毕业设计机油冷却器自动装配线传送装置设计综述Word文档格式.docx
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关键词:
机油冷却器,自动化装配线,传送装置
录
第一章绪论
引言
随着我国现代化进程的加快,汽车工业的迅猛发展,对圆盘式机油冷却器的市场需求越来越大。
可是长期以来,其装配过程一直靠手工操作,效率低,劳动强度大。
为改变圆盘式机油冷却器手工装配的现状,提高装配质量与效率,扬州通洋机油冷却器厂委托我们为其设计圆盘式机油冷却器自动装配线。
通过对该装配线的设计,将促进机油冷却器制造企业的技术进步,降低产品的制造成本,保证产品的装配质量,提高产品的装配工作效率从而提高产品的质量和生产率,以适应企业扩大生产规模,及时应对国内外客户的订货需求。
因此本课题的实施对企业的发展、技术进步及创造良好的经济效益与社会效益都具有十分重要的意义。
1.1圆盘式机油冷却器装配技术的现状及趋势
1.1.1圆盘式机油冷却器简介
扬州通洋机油冷却器厂给出的圆盘式机油冷却器如图1-1所示。
图1-1机油冷却器
在高速情况下,机油温度升高,机油高温下油气产生的压力也高,从而影响到机油的物理稳定性,造成润滑不良,增加机车内部零件的磨损,所以需要在机车上加上机油冷却器对机油进行有效的降温冷却。
圆盘式机油冷却器带有独立水套,结构紧凑,传热系数高,安装使用极为方便。
冷却器中有一个芯子集成,它由多层空心圆盘状散热片组成,各层之间有一层水隔板,他们交替堆叠起来并通过铜片焊接在一起。
芯子总成与冷却器下壳之间也是以铜片实现连接于密封的。
各层散热片的空心部分由两根上下串通的孔道相连,一个圆孔,一个方孔,分别作为进、出油孔,机油通过这两根管道在薪资内部流动而水在芯子与冷却器外壳之间的空腹循环。
二者是完全隔开的,这样就实现了机油和水的热交换。
1.1.2机油冷却器装配技术的现状及趋势
圆盘式机油冷却器的装配工艺过程是其制造过程中非常重要的环节,装配质量的好坏直接影响机油冷却器的密封性能。
长期以来,这一工艺过程一直靠人手工操作,效率较低,工人的劳动强度大,且装配质量过多地受到人为因素的影响,致使机油冷却器质量的稳定性和可靠性不高。
随着企业用户需求量的不断增加,装配工艺过程必须实现自动化,这样才能提高生产率,降低生产成本,保证产品质量,在不久的将来,自动化装配将逐渐替代手工装配。
1.2课题的来源、意义及主要内容
1.2.1课题的来源
本课题是扬州通洋机油冷却器厂的委托项目。
该厂现有采用的是人工装配。
在芯子总成装配中,工人仅用一面一孔定位(套筒固定散热片中心孔),周向定位完全是靠人工调整,最后用带有长销的托盘,利用散热片的圆孔矫正定位。
然后再由另外一名工人拿到压力机上,加压块和螺母(长销的另一端加工有螺纹,垫入一块压块后,旋入螺母),按动气动按钮对机油冷却器进行压紧,手工旋紧螺母,最后通过按钮松开冷却器。
可以看出整个装配过程显得很复杂,而且对人的基本技能要求较高,存在很大的不确定性,容易对生产效率产生影响。
基于市场的需求,必定要扩大生产规模,因此扬州通洋机油冷却器厂要制造一套自动装配线,来提高生产率,降低生产成本,保证产品质量,减轻工人的劳动强度。
1.2.2课题的意义
该课题的创新之处在于采用自动化技术来解决制约机油冷却器产品质量和产量提高的瓶颈——装配工艺,实现由人工装配向自动化装配的转变。
随着我国现代化进程的加快,汽车工业得到了迅猛的发展,圆盘式机油冷却器在汽车市场中的需求将越来越大,该课题正好应对了市场的需求。
通过本课题的研制开发,将促进圆盘式机油冷却器产品制造企业的制造装备的技术进步,降低产品的制造成本,保证产品的装配质量,提高产品的装配工作效率从而提高产品的质量和生产率,以适应企业扩大生产规模,及时应对国内外客户的订货需求。
因此本项目的实施对企业的发展。
技术进步及创造良好的经济效益和社会效益具有十分重要的意义。
1.2.3课题的内容
本课题的内容为机油冷却器装配自动化。
机油冷却器包括水隔板、散热片、焊料铜片、上下盖、上下盒等零件的装配,装配后机油冷却器的压紧等。
我在本次毕业设计中的主要内容为机油冷却器的传送装置设计,其他的包括上料装置与装配机械手和整体方案及压力机的设计由几个同学共同完成。
1.3装配自动化简介
1.3.1装配自动化的应用与现状
19世纪机械制造业中零部件的标准化和互换性开始用于小型武器和钟表的生产,随后又应用于汽车工业。
20世纪初,美国福特汽车公司首先建立了采用运输带的移动式汽车装配线,将工序分细,在各工序上实行专业化装配操作,使装配周期缩短了约90%,降低了生产成本。
互换性生产和移动式装配线的出现和发展,为大批量生产中采用自动化装配开辟了道路。
于是,陆续出现了料斗式自动给料器和螺钉、螺母自动拧紧机等简单的自动化装置。
大批量生产的轴承、离合器和中小型电机等零件少、装配工艺简单的机电产品,以及汽车、农业机械、仪器仪表等产品中的部分简单部件,有的也采用了自动或半自动装配机(线)。
但由于对适合自动化装配的产品结构有很大限制,自动化装配机投资多而对产品改型的适应性小,机械制造中的装配自动化仅用于大批量生产。
60年代,随着数字控制技术的迅速发展,出现了自动化程度较高而又有较大适应性的数字控制装配机,从而有可能在多品种中批量生产中采用自动化装配。
1982年,日本的个别工厂中已采用数字控制工业机器人来自动装配多种规格的直流伺服电机。
工业发达国家早在20世纪就广泛实现了制造自动化,发达国家普遍实现制造自动化的原因并非单纯的是人工成本高,更深层的意义是制造自动化对于提高产品质量、降低成本、提高企业核心技术竞争力起到了极其重要的作用。
目前,世界上工业发达国家的机械制造自动化过程中,已将一些产品、部件的装配过程逐渐摆脱了人工操作,并及早地将注意力转向装配自动化系统研究,并取得了卓越的成果,已出现了柔性装配系统。
我国目前虽是制造业大国,但由于制造自动化水平低,国内生产的产品大多数为附加值较低的中低档产品,目前的发展主要是以资源及劳动力为代价,不仅严重制约了国内产品在国际高技术产品市场的竞争力,同时也导致资源的综合利用率低。
我国对装配自动化技术的研究起步较晚,近年来有一定的进展,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。
但国内设计的半自动和自动装配线的自动化程度不高、装配速度和生产效率较低,所以装配自动化技术在我国具有很大的开发和应用潜力。
1.3.2装配自动化的目的与条件
装配自动化的目的主要在于:
保证产品质量及其稳定性、提高劳动生产率、降低生产成本、力求避免装配过程中受到人为因素的影响而造成质量缺陷、降低劳动强度、改善劳动条件、保证操作安全。
装配自动线一般由4个部分组成:
(1)零部件运输装置:
它可以是输送带,也可以是有轨或无轨传输小车。
(2)装配机械手或装配机器人。
(3)检验装置:
用以检验已装配好的部件或整机的质量。
(4)控制系统:
用以控制整条装配自动线,使其协调工作。
要实现装配自动化,必须具备一定的前提条件,主要有如下几方面:
1.生产纲领稳定,且年产量大、批量大,零部件的标准化、通用化程度较高。
2.产品具有较好的自动装配工艺性。
3.实现装配自动化以后,经济上合理、生产成本降低。
1.3.3装配自动化的发展趋势及途径
今后一段时间内,装配自动化技术将主要向以下两方面发展:
1.与近代技术技术互相结合、渗透,提高自动装配装置的性能近代基础技术,特别是控制技术和网络通信技术的迅速发展,为提高自动装配装置的性能打下了良好的基础。
装配装置可以引入新型、模块化、标准化的控制软件,发展新型软件开发工具;
应用新的设计方法,提高控制单元的性能;
应用人工智能技术,发展、研制具有各种不同结构能力和智能的装配机器人,并采用网络通信技术将机器人与自动加工设备相连以得到最高生产率。
2.进一步提高装配的柔性,大力发展柔性装配系统FAS在机械制造业中,CNC、FMC、FMS的出现逐步取代了传统的制造设备,大大提高了加工的柔性。
新型的生产哲理CIMS使制造过程必须成为是用计算机和信息技术把经营决策、设计、制造、检测、装配以及售后服务等综合协调为一体的闭环系统。
但如果只有加工技术的自动化,没有装配技术的自动化,FMS、CIMS就不能充分发挥作用。
装配机器人的研制成功、FMS的应用以及CIMS的实施,为自动装配技术的开发创造了条件;
产品更新周期的缩短,要求自动装配系统具有柔性响应,需要柔性装配系统来使装配过程通过自动监控、传感技术与装配机器人结合,实现无人操作。
1.3.4装配自动化的意义
现代制造技术的不断发展,为社会生产力带来了巨大飞跃。
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,装配工艺已经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。
由于装配大多是人工操作的劳动密集型过程,生产率在很大程度上取决于装配过程对人的依赖性,随着先进制造技术的应用,制造零件劳动量的下降速度比装配劳动量下降速度快得多,如果没有新的举措,该比值还会提高。
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到40%左右,而随着装配自动化水平的提高,生产率可上升到85%~97%。
但目前产品装配的平均自动化水平仅占10%~15%,因而装配对产品的原始成本影响重大,已成为昂贵的生产过程。
装配自动化在于提高生产效率、降低成本、保证产品质量,特别是减轻或取代特殊条件下的人工装配劳动(如处于电子工业、宇航工业、化学工业、兵器工业、核工业、海洋开发等行业环境中的装配作业)。
1.4装配线传送装置的概述
在自动装配中,不同的装配操作一般是在独立的工位中进行。
对于这种装配方法,每个机器需要把半成品组件从一个工位传送到另一个工位,这操作正在执行时,必须有方法能保证组件和工作头或者机器人之间没有相对运动存在。
当组件在工位间穿过时,必须使组件保持要求的姿态。
为达到这个要求,装配通常是在基座或工件托盘上进行,机器设计成在工位间传送工件托盘。
装配机通常按传送工件托盘采用的系统来分类。
因而,直线式装配机中的工件托盘是沿直滑道直线传送;
回转式装配机中,工件托盘在一个圆周轨迹上运动。
所有类型的机器中,工件托盘的传送可以是连续的或者是间歇的。
1.4.1连续式传送
对于连续式传送,工件托盘一直以恒定的速度移动,同时工作头保持同步。
当操作完成后,工作头回到初始位置,接着,再一次与工件托盘保持同步;
或者,工作头在工件托盘运动圆周轨迹的切线上移动。
无论哪一种情况,都是在工作头与工件托盘保持同步的这段时间内完成装配操作。
连续传送系统在自动装配中的应用有限,这是因为工作头和其相关联的设备通常体积巨大,因而必须保持固定。
同时,在操作循环过程中,因为工作头和工件托盘都是移动的,在它们之间保持足够的对准精度也是很困难的。
连续传送机在诸如食品加工和化妆品等行业上应用最广泛。
1.4.2间歇式传送
间歇式传送是更为常用的适于自动装配的传送系统。
工件托盘是间歇性传送,工作头保持固定。
通常,所有工件托盘的传送是同时进行的,然后托盘保持固定一定时间以保证完成装配操作。
这些机器可以称为分度机,典型分度机的类型是回转式和直线式。
对于回转式分度机,分度工作台依次把工件托盘停在不同的工作头下面,在工作头旋转一圈的过程中完成产品的装配。
因而,在适当的工位上,成品在每个分度转位后可以从机器上移送拿走。
直线型机器以相似的工作原理,但的,在这种情况下,成品是在每个分度转位后从传送线末端移送拿走。
对于直线式机器,必须能保证空的工件托盘能返回到传送线的起始处。
关于直线式装配机的传送机构一般是这两种类型中的一个:
换向工件托盘或带式驱动工件托盘。
换向工件传送系统内,工件托盘的长度等于一个分度转位过程中移动的距离。
在装配线的始端和末端适于工件托盘定位,在这些位置上没有进行装配。
在操作循环开始的时候,在装配线末端的工件支座托盘是空的,一个机构推动工件托盘到达在装配末端的一个制动器,这个制动器转位工件托盘的位置,然后活塞退回,同时移送走在输送线末端的成品组件,通过回送传送机输送的来自上一次循环的空工件托盘被升起到装配线开始端的位置上。
尽管这里描述的系统在垂直面内运转,工件托盘的回送可以在水平面内完成。
这样的话,从装配线到回程输送机的传送机是较为简单的,但是需要占用更多的地面面积。
实际上,当在水平面上运行时,更通常使用快速回送传送机进行分配和满足更多装配头和在其位置上相关联的传送设备。
然而,这种系统有一个缺点,就是评估不同的工作头可能是困难的。
使用换向工件托盘系统的一个更为不利的缺点是,工件托盘自身必须要制造精确。
例如在一个20工位机器上,如果每个工件托盘的长度有0.025mm的误差,那么在最后一个工位上,在直线上的误差将可能达到0.50mm。
在工作头的运转中,这个误差可能会引起严重的困难。
然而,在直线式传送机中,在装配操作开始前,在传送中通常通过一个定位销最终定位和锁定。
带式驱动工件托盘传送系统使用一个分度转位机构,这个机构用来驱动一个固定工件托盘的皮带或柔性钢带,工件托盘间距与工作头之间的距离相等。
不是刚性地把工件托盘固定到带子,可能会使用一个固定推动工件托盘沿着导板前进的链条。
这样的话,只要工件托盘不在最终位置上,链条分度转位就可以使工件托盘离开,从而使定位销保证托盘与工作头保持一致。
第二章装配线总体方案设计
2.1圆盘式机油冷却器自动装配线的设计要求
通过对圆盘式机油冷却器生产装配过程的分析,以及企业的实际状况和需求,圆盘式机油冷却器自动装配线的设计有如下具体要求:
1)装配线要完成每日生产圆盘式机油冷却器1200件以上(每工作日以8h计);
2)装配线的占地面积尽量小,尽量节省制造成本;
3)保证圆盘式机油冷却器的装配精度,提高装配品质;
4)减轻工人的劳动强度。
根据以上要求,要完成单件产品的装配需耗时:
T≤8*60*60/1200=24s
可知装配线的任何工位耗时都不得超过24秒,这就要求设计有紧凑的结构和较高的装配效率,同时尽量减少人为因素对产品装配的影响,以达到较高的装配品质和效率。
2.2装配工艺的分析与确定
圆盘式机油冷却器是由9片散热片、10片水隔板、20片焊料铜片、下盖下盒以及上盖上盒组成。
考虑到上下盖、上下盒自动化装配技术比较难实现,故拟采用手工装配。
另外在散热片和水隔板交替装配过程中,焊料铜片较薄不易自动化装配,所以先由手工将其和水隔板作为一体。
而对于散热片、水隔板、以及铜片由于数量比较多(分别为9,10和20片),每层装配都要保证位置精确,不能装错数量和顺序,并且这是多次的重复劳动,耗时很大,因此该工位可以通过机械手交替装配实现自动化。
为此,设计一条半自动化的装配线比较适合目前的生产水平,该装配线将包括机械手工位,人工工位,压紧工位。
2.2.1机械手工位工艺分析与确定
水隔板焊片(铜片)、水隔板、散热片的交替装配,在实现自动化装配的时候要考虑到如何更好的实现机械手的抓取。
因为铜片面积小,中间多孔,无法用真空吸盘抓取;
同时铜片很薄,质量轻,不易于磁吸盘分料抓取。
所以对水隔板结构进行适应性改造,取消了水隔板与散热片之间的20层铜片钎料,采用复合材料(水隔板两面镀铜),或用事先由另外一个工序将水隔板和两面铜片焊合的水隔片做成整体取而代之,这样就可实现对水隔片总成和散热片的机械手自动装配。
水隔片总成和散热片都为薄片形状零件,其自动装配通过机械手动作实现。
由于水隔片总成零件表面积不大,故采用磁盘式机械手装配;
而对于散热片零件,其表面积较大,采用吸盘式机械手装配。
这两个零件的装配顺序通过可编程控制器来控制。
由于机械手的动作是程序化的,为了减少装配时间、提高装配精度,设计的机械手臂动作应尽量简单,用时尽量少。
因此,在机械手工位的上料装置上设计了举升机构,将零件放到托盘上,利用举升机构将托盘举升到机械手能抓到零件的位置,从而使机械手每次只需下降到固定的高度就可以抓到工件。
此外,考虑到每个工位不得超过24s,而装配零件数量又很多,拟采用两个机械手工步的机械装配工位,以达到减少工时的目的。
2.2.2手工工位工艺分析与确定
圆盘式机油冷却器包含有上下盖和上下外壳,其装配量各为1片,且结构不利于机械手的抓取,因此采用人工装配。
在装配之初,先由工人将下盖、铜焊片、下外壳依次放到工作台上,当芯子在机械手工位装配完成之后,再由另一位工人加上上盖、铜焊片、上外壳。
同时,因为圆盘式机油冷却器在下一工位需要实现自动夹紧,所以还要加上一个压块。
2.2.3压紧工位工艺分析与确定
在圆盘式机油冷却器装配完成所有零件的装配后,需要对圆盘式机油冷却器进行压紧,完成零件的最后装配。
为了有利于实现装配自动化,节约装配时间,以及保证装配的可靠性和稳定性,通过在装配线中接入压力机来实现圆盘式机油冷却器的自动加压夹紧。
2.3装配线传送方案比较与确定
按照自动装配的要求,装配线的结构可设计为圆盘回转式、直进式和矩形环转式。
圆盘回转式装配线,结构较简单,定位精度易于保证,装配工位少,适用于装配零件数量少的中小型部件和产品,基础件可连续传送或间歇传送。
但考虑到在本装配线中,有两个手工工位,它不宜与手动装配一起组合装配;
且回转式占地面积较大,也不可驻料工作,工时较长,可行性差。
直进式装配线,直进式包括非同步直进式和同步直进式。
非同步直进式装配工位数不受限制,调整较灵活,基础件间歇传送。
适用于自由节拍、装配工序复杂、手工装配与自动装配相组合的装配线上;
而同步直进式的每个工位的生产节拍是同步的,相对自由性较小。
本装配线上要用随行夹具定位,并且还要解决随行夹具的返回装置,可行性好。
矩形环转式装配线,拥有直进式的优点,占地面积大,可以两组装配线同时工作,节省工时。
并且无需设计随行夹具的返回装置,只要一个换向装置。
通过分析比较,结合企业实际,考虑到直进式传送占地面积小,造价低且能很好的满足生产要求,因此装配线拟采用步伐式直进装配线,用推杆推动夹具和工件步伐式间隙传送,其中要解决的难题是圆盘式机油冷却器的定位。
2.4机油冷却器定位方案的分析与确定
图2-1散热片
通过对圆盘式圆盘式机油冷却器的结构分析,对其进行自动装配定位有以下两种定位方案:
1)根据圆盘式机油冷却器各层散热片的空心部分由两根上下串通的孔道相连,一个圆孔,一个方孔,如图1所示,因此可以在夹具体上设置一个圆形销或方形销,用中心孔和销来实现精确定位,但是由于这两个孔分别作为进、出油用,机油通过这两根管道在芯子内部流动,而在圆盘式机油冷却器的下盖上则没有圆孔,在上盖上的方孔又比散热片上的要小,故两者难以适合用来定位。
2)考虑利用圆盘式机油冷却器中心孔附近有两个3mm的小孔,且上下不通,该小孔是在散热片加工过程中产生的,将其做成上下贯通的通孔,不影响产品的任何性能,可行性强。
通过上述分析,具体的定位方案确定为:
将两个小孔做成上下贯通的通孔,在夹具体上设置两个长销,这样就实现了装配线的自动定位。
但是由于定位销过于细长,装配中这定位销的导向部分会太细,刚度和强度会较弱。
鉴于两小孔在冷却器的工作中不起任何作用,可对其结构适当修改加粗,即将小孔直径由原来的3mm扩大到5mm,这样改进后用其定位的可行性大大提高。
2.5总体方案的设计
根据分析,我们规划设计圆盘式机油冷却器自动装配线的方案。
第一工位:
是在随行夹具到位后人工放上底座、托盘、下盖、下盒以及铜焊丝。
第二工位:
使用两个机械手装配散热片和水隔片。
其中散热片用吸盘式,水隔板用电磁式机械手,二者交替动作,进行芯子总成的装配。
为提高效率,本工位采用两个同样的机械手工步,第一工步装配5片散热片和5片水隔板,剩余的由第二工步完成。
第三工位:
手工装配上壳、上盖以及焊片和压块。
第四工位:
压力机自动压紧装配好的工件,并夹紧。
最后压头复位,工件由工人取下。
随行夹具也由一个气缸抽走,等待回送到装配线起点,以再次利用。
图2-2机油冷却器自动装配线的方案
第三章自动装配线传送装置设计
3.1气缸的设计与选用
气缸是气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。
气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类。
做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。
1.单作用气缸:
仅一端有活塞杆,从活塞一侧供气聚能产生气压,气压推动活塞产生推力伸出,靠弹簧或自重返回。
2.双作用气缸:
从活塞两侧交替供气,在一个或两个方向输出力。
3.膜片式气缸:
用膜片代替活塞,只在一个方向输出力,用弹簧复位。
它的密封性能好,但行程短。
4.冲击气缸:
这是一种新型元件。
它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(10~20米/秒)运动的动能,借以做功。
冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。
中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。
它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。
做往复摆动的气缸称摆动气缸,由叶片将内腔分隔为二,向两腔交替供气,输出轴做摆动运动,摆动角小于280°
。
此外,还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。
3.1.1气缸的组成
气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成。
1)缸筒缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。
活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动,缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8um。
对钢管缸筒,内表面还应镀硬铬,以减小摩擦阻力和磨损,并能防止锈蚀。
缸筒材质除使用高碳钢管外,还是用高强度铝合金和黄铜。
小型气缸有使用不锈钢管的。
带磁性开关的气缸或在耐腐蚀环境中使用的气缸,缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。
2)端盖端盖上设有进排气通口,有的还在端盖内设有缓冲机构。
杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈,以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。
杆侧端盖上设有导向套,以提高气缸的导向精度,承受活塞杆上少量的横向负载,减小活塞杆伸出时的下弯量,延长气缸使用寿命。
导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。
端盖过去常用可锻铸铁,现在为减轻重量并防锈,常使用铝合金压铸,微型缸有使用黄铜材料的。
3)活塞活塞是气缸中的受压力零件。
为防止活塞左右两腔相互窜气,设有活塞密封圈。
活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性,减少活塞密封圈的磨耗,减少摩擦阻力。
耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。
活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。
滑
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