依据微硬盘等精密机械电子产品的特点、装配方式及装配环境，设计了 5华中科技大学硕士学位论文一种具有一定柔性的多工位直进式非同步装配系统。第三章对供料机构的种类进行了详细的研究和总结，并分析了供料机构优缺点 及不能满足精密机械电子产品装配系统的原因。并根据企业的需求、微硬盘装配的 技术要求及装配作业环境进行分析，完成了自动供料系统的机械结构方案设计。第四章详细的分析了供料装置的基本操作过程及控制任务，通过其工艺流程图 和动作顺序表，确定了 I/O点数，最后进行了控制系统结构设计及利川欧姆龙软件 包CX-PROGRAMMER完成控制程序的编制。第五章确定了装配系统的传送方式，详细的介绍了运动耦合装置，通过对传统 传送定位装置和运动耦合装置的定位精度的分析和对比，将运动耦合装置应用到传 送系统中，从而有效的提高了装配系统的装配精度。第六章对全文的研究工作进行了总结并指出了未来可能的研究方向。6华中科技大学硕士学位论文2装配系统基本构架2.1 引言所谓装配是按规定的技术要求，将具有一定几何形状的零件进行配合联接成装 配单元、部件、复合件和成品的工艺过程。装配是整个生产系统的一个重要组成部 分，是整个制造工艺过程的最后一个环节。装配工艺过程包括装配、调整、检测和 试验等工作。2.2 自动装配系统分类及组成2.2.1 几种典型的装配系统自动装配系统按主机的适川性可分为两大类：一是根据特定产品制造的专川 自动装配系统，或专川自动装配线；其二是具有一定柔性范围的程序控制的自动装 配系统。1）专用自动装配系统自动装配系统必须具备三个功能，即装配、传送和零件供应。特别是传送功能,是决定自动装配系统生产各环节的重要因素。为实现装配一个零件，必须使夹具或 基础件从间统性停顿位置向下一个位置传送，每个工作位置称一个装配工位（装配工 作站），通常自动装配系统由一个或多个工位组成，各工位设计以装配机整体性能为 依据，结合产品的结构复杂程度，确定其内容和数量。（1）多工位自动装配系统固定顺序作业式自动装配系统。适川于单一品种大量生产的自动装配系统。利川装配机器人进行顺序作业的自动装配系统。装配机器人在作业线上只起 到与普通单一功能装配工具相同的作川，机器人实际上是可编程序的高性能装配工 具。这种装配系统没有更换零件的供给装置，不能适应多品种的变换。为发挥装配 机器人的作用，可以通过操作位置编程，实现对同种零件不同位置的安装，如拧紧 7华中科技大学硕士学位论文螺钉，这类似于焊接机器人和喷涂机器人，还可以通过编程控制，实现将平面托盘 上不同位置的零件安装到同一位置的基础件上。(2)单工位自动装配系统在传统的单工位装配机上，可进行三个以下零件的产品装配。但利川装配机器 人可在一处装配许多零件的产品。独立型自动装配系统。只配备一台装配机器人，可装配许多零件，在一处完 成全部装配作业。装配中心。它是一个配置多台固定式装配机器人或具有快速更换装配工具系 统，采川具有料斗作川的零件托盘，成套地向机器提供大量的多种零件，在同一处 完成装配作业。具有坐标型装配机器人的自动装配系统。它是利用具有X-Y坐标型机器人，进行简单对话式程序设计，关键零件靠托盘供应，是一种较灵活的系统，定位精度 可达 0.01mm。以上自动装配系统适应一种产品的装配，许多设施是刚性的，不适合于产品更换。2)柔性装配系统在自动装配技术中人们主要关心的是柔性自动装配系统。尽管柔性装配技术已 为众人所知，但从术语上讲还是没有一个明确的定义。事实上柔性取决于人、可编 程序性、组合性、快速更换装配工具和可选择工位等，并有人机接口系统。柔性装 配系统由下列各部分组成：装配机器人系统、灵活的物料搬运系统、零件自动供料 系统、工具(手指)自动更换装置及工具库、视觉系统、基础件系统、控制系统和计 算机管理系统。柔性装配系统通常有两种形式：一是模块积木式柔性装配系统，另一种是以装 配机器人为主体的可编程序柔性装配系统。装配系统按其结构可分为三种：(1)柔性装配单元 借助一台或多台机器人，在一个固定工位上按照程序来完 成各种装配工作；(2)多工位的柔性同步系统 系统由传送机构组成固定或专用的装配线，采用 8华中科技大学硕士学位论文计算机控制，各自可编程序和可选工位，因而具有柔性；(3)组合式结构的柔性装配系统这种结构由装配所需的设备(如钻孔、装入 螺钉、旋拧螺钉机构)、工具和控制装置组合而成，可封闭或置于防护装置内。例如，安装螺钉的组合机构是由装在箱体里的机器人送料装置、导轨和控制装置组成，可 以与传送装置联接。这种组合式多功能装配系统，通常要有三个以上装配功能。另外依据物流，装配系统大体可以分为三个发展过程如图2.1所示：(c)具有配送功能的柔性装配系统图2.1装配系统发展三个过程图2.1(a)为传统的专川自动装配系统，基础件用传送带在装配工位间传递(装配 工位川记号参示)，每一工位通常装配一个零件，安装8个零件就需要8个工 位。零件的整列供料装置设置在装配工位附近，(供料装置川记号“口”表示)，零 件通过振动料斗、沟槽等装置送到装配工位，自动装配机在装配工位审行装配作业。传送、供料和装配是专川装配系统必不可少的功能，被称为自动装配的三要素。随着SIGMA,PUMA,SCARA等各种装配机器人的实川化，装配系统的构成发 生了变化，出现了如图2.1(b)所示的柔性装配系统。装配机器人可以通过编程确定位 姿，配合以适当的工具、夹具就可以在一个工位装数个零件，图2.1(b)就是在一个工 位装配4个零件的实例。在一个工位所能装配的零件数称为自动装配系统的集成度,集成度超过4就会产生各种问题。最明显的问题是装配系统的节拍问题，如装配一 个零件所需时间为3秒，忽略传送时间不记，图2.1(a)的系统节拍为3秒，图2.1(b)9华中科技大学硕士学位论文的系统节拍则是12秒。以每个月单班的运转时间为10000分钟计算，前者为月产 20万件的专川装配系统，而后者则是月产5万件的柔性装配系统。在这个柔性装配 系统中影响生产效率的主要因素是装配机器人，装配机器人每3秒就必须完成1次 作业，传送和供料系统12秒才动作1次，传送和供料系统与专川装配系统相比其重 要性下降，而装配机器人的重要性却上升。可见在柔性装配系统中，实现装配机器 人的高速化对提高系统生产率有十分重要的作川。当柔性装配系统的集成度超过4 时，供料装置的布局会遇到因难。装配机器人的周边没有足够空间布置太多的供料 装置。近年来，生产中出现了如图2.1（c）所示的具有配送功能的柔性装配系统，将零 件的整列供料部分从装配线分离，在供料系统与装配线之间设立配送系统。零件由 供料装置整列后放在标准化零件托盘内，托盘通过配送系统送到安装工位附近的托 盘循环装置，再由托盘循环装置送入安装工位。供料系统与装配之间用传送带或无 人搬运小车运送的配送方式称为外部配送方式，配送系统组合在装配系统内部时称 为内部配送方式。配送系统从功能上来看是执行供料系统的最终功能，从技术上、结构上来看与传送系统有许多共同之处。这样一来，新型柔性自动装配系统已由传 统自动装配系统的传送、供料、装配三要素发展成传送、供料、配送、装配四要素 了，这也是以后柔性装配的发展趋势。2.2.2 自动装配系统的组成自动装配系统必须包括装配过程的物流自动化、装配作业自动化和信息流自动 化等系统，主要由装配机器人系统、物料输送系统、零件自动供料系统、基础件系 统、视觉系统、工具（手部）自动更换装置及工具库、控制系统和计算机管理系统组 成叫1）装配过程的物流自动化装配过程中的物流自动化是指装配工艺过程的运储系统的自动化。物流系统一 般包括3一冏：产品及装配零部件出入库、运输和储存，主要设备是自动化立体仓库、堆垛起重机、自动导向小车和搬运机器人等。2）装配作业自动化10华中科技大学硕士学位论文任何一种产品的自动装配过程，都是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进行组合或固定。零件的定向(direction)和定位(positioning)精度是影响装配过程的稳定性及装配质量的主要因素。一个好的供料系 统必须提供充足的存储容量，维持恒定的进给率，保证准确的定向，提供精确的定 位方法。并实现零件的追踪与分离。而一般要装配的零件多处于无约束的自由状态,搬运这些零件就成为自动输送中的难题。在进行自动装配系统设计时，首先考虑零 件的自动供料系统，这对自动装配系统的结构有很大影响，而且在自动装配系统开 发的经费和时间上占有相当大的比例。自动装配工序的概念是含有在确定的工位上完成装配对象的联接动作，每个工 位上的动作都有独自的特点，工序之间由传送装置连接起来。自动装配工序有：(1)装配工序(又可分为安装工序和固定工序)(2)检测工序(包括检验、检查和测试等)；(3)调整工序;(4)辅助工序(清洗、去毛刺、打标记、上油、分选、压人密封件等)；(5)机械加工工序。在自动装配设备上对特定零件进行机械加工，而后进入装 配安装和固定后，对一个或几个零件进行加工。安装工序是指在自动装配设备的专川工位上进行装配部件、零件的预备联接(没 有固定)。通常.安装工序随后是固定工序，也可以把安装和固定放在一个工位上进 行。零件固定工序指的是螺纹联接、压配联接、热压过盈联接、装销钉和开口销、佛接、折边联接、卷边、敛缝、压紧、弯曲、缠绕、粘接、塑料压制成型和焊接等。常见的装配作业基本形式有：轴孔类零件的过盈配合、过渡配合、间隙配合装 配；螺钉联接、热压过盈联接、开口销联接、钾接、折边联接、卷边；粘接、焊接、缠绕、加润滑油脂、嵌镶零件等。止匕外，为完成装配作业还经常进行一些辅助作业。自动装配工艺过程也包含有检测工序，检测工序一方面保证装配质量，另一方 而在装配过程中对各种故障进行处理胤。自动检测的内容包括：装入零件是否有缺 件、装入零件方向、位置的识别；装入过程中零件的夹持误差，异物的混入；装入 零件的分选误差，装入后的尺寸精度、密封质量、装配质量；装配的灵活性；性能 11华中科技大学硕士学位论文试验；装配过程的故障诊断、预测报告以及产品装配完成以后产品的功能检查等。自动装配技术的开发包括零件配合过程的研究和装配系统的研究两个方面。配合过程是取用尺寸链原理，保证产品的装配精度。装配不同于加工，装配过程是 多种零件同时参与，而加工过程的对象则是单一的。一般装配零件是处于无约束的 状态下，能否在既定条件下完成装配，是由零件开始接触一瞬间的相对位置决定的。因此，必须提高装配零件的相对位置精度和具有适当柔性的装配工具与夹具的定位 精度。如果出现相对位置偏差将产生接触力，零件或机器人手腕夹爪将发生微量变 形，如果位置偏差不超出允许值，配合会顺利进行，若偏差过大，将恶化装配条件。自动装配工具能根据允许的间隙量，利川接触力的反馈响应自动调整，进行精确配 入和随动纠偏。同样，智能装配机器人或移置机构应能保证零件快速到位和精确配 入动作，应通过传感器检测零件装配时所受的力和力矩，川数控拾一放装置或柔顺 手腕控制装配工具，实现柔顺定位。自动化装配还需根据产品特点、装配对象、零 件配合间隙、品种规格等合理地选择装配机的类型和数量，使装配作业分配在装配 机的各个工位上。3）装配过程的信息流自动化装配是生产过程的最后阶段，必须在交货时间、批量大小、产品更新换代等方 面最大限度地适应不断变化的市场需求。自动装配过程与自动化仓库存取的调度、零件数量、品种的协调都必须建立严格的装配生产组织和有效的技术管理措施，使 装配过程中的各种信息数据的收集、处理和传送实现自动化。2.3 自动装配工艺设计基础在自动装配系统设计时必须依据以下几个方面的工艺设计基础：一、依据产品结构性工艺装配工艺难度与产品复杂性成正比，零部件数目大的产品需通过若干装配操作 程序完成，因此必须重视产品设计与自动化装配技术理论与实践的统一的设计思想,必须遵循整个装配工艺过程按适当的部件形式划分为几个装配阶段进行、部件装配 程序必须经过分别检验合格、部件与部件间的联接形式和装配程序的数目应最小等 12华中科技大学硕士学位论文要求。二、基础件的概念与功能基础件在部件装配程序和终端产品形成过程中占有极重要的地位。所谓基础件 是在装配过程中需在其上面继续安置其他零部件的基础零件（往往是底盘或底座），电子工业中较典型的例子是印刷电路扳。在回转式传送装置或直线式传送装置的自 动化装配系统中，在一定程度上把随行夹具看成基础件。基础件在夹具上的定位精 度是很重要的，当基础件为底盘或底座时，定位误差应满足自动装配工艺要求，使 基础件内各联接点有足够的定位精度。三、装配零件的质量保证装配零件的制造工艺在一定程度上会影响自动装配过程，制造工艺确定了零件 质量，而自动装配设备工作可靠性首先又和零件质量有关。根据预先分析的零件质 量结果，可以评价装配过程的可靠性，因此装配自动化必然要求零件高质量。四、拟定自动装配工艺自动装配需要详细编制工艺、包括装配工艺过程图并建立相应的图表，表示出 每个工序对应的工作工位形式。具有确定工序特征的工艺图是设计自动装配设备的 基础。五、估算完成各装配工序的时间自动装配工艺过程确定后，可分别根据各个工序工作头或执行机构的工作时间,在规格化和实验数据的基础上确定完成单独工序的规范。每个工序单独持续的时间，既包括装配工序的持续时间，也包括其他工序（如加工、检测、辅助工序等）的持续 时间。完成某单独工序的持续时间为：T.=tT+tx+tY（2.1）式中今一完成工序所必须的操作时间；一空行程时间（辅助运动）；（一系 统自动化元件消耗的时间；通常，单独工序的持续时间可川于预先确定自动装配设备的工作循环的持续时 间。分别列出每个工序的持续时间，可以区分出哪个工位必须改变工艺过程参数或 13华中科技大学硕士学位论文改变完成辅助动作的机构，以减少该工序的持续时间，使各工序能基本上同步。根据单个工序中选出的最大持续时间,max再加上辅助时间r（不与Z重合）便 可得到系统的最大循环时间为：Tmax=T：+T；（2.2）式中r一完成工序间传送运动消耗时间，实际的循环时间可以比该值高些。六、自动装配工艺的工序集中在自动装配设备上确定工位数后，可能会发生装配工序数量超过工位数量的情 况，此时工艺过程若想在给定工位数的自动装配设备上完成，就必须把有关工序集 中，或者把部分装配过程分散到几个自动装配设备上完成。工序集中有两种方法：1）在自动装配工艺图中找出几个工序满足不等式 Culpepper ML等人的著作MW。由于运动耦合装置具有很高的可重复性(repeatability)定位精度及可互换性(interchangeability)强等优点，在精密仪器设计和光学系统中得到广泛应川的3叫 但 在工业制造生产中近几年才有所研究和应用，如在解决机器模块(machine modules)安装时重复校准的问题、产品夹具、机器/机器人校准、货盘排列、模具成型、工具 定位/固定、安装过程校准、CMM零件的定位等等叫。因此运动耦合装置对于可重 复性定位精度要求高及可互换性好的工业场所提供了一种很好的方法。5.4运动耦合装置的应用与分析5.4.1 传统传送定位装置的定位误差分析硬盘自动化装配生产线项目中，采用直进式非同步传送装置，非同步式传送装 置的随行夹具无刚性连接，通过摩擦传送，装配方向可为上下方向及两个侧面方向。51华中科技大学硕士学位论文当有装配力时，采川向下方向操作。随行夹具在装配工位停止点时须使用定位装置。图5.4是直进式非同步传送系统最广泛使川的传统随行夹具，也就是随行夹具 与运动设备没有永久性连接的情况。装配组件的基础件用其外形来夹持并定位。此 时，随行夹具没有其它功能，因为待装配部件要直接装在基础件上。随行夹具有一 个水平式编码销，它有两个位置，即肯定性和否定性的位置，当检测出否定性结果 时，气缸使编码销从肯定性位置移到否定性位置，使不正确的装配通过标编码的位 移来启动传感器、再由传感器中止各后继工位装配。当卸下产品或组件后，编码销 必须返回原始位置。这类工件随行夹具由两个部分组成，直进式传送系统设备和制 造厂通常把底板作为标准部件，如果需要大量随行夹具，随行夹具上半部分的外形 要便于夹持基础件，那么上半部分最好制成塑料模件，如形状复杂更应如此。如果 一个循环系统中需要几百个随行夹具，那么合理地制造随行夹具更为重要。图5.4直进式非同步装配系统传送装置的随行夹具在直进式非同步装配生产线上，随行夹具到了装配工位必须停止和进行定位，基础件在夹具上的定位精度是很重要的，而在这里在一定程度上把随行夹具看成基 础件，那么就转换成如何进行随行夹具的精确定位问题，当基础件为底盘或底座时,定位误差应满足自动装配工艺要求，使基础件内各联接点有足够的定位精度，上图 5.4的随行夹采川了一面两孔的定位方法（即PIH方法），以便在自动化工位中正确 定位。下面分析一下一面两孔定位方法的定位精度图。采用一面两孔定位时，其定位孔与定位销之间为间隙配合及两孔、两销中心距 52华中科技大学硕士学位论文误差引起的基准位移误差和转角误差必须考虑，当定位孔q的直径尺寸最大、圆柱 销直径尺寸最小，且考虑两孔中心距的制造误差的影响，根据图5.5(a)所示的两 种极端位置可知：品置6=。；=肛+74+八,(5.1)条置。2=2；=+=肛+Almin+TL(5.2)式中 仍为定位孔。的公差；74为圆柱销的公差；A1mm为定位孔与圆柱定位销的最小配合间隙。图5.5 一面两孔定位的位置和角度误差如图5.5(b)所示，当定位孔。2的直径尺寸最大、菱形定位销直径最小，且两孔及两定位销中心距均为上时，根据图示的两种极端位置可求得两孔中心连线QQ 的角度误差，即Q=+次1 4立置3+狐置02 2L/篇置 02=TD?+Td2+A2min(5.3)(5.4)式中功2为定位孔。2的公差；T4为菱形定位销的公差；A2mhi为定位孔。2与菱 53华中科技大学硕士学位论文形定位销的最小配合间隙。经过分析与计算，一面两孔定位方法的定位精度一般在几十个微米左右，在一 般的工业生产应用中是能够满足其精度要求的。5.4.2 运动耦合装置定位误差建模在微硬盘自动化装配生产线项目中，采用如图5.6所示的三球/三v形槽运动耦 合装置作为传送系统中的传送定位装置，首先分析一下运动耦合装置的定位精度。如图5.6所示的运动耦合装置中，由三个球心形成的三角形为耦合三角形，其内心 为耦合中心。配合时理想耦合三角形处于理想位姿（槽平台位姿），由于受接触点处 Hertz应力变形、零件的制造误差、球与槽之间配合误差等因素影响（在电子机械产 品装配过程中由于基础件负载和装配力及力矩都很小，因此触点处应力变形可不考 虑），使三球心相对理想位置有小偏移，从而造成实际耦合三角形（固连于球平台）相对理想耦合三角形有位姿小偏差，可以看出运动耦合装置概念上是种静态并联机 构（微小误差运动），在这里只分析球半径制造误差对上