About us媒体公告

自动机械的结构组成与工作流程

发布时间: 2022-08-05 00:04:42 来源:华体会综合网页版 作者:华体会手机网址

  机械加工是一个传统的制造行业,在制造业中占有非常重要的地位,无论是机器设备还是小的金属零件、部件等,都离不开机械加工和机械加工设备,因此它属于基础性的生产装备。最常用的机械加工设备包括各种机床、冲压设备、焊接设备、塑料加工设备、铸造设备等,上述设备都可以实现全自动化或部分自动化。

  装配是相当多产品整个制造过程的核心环节,例如家用电子、电器产品的制造过程中,主要的前工序为零件加工(机械加工、冲压、注塑、压铸等)、零件表面处理(清洗、干燥、电镀、喷涂等),最后进入后工序装配阶段,装配自动化是制造自动化的核心内容。

  在许多产品的装配工序中或装配工序后,需要对各种工艺参数进行检测和控制,这些检测通常都是由机器自动完成的,最常见的检测参数或对象主要为:

  包装通常是各种产品生产过程中的最后环节,因此,包装是一个通用性非常强的工序。在工程上,包装不仅仅指将产品用包装盒、包装袋或包装箱装起来,还有大量的相关工序,已经形成了一个相当大的自动化包装设备产业。

  自动化专机:自动化专机是指单台的自动化设备,它所完成的功能是有限的,如只完成某一个工序或少数几个工序,最后的产品一般是零件或部件。在自动化专机中,根据设备功能的区别又分为半自动专机、全自动专机。

  半自动专机:在每个工作循环中设备没有完成全部的操作,需要人工辅助完成部分操作,例如上料或卸料操作,此类设备称为半自动专机。

  全自动专机:在每个工作循环中上下料及其他操作全部由机器自动完成,工人只进行过程监控及故障停机后的检查、故障排除等工作,此类设备称为全自动专机。全自动专机与半自动专机的最大区别就是采用了各种各样的自动化上下料机构。

  自动化专机是最基本的自动机械,复杂的自动化生产线都是由各种不同的自动化专机集成而来的。因此,熟练掌握自动化专机的结构与工作原理是学习自动机械的重要内容,只有在掌握了自动化专机设计的基础上才有可能进行自动化生产线、自动机械典型结构组成

  自动化专机在结构上具有许多特征,这对于学习与掌握它是非常有帮助的,其主要特征为:

  自动化专机最大的特点就是结构模块化,它是由各种专用的功能模块组合而成,例如输送装置、自动上料装置、定位夹紧机构、导向部件、电机与传动部件、各种执行机构等,很多都已经形成标准的结构模块。这些模块在不同的设备或生产线上具有很强的相似性,只要将所需要的各种模块组合在一起,即可组成自动化专机的主要部分,不仅使设计制造简单化,降低设备的制造成本,而且也为读者学习掌握它们提供了极大的方便。

  在上述各种结构模块中,分别有许多制造商长期专业从事其研究与生产制造,例如气动元件、电机、导轨等导向部件、传动部件、自动送料装置、输送线、分度器、铝型材等,不仅形成了相当的规模,可以实现快速供货,大大缩短制造周期,而且达到了相当高的质量水平,这方面尤其以日本最为出色,拥有一大批具有世界一流水平的自动机械基础部件制造商。学习自动机械的重要内容之一就是掌握上述各种部件的选型方法、装配及调试要领。

  通过对各种自动化装配设备进行分析总结,读者将会发现机器的自动化装配很大程度上模仿了人工装配的方式。下面以一个最简单的装配工序—螺钉连接装配为例,对比说明人工操作及机器自动化操作的过程,帮助读者理解机器自动化装配如何模仿人工操作过程,以及自动机械通常是由哪些结构部分组成的。

  一般人都可以很容易地理解,在人工操作的螺钉连接装配工序中,可以把整个装配过程分为以下几步。

  操作者将需要连接的两个或多个零件、螺钉分别人工从周围放置零件的容器中取出。

  将需要连接的零件及螺钉放入待装配的位置(通常都设计有供零件定位的定位夹具),左手将工件按紧,然后右手用工具(如手动螺丝批)转动螺钉将螺钉拧紧。在手工装配流水线上,工人通常用右手握紧电动螺丝批或气动螺丝批,在批头压紧螺钉的同时按下开关,由工具自动拧紧螺钉。

  将连接好的零件从定位夹具中取下,放入周围专门的容器或位置,完成一个操作循环。在上述操作过程中,操作者依赖的是双手、眼睛及辅助装配工具(定位夹具、手动螺丝批、电动或气动螺丝批)。

  当螺钉尺寸很小时,人工从螺钉盒中的大堆螺钉中拿取一个螺钉是非常费力的,这种情况下为了提高人工装配的效率,可以采用一种微型螺钉自动送料器,它能够将微小的螺钉自动排列后通过一个输料槽送出,装配时工人用气动螺丝批的批头在输料槽的末端自动吸取一个螺钉后再装配,这样就使装配更快捷、更省力,这其中就已经包含了部分自动化的功能。

  机器的自动化操作实际上仍然是模仿上述过程进行的,只不过与人工装配操作相比,在如何实现每一个步骤方面存在区别。以下是螺钉自动化连接装配的一般过程。

  在螺钉自动化装配连接工序中,需要连接的工件及螺钉通常都采用自动送料装置。由于螺钉的重量较小,能够方便地采用一种称为振盘的自动送料装置(将在第5章介绍)进行自动输送,只要在振盘输料槽出口用一根透明塑料管连接到气批的批头部位即可,同时在振盘的出口设置一个一次只放行一只螺钉的分料机构,每次只放行一个螺钉,这样螺钉就会在重力作用下通过透明塑料管自动滑落到批头部位。

  采用振盘或机械手将待连接的工件移送到定位夹具上后,定位夹具具有对工件进行准确定位的功能,必要时还设置夹紧机构对工件自动进行夹紧。

  完成螺钉连接的工件需要从定位夹具中卸下,以便进行下一个工作循环,在人工装配操作中通过人工

  直接将完成装配的工件取出放入附件的中转箱中。在自动化装配中则采用专门的卸料机构,对于重量较轻的零件一般采用简单的气动机构,直接将工件从装配位置推出,工件通过倾斜的料道滑落到中转箱中,重量较大的工件则可以通过机械手将其从定位夹具中取下,放入中转箱中或输送线)人工操作与机器自动化操作的共同特征

  通过上述简单实例的比较,不难发现机器自动化装配过程与人工装配过程是非常相似的,它们都包括以下几个基本步骤:

  在学习自动机械的具体结构模块之前,首先要对自动机械的整体结构框架有一个基本的认识,然后再熟悉局部的结构模块,在熟悉结构模块设计的基础上再进一步熟悉整机的集成方法。

  通过前面螺钉自动化装配的实例分析,可以基本了解自动机械的整体结构框架,用于其他工序操作的自动机械与自动化装配机械类似,通常都是由以下基本的结构模块根据需要搭配组合而成的:工件的自动输送及自动上下料机构

  工件或产品的移送处理是自动化装配的第一个环节,包括自动输送、自动上料、自动卸料动作,替代人工装配场合的搬运及人工上下料动作,该部分是自动化专机或生产线不可缺少的基本部分,也是自动机械设计的基本内容。其中自动输送通常应用在生产线上,实现各专机之间物料的自动传送。

  输送系统包括小型的输送装置及大型的输送线,其中小型的输送装置一般用于自动化专机,大型的输送线则用于自动化生产线,在人工装配流水线上也大量应用了各种输送系统。没有输送线,自动化生产线也就无法实现。

  根据结构类型的区别,最基本的输送线有:皮带输送线、链条输送线、滚筒输送线等;根据输送线运行方式的区别,输送线可以按连续输送、断续输送、定速输送、变速输送等不同的方式运行。

  自动上下料系统是指自动化专机在工序操作前与工序操作后专门用于自动上料、自动卸料的机构。在自动化专机上,要完成整个工序动作,首先必须将工件移送到操作位置或定位夹具上,待工序操作完成后,还需要将完成工序操作后的工件或产品卸下来,准备进行下一个工作循环。

  输送线(如皮带输送线、链条输送线、滚筒输送线等)卸料机构通常比上料机构更简单,最常用的卸料机构或方法主要有:

  气动推料机构就是采用气缸将完成工序操作后的工件推出定位夹具,使工件在重力的作用下直接落入或通过倾斜的滑槽自动滑入下方的物料框内。对于质量特别小的工件,经常采用压缩空气喷嘴直接将工件吹落掉入下方的物料框内。

  在各种自动化加工、装配、检测、包装等工序的操作过程中,除自动上下料机构外,还经常需要以下机构或装置:

  工件必须位于确定的位置,这样对工件的工序操作才能实现需要的精度,因此需要专用的定位夹具。

  在加工或装配过程中工件会受到各种操作附加力的作用,为了使工件的状态保持固定,需要对工件进行可靠的夹紧,因此需要各种自动夹紧机构。

  工件必须处于确定的姿态方向,该姿态方向经常需要在自动化生产线上的不同专机之间进行改变,因此需要设计专门的换向机构在工序操作之前改变工件的姿态方向。

  机械手在抓取工件时必须为机械手末端的气动手指留出足够的空间,以方便机械手的抓取动作,如果工件(例如矩形工件)在输送线上连续紧密排列,机械手可能因为没有足够的空间而无法抓取,因此需要将连续排列的工件逐件分隔开来。又例如前面所述的螺钉自动化装配机构中,每次只能放行一个螺钉,因此需要采用实现上述分隔功能的各种分料机构。

  上述机构分别完成工件的定位、夹紧、换向、分隔等辅助操作,由于这些机构一般不属于自动机械的核心机构,所以通常将其统称为辅助机构。

  任何自动机械都是为完成特定的加工、装配、检测等生产工序而设计的,机器的核心功能也就是按具体的工艺参数完成上述生产工序。通常将完成机器上述核心功能的机构统称为执行机构,它们通常是自动机械的核心部分。例如自动机床上的刀具、自动焊接设备上的焊枪、螺钉自动装配设备中的气动螺丝批、自动灌装设备中的灌装阀、自动铆接设备中的铆接刀具、自动涂胶设备中的胶枪等,都属于机器的执行机构。

  显然,熟悉并熟练掌握上述执行机构的选型方法也是熟练从事自动机械设计的重要内容。这些执行机构都用于特定的工艺场合,掌握这些执行机构的选型方法离不开对相关工艺知识的了解,因此,自动机械是自动结构与工艺技术的高度集成,从事自动机械设计的人员既要熟悉各种自动机构,同时还要在制造工艺方面具有丰富的经验。自动机械形式多样,但因为这种原因只能根据有限的实例去分析它的设计方法,因此本教材中的工序操作泛指各种加工、装配、检测、包装、标示等工序内容,而工件则泛指各种零件、部件、半成品、成品等操作对象。

  任何自动机械最终都需要通过一定机构的运动来完成要求的功能,不管是自动上下料机构还是执行机构,都需要驱动部件并消耗能量。自动机械最基本的驱动部件主要为:

  由压缩空气驱动的气动执行元件(气缸、气动马达、气动手指、真空吸盘等)由液压系统驱动的液压缸

  各种执行电机(普通感应电机、步进电机、变频电机、伺服电机、直线电机等)在自动机械中,气动执行元件是最简单的驱动方式,由于它具有成本低廉、使用维护简单等特点,在自动机械中得到了大量的应用。在电子制造、轻工、食品、饮料、医药、电器、仪表、五金等制造行业中,主要采用气动驱动方式。

  液压系统主要用于需要输出力较大、工作平稳的行业,如建筑机械、矿山设备、铸造设备、注塑机、机床等行业。

  除气动元件外,电机也是重要的驱动部件,大量应用于各种行业。在自动机械中,广泛应用于如输送线、间隙回转分度器、连续回转工作台、电动缸、各种精密调整机构、伺服驱动机械手、精密X-Y工作台、机器人、数控机床的进给系统等场合。

  气缸、液压缸可以直接驱动负载进行直线运动或摆动,但在电机驱动的场合则一般都需要相应的传动系统来实现电机扭矩的传递。自动机械中除采用传统的齿轮传动外,大量采用同步带传动和链传动,尤其因为同步带传动与链条传动具有价格低廉、采购方便、装配调整方便、互换性强等众多优势,目前已经是各种自动机械中普遍采用的传动结构,如输送系统、提升装置、机器人、机械手等。

  在大量采用气动元件的自动机械中,在少数情况下控制气缸换向的各种方向控制阀全部采用气动控制阀,这就是纯气动控制系统。还有一些场合各种机构的运动是通过纯机械的方式来控制的,例如凸轮机构,这些都属于纯机械式控制系统。

  电气控制系统是指控制气缸运动方向的电磁换向阀由继电器或PLC来控制,在今天的制造业中,PLC已经成为各种自动化专机及自动化生产线最基本的控制系统,结合各种传感器,通过PLC控制器使各种机构的动作按特定的工艺要求及动作流程进行循环工作。电气控制系统与机械结构系统是自动机械设计及制造过程中两个密切相关的部分,需要连接成一个有机的系统。

  在电气控制系统中,除控制元件外,还需要配套使用各种开关及传感器。在自动机械的许多位置都需要对工件的有无、工件的类别、执行机构的位置与状态等进行检测确认,这些检测确认信号都是控制系统向相关的执行机构发出操作指令的条件,当传感器确认上述条件不具备时,机构就不会进行下一步的动作。需要采用传感器的场合例如:气缸活塞位置的确认

  在熟悉自动机械的基本结构组成之后,接下来就要了解它是如何工作的,即了解它们的典型工作流程。自动机械各部分的机构是按一定的流程进行工作的,理解它们的工作流程对于深入认识自动机械的结构规律非常有帮助。以典型的自动化装配为例,可以将自动化专机(或自动生产线)的工作流程分为以下几个环节。

  输送与自动上料操作就是在具体的工艺操作之前,将需要被工序操作的对象(零件、部件、半成品)从其他地方移送到进行工序操作的位置。上述被工序操作的对象通常统称为工件,进行工序操作的位置通常都有相应的定位夹具对工件进行准确的定位。输送通常用于自动化生产线,组成自动化生产线的各种专机按一定的工艺流程各自完成特定的工序操作,工件必须在各台专机之间顺序流动,一台专机完成工序操作后要将半成品自动传送到下一台相邻的专机进行新的工序操作。

  分隔与换向属于一种辅助操作。以自动化装配为例,通常一个工作循环只装配一套工件,而在工件各自的输送装置中工件经常是连续排列的,为了实现每次只放行一个工件到装配位置,需要将连续排列的工件进行分隔,因此经常需要分料机构,例如采用振盘自动送料的螺钉就需要这样处理。

  换向也是在某些情况下需要的辅助操作,例如:当在同一台专机上需要在工件的多个方向重复进行工序操作时,就需要每完成一处操作再通过定位夹具对工件进行一次换向。当需要在工件圆周方向进行连续工序操作时,就需要边进行工序操作边通过定位夹具对工件进行连续回转,例如回转类工件沿圆周方向的环缝焊接就需要这样处理。某些换向动作是在工序操作之前进行,某些则在工序操作之后进行,而某些情况下则与工序操作同时进行。

  当工件经过前面所述的输送、可能需要的分隔与换向、自动上料而到达工序操作位置后,在正式工序操作之前,还要考虑以下问题:

  ·如何保证每次工作循环中工件的位置始终是确定而准确的?·工件在具体的工序操作过程中能保持固定的位置不会移动吗?上述问题实际上就是在任何加工、装配等操作过程中都需要考虑的两个问题:定位与夹紧。

  为了使工件在每一次工序操作过程中都具有确定的、准确的位置,保证操作的精度,必须通过定位夹具来保证,定位夹具可以保证每次操作时工件位置的一致性,实际上通常都是将工件最后移送到定位夹具内实现对工件的定位。

  在某些工序操作过程中可能产生一定的附加力作用在工件上,这种附加力有可能改变工件的位置和状态,所以在工序操作之前必须对工件进行自动夹紧,保证工件在固定状态下进行操作。因此在很多情况下都需要在定位夹具附近设计专门的自动夹紧机构,在工序操作之前先对工件进行可靠的夹紧。

  工序操作就是完成自动化专机的核心功能,前面讲述的所有辅助环节都是为工序操作进行的准备工作,都是为具体的工序操作服务而设计的。

  工序操作的内容非常广泛,例如机械加工、装配、检测、标示、灌装等,仅装配的工艺方法就有许多,例如螺钉螺母连接、焊接、铆接、粘接、弹性连接等。这些工序操作都是采用特定的工艺方法、工具、材料,每一种类型的工艺操作也对应着一种特定的结构模块。

  完成工序操作后,必须将完成工序操作后的工件移出定位夹具,以便进行下一个工作循环。卸料的方法多种多样:

  例如在自动冲压加工操作中,依靠工件的自重使工件自动落入冲压模具下方的容器内,对于材料厚度及质量极小的冲压件,通常采用压缩空气喷嘴将其从模具中吹落。在一些小型工件的装配中,经常采用气缸将完成工序操作后的工件推入一个倾斜的滑槽,让工件在重力的作用下滑落。对于一些不允许相互碰撞的工件经常采用机械手将工件取下。

  由于自动化生产线包括各种各样的自动化专机,所以自动化生产线的设计制造过程比自动化专机更复杂。下面以典型的自动化装配检测生产线为例,说明其设计制造流程。

  设计时要考虑既要实现产品的装配工艺,满足要求的生产节拍,同时还要考虑输送系,统与各专机之间在结构与控制方面的衔接,通过工序与节拍优化,使生产线的结构最简单、效率最高,获得最佳的性价比。因此总体方案设计的质量至关重要,需要在对产品的装配工艺流程进行充分研究的基础上进行。

  对产品的结构、使用功能及性能、装配工艺要求、工件的姿态方向、工艺方法、工艺流程、要求的生产节拍、生产线布置场地要求等进行深入研究,必要时可能对产品的原工艺流程进行调整。确定各工序的先后次序、工艺方法、各专机节拍时间、各专机占用空间尺寸、输送线方式及主要尺寸、工件在输送线上的分隔与挡停、工件的换向与变位等。

  组织专家对总体方案设计进行评审,发现总体方案设计中可能的缺陷或错误,避免造成更大的损失。

  总体方案确定后就可以进行详细设计了。详细设计阶段包括机械结构设计和电气控制系统设计。

  详细设计阶段耗时最长、工作量最大的工作为机械结构设计,包括各专机结构设计和输送系统设计。设计图纸包括装配图、部件图、零件图、气动回路图、气动系统动作步骤图、标准件清单、外购件清单、机加工件清单等。

  由于目前自动机械行业产业分工高度专业化,因此在机械结构设计方面,通常并不是全部的结构都自行设计制造,例如输送线经常采用整体外包的方式,委托专门生产输送线的企业设计制造,部分特殊的专用设备也直接向专业制造商订购,然后进行系统集成,这样可以充分发挥企业的核心优势和竞争力。从这种意义上讲,自动化生产线设计实际上是一项对各种工艺技术及装备产品的系统集成工作,核心技术就是系统集成技术,可见总体方案设计在自动机械设计制造过程中的重要性。

  电气控制系统设计的主要工作为:根据机械结构的工作过程及要求,设计各种位置用于工件或机构检测的传感器分布方案、电气原理图、接线图、输入输出信号地址分配图、PLC控制程序、电气元件及材料外购清单等,控制系统设计人员必须充分理解机械结构设计人员的设计意图,并对控制对象的工作过程有详细的了解。

  详细设计完成后,必须组织专家对详细设计方案及图纸进行评审,对于发现的缺陷及错误及时进行修改完善。

  由于目前产业分工高度专业化,在自动机械行业,大量的专用设备、元器件、结构部件都已经由相关的企业专门制造生产,设计阶段完成后马上就要进行各种专用设备、元器件的订购及机加工件的加工制造,二者是同步进行的。

  由于基础部件制造商都逐步将制造厂移近市场地区,许多国外的部件制造商都先后在国内开办生产厂,因此自动机械元器件的订购周期已经逐步缩短,方便了自动机械制造企业进一步缩短制造周期。

  在完成各种专用设备、元器件的订购及机加工件的加工制造后,就可以进入设备的装配调试阶段了,一般由机械结构与电气控制两方面的设计人员及技术工人共同进行。在装配与调试过程中,既要解决各种有关机械结构装配位置方面的问题,包括各种位置调整,又要进行各种传感器的调整与控制程序的试验、修改。

  由于种种原因,通常许多问题只有通过运行才能暴露出来,因此,试运行是非常重要的环节,只有将问题暴露后才能找出方法去解决,甚至包括设计上的错误。需要在积累经验的基础上逐步提高设计水平,减少设计缺陷或错误。更好的作法是在设计阶段就利用相关的设计软件对所设计方案或程序进行模拟,及早发现问题,而不要全部依赖在设备装配调试时才发现问题,进行事后修改。

  技术资料的整理是保证设备使用方能够正确掌握机器性能并用好设备的重要条件,资料的完整性也体现了企业的素质和服务水平,一项优秀的设计与服务同时还包括了完整的技术资料。需要编写的技术资料包括设备使用说明书、图纸、培训资料等。

  有些问题可能在试运行过程中仍然难以暴露出来,因此在实际生产过程中仍然可能有问题出现,此类问题通常既可能是设备或部件的可靠性问题,也可能包括设计上的小缺陷。设备移交后还要对使用方人员进行必要的技术培训,使其不仅能够熟练地使用设备,还能够对一般的故障进行检查和排除。

  由于自动化专机的设计制造都已经包含在自动化生产线的设计制造过程中,所以自动化专机的设计制造过程较自动化生产线简单,通常按以下步骤进行:

  对产品的结构、使用功能、性能、装配工艺要求、要求的生产节拍等进行深入研究,对相关的工艺方法进行研究,最终确定一种合适的工艺操作方法。

  总体方案包括:确定工件的输送、上料、卸料方法与机构;确定工件的定位夹具及可能需要的夹紧机构;驱动元件、传动系统;节拍时间;传感器与控制方法等。

  包括机械结构设计与电气控制系统设计。机械结构设计包括总装配图、零件图、外购件清单、标准件清单、机加工件清单、气动原理图、气缸动作步骤图等。