間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機節(jié)拍分析與設(shè)計

1、職業(yè)教育機電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫企業(yè)解決方案名 稱：間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機節(jié)拍分析與設(shè)計編 制 人：丁加軍郵 箱：dingjj電 話制時間：2014.5編制單位：南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機節(jié)拍分析與設(shè)計除直線運動機構(gòu)組成的自動化專機外，另一類非常典型的自動化專機是間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機，它的核心部件就是驅(qū)動轉(zhuǎn)盤作間歇回轉(zhuǎn)運動的凸輪分度器。這種自動化專機將一般在直線型生產(chǎn)線上完成的多個工序的工藝操作集成在一個尺寸較小的轉(zhuǎn)盤上完成，將多個工作站集成在一起，因此是結(jié)構(gòu)最緊湊、占用空間最小、效率最高的自動化專機形式之一。既可以用作自動化裝配專機，也可以用

2、作自動化機械加工專機。它廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片、電子、電器、開關(guān)、繼電器、儀表、五金、輕工、食品、飲料、機械加工等各種行業(yè)。一、 間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機的節(jié)拍時間與生產(chǎn)效率凸輪分度器是最典型的間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機，由于此類機器的轉(zhuǎn)盤與凸輪分度器的輸出軸是連接在一起的，因此轉(zhuǎn)盤的運動情況與凸輪分度器輸出軸是完全一樣的。1間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機的結(jié)構(gòu)原理間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機在機械結(jié)構(gòu)上主要由以下三大部分組成·圓形轉(zhuǎn)盤及安裝在轉(zhuǎn)盤上的定位夾具·安裝在轉(zhuǎn)盤上方或側(cè)面的各種裝配、加工或檢測執(zhí)行機構(gòu)·驅(qū)動轉(zhuǎn)盤間歇回轉(zhuǎn)的凸輪分度器圖1為典型的間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化裝配專

3、機實例。這種專機通常由高精度的間歇分度裝置凸輪分度器來驅(qū)動轉(zhuǎn)盤間歇回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤上設(shè)計有與凸輪分度器回轉(zhuǎn)一周相同的工位數(shù)并設(shè)計有定位夾具。根據(jù)各種工序的具體內(nèi)容，各工位的裝配執(zhí)行機構(gòu)一般設(shè)計在轉(zhuǎn)盤上各定位夾具的上方，因為大多數(shù)的裝配都是從上而下進行的，少數(shù)情況下也可以將執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計在定位夾具的徑向外側(cè)。轉(zhuǎn)盤停頓的間歇內(nèi)各工位同時進行各自的工藝操作，如各種產(chǎn)品的鉚接、焊接、螺釘螺母裝配、檢測等，當然偶爾也有個別工位沒有執(zhí)行機構(gòu)的情況。轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動一個工位，轉(zhuǎn)盤上的工件隨轉(zhuǎn)盤一起依次交換一個位置，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)一周的過程中每個產(chǎn)品也就經(jīng)過了全部工位并在每個工位上進行了相應(yīng)的加工或裝配操作，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)一周則完成了

4、全部的加工或裝配作業(yè)使產(chǎn)品成為半成品或成品。轉(zhuǎn)盤上除各種裝配工位外，還有兩個工位，分別為上料工位、卸料工位，供初始零件的上料和成品(或半成品)的卸料。在各工位的加工或裝配過程中，由于經(jīng)常需要裝配新的零件，所以還有相應(yīng)的自動上料裝置，如料倉送料裝置、振盤等，尤其大量采用振盤。這種類型的自動化專機既可以應(yīng)用于各種自動化裝配、檢測，也可以應(yīng)用于自動化機械加工(如銑削、鉆孔及其他類似需要旋轉(zhuǎn)刀具加工的工藝)。圖1為這種自動化專機的結(jié)構(gòu)原理示意圖。 圖1 典型的間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化裝配專機實例雖然這種類型的自動化設(shè)備一般都作為自動化專機使用，但只要認真體會就會發(fā)現(xiàn)實際上它們的工作過程與自動化生產(chǎn)線是非常

5、相似的，只不過將自動化生產(chǎn)線上通常在直線方向排列的各工作站排列在圓形的轉(zhuǎn)盤上，其工位數(shù)量可以少到幾個工位、多達幾十個工位。更重要的是，這種類型的自動化專機結(jié)構(gòu)非常緊湊，制造成本相對較低，所占用的空間也最少。2間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機的節(jié)拍原理圖2 間歇回轉(zhuǎn)式自動化裝配專機這種專機各工位上需要完成的工作既可以是單道工序，也可以是兩道或多道簡單工序，各工位的加工或裝配時間因為工序的內(nèi)容不同而不同，有的工位需要時間短，有的工位需要時間長。但在轉(zhuǎn)盤一次停頓的時間內(nèi)，各工位都要完成各自的加工或裝配工作，或者說各工位中需要時間最長的工位其全部工藝操作時間不得超過轉(zhuǎn)盤一次停頓的時間。反過來，在設(shè)計這種自動化

6、專機時，只要轉(zhuǎn)盤的停頓時間不低于各工位中的最長全部工藝操作時間就可以了。為了提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，轉(zhuǎn)盤的停頓時間在大于各工位中的最長工藝操作時間的前提下還應(yīng)盡可能短。由于凸輪分度器的轉(zhuǎn)位時間、停頓時間受內(nèi)部凸輪機構(gòu)的限制，停頓時間調(diào)整的范圍是有限制的，所以一般情況下凸輪分度器的停頓時間都比各工位中的最長工藝操作時間稍長。這就是這類自動化專機節(jié)拍時間設(shè)計的原則和方法。3節(jié)拍時間的確定方法根據(jù)上述工作原理可知，上述回轉(zhuǎn)分度式自動化專機的節(jié)拍時間實際上就是設(shè)備完成一個轉(zhuǎn)位動作、一個停頓時間的總周期時間： 其中,節(jié)拍時間，s件； 一轉(zhuǎn)位時間，s； 停頓時間，s。 其中，各工位的全部工藝操作時間，s/件，

7、il，2， n一專機的工位數(shù)。公式表示轉(zhuǎn)盤每次的停頓時間必須大于工藝操作時間最長的工位的全部工藝操作時間。通過后面的分析將會發(fā)現(xiàn)，上述計算的節(jié)拍時間只是通常期望的理論節(jié)拍時間，實際的節(jié)拍時間還需要根據(jù)凸輪分度器的輸入轉(zhuǎn)速稍作調(diào)整。4節(jié)拍時間的實現(xiàn)根據(jù)前面的分析，節(jié)拍時間是轉(zhuǎn)盤一個轉(zhuǎn)位、停頓循環(huán)周期的總時間。根據(jù)凸輪分度器的工作原理，輸入軸轉(zhuǎn)動一周，輸出軸完成個轉(zhuǎn)位、停頓的循環(huán)周期，輸入軸、輸出軸的運動同步而且周期是相同的，所以節(jié)拍時間也等于輸入軸轉(zhuǎn)動一周的時間，或者說節(jié)拍時間是由輸入軸的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的： 其中，n一凸輪分度器輸入軸的轉(zhuǎn)速，rmin。當根據(jù)裝配工藝的需要確定節(jié)拍時間Tc后，還要再設(shè)計

8、合適的電機驅(qū)動系統(tǒng)，使凸輪分度器輸入軸的轉(zhuǎn)速剛好等于以下值即可實現(xiàn)所要求的節(jié)拍時間： 分析：上面計算的轉(zhuǎn)速實際上是與期望的理論節(jié)拍時間所對應(yīng)的輸入軸理論轉(zhuǎn)速，而凸輪分度器輸入軸的轉(zhuǎn)速是通過傳動系統(tǒng)獲得的，電機的標準輸出轉(zhuǎn)速首先經(jīng)過減速器再傳遞到凸輪分度器輸入軸。有些情況下經(jīng)過減速器后再通過皮帶傳動系統(tǒng)，最后將扭矩傳遞到凸輪分度器輸入軸。由此可見，凸輪分度器輸入軸最后獲得的轉(zhuǎn)速受到一定的限制(如減速器的傳動比、皮帶傳動傳動比，所以其調(diào)整的范圍是有限的，不一定剛好等于所期望的輸入軸理論轉(zhuǎn)速，所以實際的節(jié)拍時間也就不一定剛好等于期望的理論節(jié)拍時間。實際的節(jié)拍時間是根據(jù)實際的輸入軸轉(zhuǎn)速最終決定的，可能

9、與期望的理論節(jié)拍時間稍有差異。通過下面的實例計算可以更好地認識這種設(shè)計過程。二、凸輪分度器的選擇假設(shè)某小型電器部件產(chǎn)品的裝配共有6道工序，需要的裝配時間分別為1、12、15、1.1、1.4、1.8s，上述裝配工序計劃用一臺由凸輪分度器驅(qū)動的間歇回轉(zhuǎn)分度類自動化專機來完成，試確定配套凸輪分度器的工位數(shù)、分度角以及節(jié)拍時間。(1)由于共有6道工序，確定在每個工位上安排一道工序，考慮上料、下料各需要占用一個工位，所以選擇標準工位數(shù)為8的凸輪分度器。(2)由于產(chǎn)品為小型電器部件，零件質(zhì)量較小，所以轉(zhuǎn)盤的直徑和質(zhì)量都可以設(shè)計得較小，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動慣量也較小，因而可以選擇較小的分度角，以提高轉(zhuǎn)位速度。最后選擇

10、的標準分度角。(3)凸輪分度器的分度角為，即表明停止角為360º-120 º=240º。在一個節(jié)拍循環(huán)中，轉(zhuǎn)位時間與停頓時間的比例為120：2401：2。最長的工序工藝操作時間為1.8s。根據(jù)節(jié)拍設(shè)計的原則，凸輪分度器的停頓時間應(yīng)不小于耗時最長工位的工藝操作時間，所以凸輪分度器的停頓時間應(yīng)1.8s。取凸輪分度器的停頓時間為2s，則轉(zhuǎn)位時間為1s(與此類似，若停頓時間為2.5s，則轉(zhuǎn)位時間為1.25s)，總節(jié)拍時間為3s件?？偣?jié)拍時間為3s件的意義為：凸輪分度器的輸入軸在3s內(nèi)旋轉(zhuǎn)1周()，凸輪分度器的輸出軸(連同機器轉(zhuǎn)盤)在1s內(nèi)實現(xiàn)變位 (8)，然后再停頓2s，

11、完成一個循環(huán)，如此往復(fù)循環(huán)。三、間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機的生產(chǎn)效率根據(jù)生產(chǎn)效率的定義，可知這種自動化專機的生產(chǎn)效率為 其中，平均生產(chǎn)效率，件min； 節(jié)拍時間，s件。分析(1)公式中沒有包含轉(zhuǎn)盤工位數(shù)量，因此間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機的節(jié)拍時間或生產(chǎn)效率與轉(zhuǎn)盤工位數(shù)量、轉(zhuǎn)盤直徑無直接關(guān)系，只與根據(jù)工藝操作需要確定的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位時間、停頓時間有關(guān)。(2)與前面介紹的由單個裝配工作站組成的自動化專機類似，當這種專機用于自動化裝配專機時，同樣會存在因為零件質(zhì)量造成送料堵塞、停機的情況，因此上述關(guān)于節(jié)拍時間及生產(chǎn)效率的分析都是基于最理想的情況，實際的節(jié)拍時間及生產(chǎn)效率需要按同樣方法進行處理。當這種專機為自動

12、化機械加工專機時，通常不會出現(xiàn)這種情況。(3)間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機由于集成了多個工作站系統(tǒng)，因此它同時包含了自動化專機及自動化生產(chǎn)線的工作原理，只不過它采用的是同步的輸送系統(tǒng)。四、采用步進電機或伺服電機直接驅(qū)動的間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機采用凸輪分度器來設(shè)計間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機是工程上的傳統(tǒng)方法。雖然凸輪分度器具有高精度、高負載能力、高可靠性、長壽命、免維護等優(yōu)點，但由于使用凸輪分度器相對成本較高，因此目前工程上還有另外一種相對廉價的方法。這種更廉價的方法就是采用步進電機或伺服電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，如圖11所示。由于這類專機的負載扭矩較大，尤其是轉(zhuǎn)盤、工件及定位夾具的轉(zhuǎn)動慣量較大，啟動時會產(chǎn)

13、生較大的慣性扭矩，因此，一般都采用帶減速器的步進電機或伺服電機，提高扭矩輸出能力。采用步進電機或伺服電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤分別具有以下優(yōu)缺點。圖11 步進驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺示意圖優(yōu)點： ·成本低廉，步進電機或伺服電機較凸輪分度器能夠大幅降低機器的制造成本；·控制更方便，因為其節(jié)拍完全靠控制電機的啟動與停止來實現(xiàn)，控制非常靈活，能夠極方便地調(diào)整機器的節(jié)拍時間及其構(gòu)成，這是采用凸輪分度器所無法相比的；·結(jié)構(gòu)簡單，占有空間更小。缺點：·負載能力無法與凸輪分度器相比，因此在小負載情況下比較合適，不適合用于大型轉(zhuǎn)盤的情況，尤其是采用步進電機時負載能力更低。·可靠性

14、低于凸輪分度器。由于凸輪分度器完全采用剛性的凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)其轉(zhuǎn)位、停頓動作，這是采用步進電機或伺服電機驅(qū)動直接靠控制電機的啟動與停止來實現(xiàn)節(jié)拍的方法所無法相比的。五、提高間歇回轉(zhuǎn)分度式自動化專機生產(chǎn)效率的途徑通常都希望節(jié)拍時間越短越好，因為節(jié)拍時間越短，生產(chǎn)效率越高，單位時間內(nèi)設(shè)備所完成的產(chǎn)品數(shù)量就越多。既然節(jié)拍時間由凸輪分度器的轉(zhuǎn)位時間與停頓時間組成，所以要縮短節(jié)拍時間也只能從上述兩部分時間方面去努力。1.盡可能縮短轉(zhuǎn)位時間轉(zhuǎn)位時間屬于輔助作業(yè)時間，不直接用于裝配作業(yè)，輔助作業(yè)時間越短，設(shè)備的生產(chǎn)效率就越高，所以首先應(yīng)盡可能縮短轉(zhuǎn)位時間。根據(jù)前面的介紹，轉(zhuǎn)位時間實際上是由凸輪分度器的分度角決定的，分度角決定了轉(zhuǎn)位時間占總節(jié)拍的比例。分度角越小，轉(zhuǎn)位時間占總節(jié)拍時間的比例也越小，即轉(zhuǎn)位越快，因此在負載不大的情況下應(yīng)盡可能選擇較小的凸輪分度器分度角。2.設(shè)計時注意工序的平衡轉(zhuǎn)盤停頓時間用于各工位的工藝操作，該時間受各工