趙健州 陳文聰 梁志攀 張紅梅

摘要：根據(jù)企業(yè)所提出的需求為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)微波感應(yīng)器上殼自動(dòng)化組裝進(jìn)行了功能需求分析和組裝工藝分析，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了工藝流程的規(guī)劃、工位布局的設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵工位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過選型手冊(cè)對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)過工藝流程和工位布局的分析，把微波感應(yīng)器上殼自動(dòng)組裝設(shè)備設(shè)計(jì)成6個(gè)工序以及與之配套的6個(gè)工位，包含上殼上料、取料、夾取和 PCB 板夾取、檢測(cè)、組裝，在設(shè)計(jì)時(shí)把6個(gè)工位又劃分為3個(gè)模塊，送料模塊、輸送模塊和組裝模塊，使設(shè)計(jì)更加清晰和簡(jiǎn)潔，最終使該自動(dòng)組裝設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)上殼組裝的全自動(dòng)化，滿足企業(yè)生產(chǎn)制造需求。該設(shè)計(jì)方案具備維護(hù)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：自動(dòng)化;功能需求分析;組裝工藝分析;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP211???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0112-06????????????????????????? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Structure Design of Front End Upper Shell Unit of Automatic Production Line forMicrowave Inductor Assembly

Zhao Jianzhou1，Chen Wencong2※，Liang Zhipan1，Zhang Hongmei3

（1. Guangdong Institute of Intelligent Robots， Dongguan， Guangdong 523808， China;

2. Dongguan Institute of Technology， Dongguan， Guangdong 523808， China;

3. Institute of Industrial Technology， Guangdong Huazhong University of Science and Technology， Dongguan， Guangdong 523808， China）

Abstract： According to the requirements put forward by the enterprise as the design goal， the functional requirements analysis and assembly process analysis of the automatic assembly of the upper shell of the microwave inductor were carried out. Based on the analysis results， the process flow planning， station layout design and key station mechanism design were carried out. The key parts were calculated and analyzed through the selection manual. Through the analysis of process flow and station layout， the automatic assembly equipment for the upper shell of microwave inductor was designed into 6 processes and 6 supporting stations， including upper shell loading， reclaiming， clamping and PCB board clamping， detection and assembly. During the design， the 6 stations were divided into 3 modules， feeding module， conveying module and assembly module， making the design more clear and concise. Finally， the automatic assembly equipment could realize the full automation of upper shell assembly and met the production and manufacturing needs of enterprises. The design scheme has the advantages of simple maintenance， strong universality and simple design.

Key words： automation; functional requirements analysis; assembly process analysis; mechanism design

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)制造行業(yè)裝配工人的缺乏，生產(chǎn)制造自動(dòng)化需求日益劇增[1]。特別是電子產(chǎn)品組裝行業(yè)，組裝工序復(fù)雜，產(chǎn)品種類繁多，要真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)組裝相當(dāng)困難。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，往往會(huì)對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行剖析，按工藝要求逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在滿足效率的同時(shí)不浪費(fèi)設(shè)備制造成本。因此，分析產(chǎn)品生產(chǎn)制造工藝流程并轉(zhuǎn)化為相關(guān)的自動(dòng)化技術(shù)是解決自動(dòng)化生產(chǎn)的首要任務(wù)。微波感應(yīng)器是一種廣泛應(yīng)用于各種智能產(chǎn)品的傳感器，例如智能空調(diào)遙控器、智能節(jié)能排插、智能感應(yīng)路燈等[2]。隨著人們對(duì)智能化的需求和節(jié)能減排的意識(shí)提高，微波感應(yīng)器的需求在不斷增加。但是市面上用于微波感應(yīng)器上殼自動(dòng)組裝的設(shè)備比較稀缺，所以目前微波感應(yīng)器的上殼組裝的自動(dòng)化程度不高，主要還是采用人工組裝的方式。

國(guó)內(nèi)對(duì)外殼體自動(dòng)化組裝做了大量研究，其中段海峰等[3]基于工業(yè)機(jī)器人的開關(guān)柔性組裝自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以 MD1位單開開關(guān)殼體中開關(guān)銅件和殼體組裝為例，研發(fā)和設(shè)計(jì)了一套開關(guān)銅件和殼體組裝工序的自動(dòng)化系統(tǒng);曹志全等[4]變速箱殼體類零部件組裝技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，以6速自動(dòng)變速箱為例，介紹了變速箱殼體類零部件組裝和控制;馬維麗等[5]聚合反應(yīng)器內(nèi)冷管組與殼體的組裝，介紹了聚合反應(yīng)器內(nèi)冷管組與殼體的組裝過程，采用滑車工裝，使內(nèi)冷管組順利穿進(jìn)殼體。上述文獻(xiàn)雖然都涉及到殼體組裝，但是沒有涉及到類似3C電子產(chǎn)品這種工藝復(fù)雜、組裝精度高的自動(dòng)化裝配技術(shù)，因而針對(duì)工藝復(fù)雜、組裝精度高的產(chǎn)品，要實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化組裝仍存在一定問題。

本文以微波感應(yīng)器自動(dòng)化組裝線中的上殼自動(dòng)化組裝為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)其自動(dòng)組裝過程中上殼供料、取料、矯正和裝上殼工序，并且完成各個(gè)工序?qū)?yīng)工位的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)器上殼自動(dòng)組裝。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配將會(huì)帶來以下好處，一是保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率;二是有效應(yīng)對(duì)我國(guó)人口紅利減少的問題，緩解企業(yè)招工難的問題，降低人工成本使得產(chǎn)品在價(jià)格上更加有競(jìng)爭(zhēng)力;三是實(shí)現(xiàn)裝配的自動(dòng)化可以避免工人由于長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)作重復(fù)引起的一些健康問題。

1 工藝流程與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

微波感應(yīng)器主要有3個(gè)部分組成。如圖1所示，分別是上殼、PCB板、下殼。該結(jié)構(gòu)是整一條生產(chǎn)線的一部分，根據(jù)企業(yè)的要求該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)備主要完成的功能是微波感應(yīng)器上殼組裝。除此之外還需實(shí)現(xiàn)上殼供料、上殼輸送、PCB板輸送、整理電阻等工序。其中將 PCB板準(zhǔn)確地放在輸送線上的指定位置和將位置不對(duì)的電阻整理好是難點(diǎn)。

1.2 組裝工藝分析

組裝工藝的好與壞將影響著微波感應(yīng)器的質(zhì)量、壽命、性能等各個(gè)方面，工藝路線設(shè)計(jì)合理能夠使組裝過程流暢有序地進(jìn)行，能夠最大限度地發(fā)揮設(shè)備的功能，為此需要對(duì)微波感應(yīng)器的上殼組裝工藝作出詳細(xì)地分析。

（1） 上殼組裝過程的定位。在組裝過程中必須建立參考平面，并且在組裝過程中應(yīng)盡量減少組裝零件的位置變化。在通常的情況下將大面積或表面光潔度高的平面作為參考表面，并設(shè)計(jì)好夾具的組裝表面和導(dǎo)向表面。在組裝過程中，組件在機(jī)械手和傳送帶的作用下自動(dòng)組裝到不同的工位[6]。組件在組裝時(shí)的每一次位置的變化都會(huì)造成定位誤差。因此，在設(shè)計(jì)流程時(shí)，應(yīng)該減少位置上的變動(dòng)，簡(jiǎn)化了組裝機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而提高了組裝精度。

（2） 上殼安裝的平穩(wěn)性。由于 PCB板上有較多的電子元件，如果將上殼直接安裝在 PCB 板上可能會(huì)導(dǎo)致 PCB板上的電子元件被壓壞并且上殼也會(huì)產(chǎn)生變形，這樣既影響產(chǎn)品的功能也影響產(chǎn)品的美觀，所以上殼安裝時(shí)需要與 PCB板形成一定的角度保證安裝的平穩(wěn)性。

（3） PCB 板的檢測(cè)。PCB 板是由5塊連在一起為一組的，所以在上料時(shí)會(huì)經(jīng)過一個(gè)分板的工序，在這個(gè)過程中由于外力的影響會(huì)導(dǎo)致 PCB板上的電子元件的位置產(chǎn)生偏移，所以在 PCB板輸送的時(shí)候需要加上一個(gè) CCD 檢測(cè)的工序，保證 PCB板上的電子元件位置的正確以便于后續(xù)的上殼安裝順利進(jìn)行。

（4） 組件的定向。在上料的時(shí)候有一個(gè)關(guān)鍵步驟就是零件的自動(dòng)定向[7]。多數(shù)形狀規(guī)則的裝配件可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給料和自動(dòng)定向，少數(shù)關(guān)鍵、復(fù)雜件由于自動(dòng)給料、定位較難，可參照以下方法：①概率法：零件自由落下呈各種姿態(tài)，將其送到分類口，分類口按零件的幾何形狀設(shè)計(jì)，凡是能通過者，其姿態(tài)為正確方位。②極化法：利用零件的質(zhì)量和形狀上的差異性，達(dá)到了定向排列的目的[8]。

（5）組件的定位。為了確保上殼和 PCB板在輸送過程中位置正確，需要在皮帶機(jī)上加裝定位用的治具，這樣可以便于上殼組裝機(jī)構(gòu)的對(duì)上殼進(jìn)行抓取，同時(shí)也能夠保證組裝過程順暢。

1.3 工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)1.2節(jié)對(duì)于上殼組裝設(shè)備需求的分析，實(shí)現(xiàn)微波感應(yīng)器的自動(dòng)化組裝需要對(duì)上殼供料、取料、輸送、夾取、CCD檢查等工序進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以，對(duì)于微波感應(yīng)器上殼組裝設(shè)備的工藝流程如圖2所示。

（1） 上殼供料工序。供料箱的上殼通過提升機(jī)構(gòu)輸送到振動(dòng)盤中，振動(dòng)盤將雜亂的上殼進(jìn)行排序輸出。

（2） 上殼取料。取料機(jī)構(gòu)將排好序的上殼通過吸盤吸取的方式輸送到皮帶機(jī)上。

（3） 上殼夾取。皮帶機(jī)將上殼輸送到指定位置，傳感器感應(yīng)到物料，上殼夾取機(jī)構(gòu)通過氣爪將上殼夾緊。

（4） PCB板夾取。機(jī)械手連接的手指氣缸將 PCB板夾取到同步帶的治具上[9]。

（5）視覺檢測(cè)。PCB在同步帶輸送的過程中經(jīng)過攝像機(jī)的檢查，對(duì)錯(cuò)位的電阻和指示燈進(jìn)行校正。

（6）組裝。PCB板輸送到一定的位置后，被傳感器檢測(cè)，上殼夾取機(jī)構(gòu)將上殼安裝到 PCB板上。

本文研究的是微波感應(yīng)器上殼的自動(dòng)化組裝，所以，重點(diǎn)研究上述工序中的上殼夾取、PCB 板夾取、 CCD檢測(cè)工序和組裝工序。

1.4 工位布局設(shè)計(jì)

在1.3節(jié)中關(guān)于微波感應(yīng)器上殼組裝的過程，一共設(shè)定了6個(gè)工序步驟，為了實(shí)現(xiàn)微波感應(yīng)器上殼組裝工序的自動(dòng)化，為此設(shè)計(jì)了6個(gè)工位。具體的工位布局如圖3所示。

各工位設(shè)計(jì)如下。

（1） 上殼供料工位。在 A 工位上利用提升機(jī)和振動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)上殼的供料[10]。

（2） 上殼取料工位。在 B 工位上設(shè)計(jì)一個(gè)取料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上殼取料的工序[11]。

（3） 上殼夾取工位。在 D 工位上利用皮帶機(jī)將上殼輸送到指定位置。

（4） PCB板夾取工位。在 E 工位上設(shè)計(jì)一個(gè)上殼夾取機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上殼夾取與安裝的工序。

（5）視覺檢測(cè)工位。在 F 工位上設(shè)計(jì)一個(gè)電阻和指示燈的整理機(jī)構(gòu)，并且機(jī)構(gòu)上附有攝像頭實(shí)現(xiàn)視覺檢測(cè)。

（6）組裝工位。在 G 工位上完成微波感應(yīng)器上殼的組裝。

1.5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過上述的工藝流程和工位布局分析，設(shè)計(jì)了六個(gè)工序以及與之配套的六個(gè)工位。為了使本課題設(shè)計(jì)的微波感應(yīng)器上殼自動(dòng)組裝設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)上殼組裝的全自動(dòng)化，因此選用模塊化設(shè)計(jì)的方法。此方法具備以下的優(yōu)點(diǎn)。

（1） 方便維護(hù)。由于采用模塊化的設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊是相對(duì)獨(dú)立的，因此在維護(hù)時(shí)方便拆卸與維修[12]。

（2） 通用性。所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)可以為日后功能的拓展提供基礎(chǔ)，或者通過替換某一模塊實(shí)現(xiàn)新的功能。

（3） 便于設(shè)計(jì)。模塊之間的相對(duì)獨(dú)立性使得設(shè)計(jì)的時(shí)候每個(gè)機(jī)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性不大，方便后期修改[13]。

本文將微波感應(yīng)上殼自動(dòng)組裝機(jī)分成了3個(gè)模塊，各個(gè)模塊的分析如下。

（1） 送料模塊。該模塊的主要工作是完成送料工

序，利用鏈輪和鏈板組成提升機(jī)完成上殼的提升，利用吸盤完成對(duì)上殼和 PCB板的夾取。

（2） 輸送模塊。該模塊的主要工作是完成上殼和 PCB 板的輸送工序，對(duì)于上殼的輸送采用皮帶機(jī)輸送，對(duì)于 PCB板的輸送采用同步帶的輸送方式并且同步帶上帶有固定 PCB板的治具。

（3） 組裝模塊。該模塊的主要工作是完成組裝工序，采用機(jī)器視覺技術(shù)完成對(duì) PCB板上錯(cuò)位電阻的整理以便于后續(xù)組裝，上殼組裝機(jī)構(gòu)裝有旋轉(zhuǎn)氣缸，在組裝時(shí)與 PCB板形成一定的角度方便安裝。

綜合上述各種分析，本文主要研究的微波感應(yīng)器上殼組裝模塊經(jīng)軟件的三維建模后的模型如圖4所示。

2 關(guān)鍵工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上殼供料工位

2.1.1 上殼提升機(jī)構(gòu)

上殼供料工位是送料模塊中不可或缺的一個(gè)部分，主要有上殼提升機(jī)和振動(dòng)盤組成。上殼提升機(jī)的三維模型如圖5所示，由于上殼是采用全自動(dòng)組裝的方式，所以提升機(jī)需要有一個(gè)儲(chǔ)存上殼的功能，故在提升機(jī)上加裝一個(gè)儲(chǔ)物箱，尺寸為600 mm×700 mm×420 mm 。由于上殼提升對(duì)傳動(dòng)的平穩(wěn)性要求不高，故對(duì)于上殼提升機(jī)的傳動(dòng)方式選用鏈傳動(dòng)的方式。鏈傳動(dòng)相比于帶傳動(dòng)有以下的優(yōu)點(diǎn)：鏈傳動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)彈性滑動(dòng)和打滑的現(xiàn)象;傳動(dòng)比穩(wěn)定;需要的張緊力不大;對(duì)于軸的壓力小可以減少軸承的磨損;對(duì)工作環(huán)境要求不高等。在鏈節(jié)上裝上鏈板以此帶動(dòng)上殼往上提升。

2.1.2 上殼出料機(jī)構(gòu)

因?yàn)樯蠚ぬ嵘龣C(jī)不具備對(duì)物料排序的功能故需要在上殼提升后安排一個(gè)排序的工步。排序不外乎兩種方式，一是人工排序，二是機(jī)器排序，由于微波感應(yīng)上殼的組裝是采用全自動(dòng)的方式，故對(duì)于上殼的排序采用機(jī)器排序的方式。目前的自動(dòng)化生產(chǎn)線一般都是采用振動(dòng)盤上料。采用振動(dòng)盤有以下的優(yōu)點(diǎn)：物料自動(dòng)排序、減少操作失誤、加快生產(chǎn)速度等。由于有專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)振動(dòng)盤的企業(yè)，故可以直接購(gòu)買振動(dòng)盤。

2.2 上殼取料工位

上殼經(jīng)過振動(dòng)盤排序后需要放到皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)缴蠚そM裝工位上，因此需要一個(gè)機(jī)構(gòu)將排序好的上殼夾取到皮帶輸送機(jī)上。所以設(shè)計(jì)了上殼取料機(jī)構(gòu)完成這一個(gè)工序，如圖6所示。底板、導(dǎo)軌臺(tái)和支撐架是整個(gè)機(jī)構(gòu)的框架，為了方便直線導(dǎo)軌的定位安裝，直線導(dǎo)軌上預(yù)留有用于安裝定位的凸臺(tái)。該機(jī)構(gòu)需要完成 X 軸和 Z 軸上的動(dòng)作，在 X 軸方向的采用的是伺服電機(jī)、滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌的組合來實(shí)現(xiàn) X 軸方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直線導(dǎo)軌上的滑塊和滾珠絲桿的滑塊通過氣缸安裝板連接在一起，以滾珠絲桿滑塊的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)直線導(dǎo)軌的滑塊的運(yùn)動(dòng)[14]。在 Z 軸方向的運(yùn)動(dòng)則是采用氣缸來實(shí)現(xiàn)，為了避免上殼在 X 軸方向上運(yùn)動(dòng)是發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，故所用的氣缸為雙桿氣缸。而上殼取料的動(dòng)作則是通過吸盤來完成，由于上殼重量不大，故只需要一個(gè)吸盤即可。

2.3 上殼組裝工位

當(dāng)上殼經(jīng)過皮帶輸送機(jī)輸送到上殼組裝工位時(shí)需要將上殼夾取至 PCB板的上方進(jìn)行安裝，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)上殼組裝機(jī)構(gòu)來完成這一工序，如圖7所示。機(jī)構(gòu)主要由直線模組、氣缸和一些鈑金支架組成。此機(jī)構(gòu)需要完成在 X 軸和 Z 軸的移動(dòng)和 XZ 平面的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于直線模組具有單體運(yùn)動(dòng)速度快、重復(fù)定位精度高、本體質(zhì)量輕、占設(shè)備空間小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，所以在 X 軸和 Z 軸方向上的移動(dòng)均采用直線模組來實(shí)現(xiàn)[15]。而對(duì)于XZ 平面的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)2.2節(jié)的組裝工藝分析，微波感應(yīng)器上殼組裝時(shí)應(yīng)該與 PCB板形成一定的夾角以此來避免因?yàn)樯蠚さ闹苯影惭b而可能造成的 PCB板上電子元件的損壞以及上殼的變形。為此該機(jī)構(gòu)選擇安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸來解決這一個(gè)問題。在上殼移動(dòng)到 PCB板上方的過程中，旋轉(zhuǎn)氣缸會(huì)將上殼旋轉(zhuǎn)到與 PCB板形成指定的夾角從而進(jìn)行安裝。而對(duì)上殼的夾取則采取的是平行開閉型的氣爪。

2.4 PCB板檢測(cè)工位

根據(jù)1.2節(jié)的組裝工藝分析可知，PCB板是由5塊連在一起為一組的，所以在上料時(shí)會(huì)經(jīng)過一個(gè)分板的工序，在這個(gè)過程中由于外力的影響會(huì)導(dǎo)致 PCB板上的電子元件的位置產(chǎn)生偏移，圖8所示為正常的 PCB 板， PCB板上的電子元件會(huì)出現(xiàn)偏移。所以在 PCB板輸送的時(shí)候需要有一個(gè)可以對(duì) PCB板進(jìn)行檢測(cè)并矯正電子元件的機(jī)構(gòu)。

為此設(shè)計(jì)了 PCB板整理機(jī)構(gòu)來完成這一工序，如圖9所示。該機(jī)構(gòu)主要由直線模組、攝像頭和一些鈑金件組成。由圖可以看出來 PCB板整理機(jī)構(gòu)主要是通過一些鈑金件連接而成的，選用了3個(gè)直線模組來實(shí)現(xiàn) X 軸、Y 軸和 Z 軸方向上的移動(dòng)。在 Z 軸方向上的直線模組附帶了一個(gè)用于視覺檢測(cè)的攝像頭和用于校正電子元件的氣爪，PCB板在輸送的過程中會(huì)經(jīng)過這個(gè)攝像頭，當(dāng)視覺系統(tǒng)檢測(cè)到電子元件錯(cuò)位的 PCB板時(shí)，直線模組就會(huì)開始工作，調(diào)整好氣爪的位置進(jìn)行 PCB板的校正。

2.5 PCB板輸送線

PCB板輸送線的主要功能就是將經(jīng)過分板的 PCB板輸送到組裝的位置，如圖10所示。PCB板輸送線采用的是同步帶輸送的方式，主要由同步帶1、同步輪5、電機(jī)3、和軸承座6等零件組成。根據(jù)2.2節(jié)的組裝工藝分析，PCB板在輸送的過程中需要定位，故需要在同步帶上加裝用于 PCB板定位的治具。該治具的定位原理：由于 PCB板底下有突出的引腳，所以可以設(shè)計(jì)出形狀與下殼一致但尺寸比下殼尺寸略小的治具，利用這些引腳進(jìn)行定位。當(dāng) PCB板輸送到指定位置后紅外傳感器就會(huì)檢測(cè)輸送線就會(huì)停下進(jìn)行上殼的組裝。

由上殼供料工位、取料工位、組裝工位、檢測(cè)工位和輸送工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得知，微波感應(yīng)器上殼自動(dòng)組裝機(jī)主要采用了電機(jī)、氣缸、絲桿等元器件作為整臺(tái)設(shè)備的動(dòng)力源，而對(duì)這些元件的選型將會(huì)影響著設(shè)備的使用壽命、生產(chǎn)效率、日常維護(hù)等各個(gè)方面。故第3章節(jié)將對(duì)這些元件進(jìn)行選型計(jì)算。

3 關(guān)鍵部位的選型計(jì)算

3.1 滾珠絲桿

在上殼取料機(jī)構(gòu)的三維模型中由 SolidWorks中的質(zhì)量屬性測(cè)得該機(jī)構(gòu)絲桿的執(zhí)行部分質(zhì)量為2.46 kg ，要求絲桿在 Y軸方向上的移動(dòng)距離為200 mm 。電機(jī)采用的是三菱的 HF-KN23J-S100系列伺服電機(jī)，電機(jī)最大的轉(zhuǎn)速為4500 r/min ，與絲桿直連，故傳動(dòng)比為1，在 Y軸方向上最大的移動(dòng)速度為100 mm/s ，即6000 mm/min 。由上述數(shù)據(jù)得出滾珠絲桿的導(dǎo)程為：

根據(jù)實(shí)際要求取 Ph=10 mm即可滿足要求。

根據(jù)產(chǎn)品的選型手冊(cè)可知，一般而言線性導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)約為0.004，結(jié)合各種因素考慮取導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為0.008，則導(dǎo)軌的靜摩擦力為：

式中：M 為絲桿執(zhí)行部分的總質(zhì)量2.46 kg;F 為導(dǎo)軌滑塊的密封阻力，有4個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊的密封阻力為10 N。

由于上殼取料機(jī)構(gòu)運(yùn)行的阻力主要是來自于導(dǎo)軌和滑塊的摩擦力，所以將該機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度看作接近勻速，則有：

nmax ≈nmin =60 v/Ph =600 r/min

Fmax ≈Fmin ≈F0=40.02 N

滾珠絲杠的當(dāng)量載荷：

Fm = ≈F0=40.02 N

滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速：

n = nmax + nmin =600 r/min

按照預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算額定動(dòng)載荷：

Cam =3 ? =264.28 N

式中：nm 為當(dāng)量轉(zhuǎn)速，nm=300 r/min;Lh 為預(yù)期的工作時(shí)間，取8000 h;fa 、fc、fw 分別為精度系數(shù)、精度系數(shù)、可靠性系數(shù)，查產(chǎn)品手冊(cè)分別取fa=1、fc=1、fw=1[16]。

按照預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算額定動(dòng)載荷：

式中：Ls 為預(yù)期運(yùn)行距離。

按照預(yù)加最大軸向負(fù)載計(jì)算額定動(dòng)載荷： Cam =fe Fmax =268.134 N

式中：fe 為預(yù)加負(fù)荷系數(shù)，輕載時(shí)，選擇fe=6.7。

在 Y軸方向上的重復(fù)定位精度要求0.01 mm ，則最大允許軸向變形量δm：

δm ≤1/4×0.01 mm =0.0025 mm

該機(jī)構(gòu)在 Y軸上的運(yùn)行距離為200 mm ，由此可以計(jì)算出兩個(gè)固定支座的最大距離：

L ≈（1.1～1.2）?l +（10～14）?Ph =380 mm

絲桿的安裝方式為兩端軸向固定，計(jì)算絲桿螺紋底X：

d2m ≥0.0391 0δ（L）m =3.04 mm

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果選擇怡合達(dá)官網(wǎng)上的 LCH02-12-10-L330滾珠絲桿，導(dǎo)程10 mm，軸徑12 mm，精度等級(jí)7級(jí)。

3.2 伺服電機(jī)

在 SolidWorks中測(cè)得上殼取料機(jī)構(gòu)負(fù)載的總質(zhì)量M=2.46 kg ，由計(jì)算結(jié)果選出的滾珠絲桿可知導(dǎo)程 Ph=10 mm，質(zhì)量 m=0.44 kg ，取摩擦因數(shù)μ=0.2，機(jī)械效率η=0.9。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度為6 m/min ，加減速時(shí)間 t1=t3=0.2 s，禁止時(shí)間 t4=0.3 s。

重物折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

Jw =M ?（Ph /2π）2=0.0614 kg ? cm2

螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

JB = m ?d2/8=0.0792 kg ? cm2

總負(fù)載慣量：

JL = JW + JB =0.1406 kg ? cm2

電機(jī)所需轉(zhuǎn)速：

n =v/Ph =600 r/min

克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩：

Tf =M ? g ?μ? Ph /2π/η=0.087 N ? m

重物加速時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩：

TA1=M ? a ? Ph /2π/η=0.0021 N ? m

螺桿加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：

TA2= JB α/η=0.0027 N ? m

加速所需總轉(zhuǎn)矩：

TA = TA1+ TA2=0.0891 N ? m

伺服電機(jī)額定扭矩 T>Tf且 T >Trms ，伺服電機(jī)最大扭矩 Tmax>Tf +TA[17]

最后選擇三菱的HF-KN23J-S100系列電機(jī)。額定輸出功率200 W ，額定轉(zhuǎn)矩0.64 N ·m ，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，最大轉(zhuǎn)速4500 r/min。

3.3 聯(lián)軸器

電機(jī)與滾珠絲桿的連接需要用到聯(lián)軸器，而目前的聯(lián)軸器多為標(biāo)準(zhǔn)件，故下面將進(jìn)行聯(lián)軸器的選型計(jì)算。3.3.1? 選擇聯(lián)軸器類型

電機(jī)與滾珠絲桿之間的聯(lián)軸器選用膜片式聯(lián)軸器，膜片式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單和緊湊，不需要潤(rùn)滑，能夠彌補(bǔ)電機(jī)與滾珠絲桿之間由于制造誤差、安裝誤差、承載變形以及溫升變化等影響所引起的軸向、徑向和角度的偏移，維護(hù)也比較方便[18]。

3.3.2 載荷計(jì)算公稱轉(zhuǎn)矩：

T =9.55×106 =424.4 N ? m

計(jì)算轉(zhuǎn)矩：

Tca =KA ? T =636.6 N ? m

3.3.3 選擇聯(lián)軸器

根據(jù)上述計(jì)算得出的轉(zhuǎn)矩選擇米思米公司的 MC? SSC32-8-14。容許扭矩5 N ·m ，靜態(tài)扭矩剛度1400 N · m/rad ，最高轉(zhuǎn)速4000 r/min ，質(zhì)量53 g。

4 結(jié)束語

本課題的目的是完成微波感應(yīng)器自動(dòng)化產(chǎn)線中上殼自動(dòng)組裝設(shè)備的設(shè)計(jì)，為此開展了以下的設(shè)計(jì)工作。

（1） 以企業(yè)提出的微波感應(yīng)器上殼自動(dòng)組裝為設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合微波感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和自己對(duì)設(shè)備的理解，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了功能需求分析、組裝工藝分析、工藝流程的設(shè)計(jì)以及工位布局的設(shè)計(jì)。

（2） 根據(jù)功能需求分析和組裝工藝分析進(jìn)行對(duì)設(shè)備中各個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為了滿足設(shè)備的功能需求設(shè)計(jì)了上殼取料機(jī)構(gòu)、上殼安裝機(jī)構(gòu)、PCB板檢測(cè)機(jī)構(gòu)、PCB輸送線。

（3） 對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中所用到的伺服電機(jī)、滾珠絲桿和聯(lián)軸器等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型計(jì)算，選出合乎標(biāo)準(zhǔn)的型號(hào)。

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第一作者簡(jiǎn)介：趙健州（1985-），男，廣東肇慶人，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用及其產(chǎn)業(yè)化推廣。

※通訊作者簡(jiǎn)介：陳文聰（1999-），男，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

（編輯：刁少華）