滚珠三节轨打码及缓冲配件装配生产线机械设计及其自动化文献综述
2020-04-21 16:28:59
| 十年来，中国家具配件行近业经历了第一个高速发展时期，年生产增速均已超过20%，年均出口增速超过30%，全行业已从传统手工业发展成为以机械化生产为主且装备先进、门类齐全、基本满足国民经济发展和人民生活需要以及国际市场出口需要的重要产业。我国由此成为世界家具配件生产大国，并在2005年超过意大利成为世界家具配件第一出口大国。 谈到家具配件行业取得的令人瞩目的成就，中国家具配件协会副理事长朱长岭向记者分析了其内在原因：一是生产规模不断扩大。随着新的工业园区建设步伐的加快和产能不断提高，管理水平也大幅提升，家族式企业开始向现代企业转变，作坊式企业朝着高度机械化方向前行，企业的管理水平、管理能力跃上新的台阶。 抽屉三节轨滑道作为一重要的家具配件，其高度机械化生产制造的必不可少而又十分重要的的过程之一便是其自动化装配。基于此背景，本课题拟开发一种抽屉三节轨滑道装配生产线系统。
在产品加工制造的过程中，当需要将两个或两个以上的零部件组合在一起时，就需要装配工艺。所谓装配，就是通过搬送、联接、调整、检查等操作把具有一定几何形状的物体组合到一起。装配工艺则是根据产品生产设定的技术要求，将零部件进行可靠地组合的方法。装配工艺作为一项重要的制造工艺，其消耗的时间一般占据整个产品生产周期的三分之一左右。而对于某些典型产品的生产，装配是耗费时间最多的生产环节。例如飞机制造，其装配时间约占据整个产品生产周期的 50%。因此，对装配工艺的研究将对提升整个产品生产效率起着至关重要的作用。 装配工艺按照发展过程是由完全人工装配到半人工半机器装配，最后是完全机器装配。即手工装配从自动化装配。手动装配作为一种传统的加工工艺，它是利用人类的双手及其可操纵工具来实现零部件的组装。而自动化装配作为一种现代化制造工艺，则是利用装配机械取代人类的双手来实现所有的操作。 自动化装配相对于手工装配在诸多特性上都具有很大优势。自动化装配的重要目的是提高生产效率、降低装配成本、稳定与改善产品质量、减轻劳动强度以及取代特殊条件下的人工装配劳动。例如对于某些包含微小零部件的产品或只允许在洁净空间内进行装配的精密产品，手工装配无法胜任，只能采用自动化装配。由此可见，自动化装配已成为产品制造装配环节的必然趋势。 本课题通过分析和应用自动化装配的相关理论，对抽屉三节轨滑道生产制造过程中的装配环节进行规划，研发一个抽屉三节轨滑道自动装配生产线，使三节轨装配环节的自动化程度最大化。最终目的是为了降低整条三节轨生产线的成本和提高生产效率，并通过对自动化装配工艺的研究提升核心的制造工艺。 自动化装配是一种集成尺寸工程技术、工艺设计技术、工装技术、计算机数字控制技术和仿真控制技术的复合工艺。 在美国、德国、法国、日本等发达国家，自动化装配技术不仅得到了广泛的应用，同时也取得了巨大成就。这些发达国家长期以来都非常重视对自动化装配技术的研究，它们已经建立了一套专属自己的自动化装配理论。这些独立的装配理论为它们所制造产品的质量提供了可靠的保障，也成为了国家在科学技术上的核心竞争力。 在国外，先进的自动化装配技术体现在大大小小的产品制造过程中。例如飞机制造业对自动化装配技术的研究是最具有系统性。航空发达的国家在制造大型军用或民用飞机时，采用基于单一产品数据源的数字量尺寸协调体系，实施数字化尺寸工程技术，通过装配仿真和虚拟现实技术等虚拟制造技术实现装配过程优化，应用柔性模块化的工装技术、加工和检测单元并集成应用为一系列的自动化装配系统进行机体结构的自动化装配。 而电子元器件制造业对自动化装配技术的研究则体现在精密程度上。在生产微型传感器、芯片等电子元器件时，通过显微视觉，精确地测量操作对象与环境的空间位置关系。同时结合微力传感器，通过信息融合，实现高可靠性、高精度的自动化装配。并利用显微视觉伺服实时监控装配过程，进行动态补偿。 |
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2. 研究的基本内容与方案
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1、研究的基本内容与目标
本课题拟开发一种滚珠三节轨打码及缓冲配件装配生产线机械设计及其自动化系统。通过开展机械设计、气动设计以及运动PLC规划及控制方法研究，最终完成滚珠三节轨打码以及缓冲配件自动化装配这两个环节的系统设计。
1.1机械设计
（1）收集分析国内外产品及专利资料，明确生产线的功能、力学性能要求和机构方案。
（2）研读相关生产线PLC系统运动规划及控制相关文献，拟定运动规划及控制方法的研究方案。
（3）设计生产线机构运动方案，确定系统设计参数，完成装置的机构设计，完成相关装置的3D数字建模及运动模拟。
1.2 PLC运动规划及控制
（1）根据机械设计出的运动仿真以明确生产线的远动流程，并通过充分得出运动控制逻辑图。
（2）开展生产线的PLC控制方法研究，借助实验室相关的实验装置进行运动控制验证。
2、研究拟采用的技术方案
2.1充分利用气缸与液压缸的简单运动并借助单片机进行系统控制。气缸动作迅速反应快，操作简单方便，工作环境适应性较好，安装方便，输出力较大，比较适合作为流水线中简单快速地连贯运动的驱动原件。液压缸液压缸具有结构简单、输出力大、性能稳定可靠、使用维护方便、应用范围广泛等优点，但为确保其运动稳定安装所需空间尺寸较大。单片机结构简单，使用方便，实现模块化，控制功能强，速度快。然而单片机系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。但由于工厂的条件比较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。
2.2充分利用气缸与液压缸的简单运动并借助PLC进行系统控制。可编程逻辑控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC工作可靠、抗干扰能力强、配置与安装方便、编程容易、维修方便，但造价成本较高，对于滚珠三节轨打码及缓冲配件装配该自动化生产线控制非常适用。
2.3充分利用气缸与液压缸的简单运动，并且利用连杆等机械传动构件进行合理的辅助设计，借助PLC进行系统控制。连杆机构（又称低副机构，是机械的组成部分中的一类，指由若干（两个以上）有确定相对运动的构件用低副（转动副或移动副）联接组成的机构。平面连杆机构是一种常见的传动机构，其最基本也是应用最广泛的一种型式是由四个构件组成的平面四杆机构。由于机构中的多数构件呈杆状，所以常称杆状构件为杆。副是面接触，耐磨损；加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造简便，易于获得较高的制造精度，连杆机构广泛应用于各种机械中。连杆机构采用低副，面接触、承载大、便于润滑、不易磨损，形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度；改变杆的相对长度，从动件运动规律不同；连杆曲线丰富，可满足不同要求；但构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低；产生动载荷（惯性力），且不易平衡，不适合高速。但可在尺寸空间上较灵活布置。通过气缸、液压缸与连杆机构等传动构件组合，可以使整套系统在保证运行可靠的前提下布置紧凑，节省企业作业空间。
通过对以上三种方案进行综合比较分析，拟采用第三方案：充分利用气缸与液压缸的简单运动，并且利用连杆等机械传动构件进行合理的辅助设计，并借助PLC进行系统控制。
3、研究拟采用的技术措施
3.1机械部分
滚珠三节轨打码以及缓冲配件自动化装配这两个环节，运动工位较多，所需注意的细节较多。但有些工作仅需简单的动作即可完成，比如在压紧、三节轨的传递、推入缓冲装置等环节，要求运动迅速连贯，因此可用中小型气缸配合推杆构件即可完成运动。对于打码以及压弯环节，因所需力较大，因此可采用中型液压缸、光滑圆轴、直线轴承等来完成。考虑到空间尺寸的布置要求，拟在压弯环节，采用大中型气缸配合连杆构件进行横向布置，以使系统更加紧凑。对于橡胶类型缓冲装置的单个分离，可采用技术比较成熟的振动分离装置进行分离，通过合理的机构设计，完成橡胶类型缓冲装置的快速装配。
3.2控制部分
（1）整体采用PLC来控制。通过将运动流程分析清楚后，根据运动控制逻辑图，进行编写PLC外部接线图以及内部梯形图。外部接线主要通过传感器AD转换进行输入，控制气缸液压缸等输出执行元件。
（2）气缸行程与换向控制。拟采用磁性开关与电磁阀进行气缸行程控制，并且将其作为PLC输入端。磁性开关是一种利用磁场信号来控制的线路开关器件，可做多点控制、安装容易、节省成本。
（3）滚珠三节轨传递运动控制。拟采用霍尔开关并且通过编写其控制逻辑进行有效控制。霍尔开关是一种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。
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