2.2　自动装配机械的结构

（1）自动装配机械的结构特征

①结构模块化　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、电动机与传动部件、各种执行机构等。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，而且能降低设备的制造成本。

②部件专业化、标准化　许多制造商长期从事专业研究与生产制造上述各种结构，例如气动元件、电动机、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，而且实现快速供货，缩短制造周期，达到了相当高的质量水平。

（2）自动化装配机械的机构组成

①工件的输送及自动上下料系统　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，用来替代人工装配场合的搬运及人工上下料动作。其中自动输送通常应用在生产线上，用于实现各专机之间物料的自动传送。

a.输送系统。在自动化装配系统中，通常需要通过传送设备在装配工位之间、装配工位与料仓和中转站之间传送工件托盘、基础件和其他零件，再在装配工位上，将各种装配件装配到装配基础件上，完成一个部件或一台产品的装配。

装配基础件在工位间的传送方式有连续传送和间歇传送两类。图2-2所示为带往复式装配工作头的连续传送方式。装配基础件连续传送，工位上的装配工作头也随之同步移动。对直进型传送装置，工作头须作往复移动；对回转式传送装置，工作头须作往复回转。装配过程中，工件连续恒速传送，装配作业与传送过程重合，故生产速度高、节奏性强。但由于装配时工作头和工件之间的相对定位有一定困难，因此不便于采用固定式装配机械。目前，除小型简单工件的装配中可能采用连续传送方式外，一般都使用间歇传送方式。

间歇传送中，装配基础件由传送装置按节拍时间进行传送，装配对象停在工位上进行装配，作业一完成即传送至下一工位。避免了装配作业受传送平稳性的影响，便于采用固定式装配机械。按节拍时间特征，间歇传送又可分为同步传送和非同步传送两种。间歇传送大多数是同步传送，即各工位上的装配件每隔一定节拍时间都同时向下一工位移动。对小型工件来说，由于装配夹具比较轻小，传送时间可以取得很短，因此在实际运用中对小型工件和节拍小于十几秒的大部分制品的装配，可采取这种固定节拍的同步传送方式。但这种方式的工作节拍是最长的工序时间与工位间传送时间之和，在工序时间较短的其他工位上存在一定的等工浪费，并且当一个工位发生故障时，全线都会受到停机影响。为此，可采用非同步传送方式。图2-3所示为非同步传送装置。非同步传送方式不但允许各工位的速度有所波动，而且可以把不同节拍的工序组织在一个装配线中，使平均装配速度提高。另外，个别工位在出现短时间可以修复的故障时不会影响全线工作，设备利用率也得以提高，适用于操作比较复杂且包括手工工位的装配线。在实际使用的装配线中，各工位完全自动化常常是没有必要的。因为技术上和经济上的原因，多数以采用一些手工工位较为合理，所以非同步传送方式就采用得越来越多。

传送装置的结构形式主要有水平型和垂直型两类。采用的形式主要取决于生产纲领、装配基础件和产品（或部件）的尺寸及重量、装配精度和定位精度、装配工作头对装配对象的工作方向、操作作用力和驱动要求等，有时也取决于工艺布置。

水平型传送装置有回转式（包括转台式、中央立柱式、立轴式）、直进式和环行式三种布置方式。其中环行式是装配对象沿水平环形排列，没有大量空夹具返回，近似于回转式；如环形轨道的一边布置工位，另一边作为空夹具返回，则成为直进式。水平型传送装置适用于装配起点和终点相互靠近以及宽而不长的车间。当产品装配后还需进行试验、喷漆、烘干等其他生产过程时，采用这种布置也比较方便，但其占地面积大，易影响车间其他的物料搬运。垂直型传送装置有回转式和直进式两种布置方式。垂直型常用于直线配置的装配线，装配对象沿直线轨道移动，各工位沿直线排列。

自动化装配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。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。结构形式一经确定，传送运动的方式也就基本确定了。常用传送设备（机构）的结构形式及特点见表2-1。

b.自动上下料系统。它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。自动机械中最典型的上料机构主要有：机械手、利用工件自重的上料装置（如料仓送料装置、料斗式送料装置）、振盘、步进送料装置、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：机械手、气动推料机构、压缩空气喷嘴。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固定夹具，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筐内。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筐内。

②辅助机构　完成工件的定位、夹紧、换向、分料等辅助操作的机构一般不属于自动机械的核心机构，通常将其统称为辅助机构。

a.定位机构。基础件、配合件和连接件等必须停止在精确的位置才能顺利地完成装配工作，这就需要通过定位机构来保证准确定位。对定位机构的要求非常高，它要能够承受很大的力量和精确地工作。生产中常用楔形销、楔形滑块、杠杆等作为定位元件，如图2-4所示。弹簧和定位销的组合也是常用的定位方法，如图2-5所示。首先，圆柱销由弹簧推动向上运动并进一步插入定位套，该过程取决于弹簧力、工作台角速度和倒角大小；由于工作台的运动惯性，圆柱销和定位套只在一个侧面接触；此时，锥销也插入定位套，迫使工作台反转一个小角度，由此实现工作台的准确定位。

b.夹紧机构。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。

c.换向机构。由于工件的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。

d.分料机构。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。

③执行机构　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。例如螺钉自动装配设备中的气动螺丝刀、自动机床上的刀具、自动焊接设备上的焊枪、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。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。这需要设计人员既要熟悉各种自动机构，还要具有丰富的制造工艺方面的经验。例如装入和螺纹连接自动化的主要内容包括：

a.装入自动化。装入自动化要求装入工件经定向和传送到达装入工位后，通过装入机构在装配基础件上对准、装入。常用的装入方式有重力装入、机械推入和机动夹入三种。重力装入一般不需要控制装入位置的机构，不需外加动力，常用机械挡块、定位杆调节支架等进行定位，适用于钢球、套圈、弹簧等的装入。机械推入用曲柄连杆、凸轮和气缸、液压缸直接连接的往复运动机构等控制装入位置，需外加动力装入，适用于小型电动机装配线上的端盖、轴承以及套件、垫圈、柱销等的装入。机动夹入用机械式、真空式、电磁式等夹持机构的机械手将零件装入，装入动作宜保持直线运动，适用于手表齿轮、盘状零件、轴类零件、轻型零件、薄壁零件等。压配件装入时，一般应设置导向套，并缓慢进给。当装配线的节拍时间很短时，压配件装入可分配在几个装配工位上进行，并注意采用间歇式传送，选用的压入动力要便于准确控制装入行程。

b.螺纹连接自动化。螺纹连接自动化包括螺母、螺钉等的自动传送、对准、拧入和拧紧。此外，根据工艺需要拧松、拧出已经连接的螺纹连接件也属于这一范围，但拧松时无须进行螺纹连接件的传送、对准，拧出时可快速操作，不过需考虑取下和排出问题。螺纹连接中劳动强度较大的是拧紧工作，也是实现自动化首先要考虑的问题。自动对准和拧入的难度较大，确定螺纹连接自动化程度时，应注意技术上先进与经济上合理，在某些场合，用手工操作往往在经济上是合理的。另外，在自动化设计时以少用螺纹连接为宜。

④驱动及传动部件

a.驱动部件。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。常用的驱动部件为：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、各种执行电动机（普通感应电动机、步进电动机、变频电动机、伺服电动机、直线电动机等）。其中，气动执行元件是最简单的驱动方式，它具有成本低廉、使用维护简单等特点。在电子制造、轻工、食品、医药、电器、仪表、五金等行业中，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，电动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。

b.传动部件。气缸、液压缸可以直接驱动负载进行直线运动或摆动，但在电动机驱动的场合一般都需要相应的传动系统来实现电动机转矩的传递。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，因为同步带传动与链传动具有价格低廉、采购方便、装配调整方便、互换性强等优势，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。

⑤装配中的自动检测与控制

a.自动检测。为使装配工作正常进行并保证装配质量，在大部分装配工位后一般均设置自动检测工位，将检测结果转换为信号输出，经放大或直接驱动控制装置，使必要的装配动作实现联锁保护，以保证装配过程安全可靠。自动检测项目与所装配的产品或部件的结构和主要技术要求有关，一般自动检测项目可分为10类：装配过程的缺件、装入零件的方向、装入零件的位置、装配过程的夹持误差、零件的分选质量、装配过程的异物混入、装配后密封件的误差、螺纹连接件的装配质量、装配零件间的配合间隙、装配后运动部件的灵活性和其他性能。

装配过程中检测自动化的内容繁多，须注意自动检测机构不宜过分复杂，所以在某些情况下，采用手工检测往往在经济上和技术上都是合理的。装配过程中的自动检测，按作用分为主动检测和被动检测两类。主动检测是参与装配过程、影响装配质量和效率的自动检测，能预防产生废品；被动检测则是仅供判断和确定装配质量的自动检测。主动检测通常用于成批生产，特别是多应用在装配生产线上，且往往在线上占据一个或几个工位，布置工作头，通过测量信号的反馈能力实现控制，这是在线检测；如用自动分选机，则多半为不设在生产线上的离线检测。

b.自动控制。自动装配控制系统的基本设计要求如下：控制装配基础件的传送和准确定位；控制完成包括装配件的给料装置、上料过程的全部工作循环在内的装配作业过程；控制关键性的装配工序和自动装配装置的安全保护、联锁和报警；控制经自动检测后发出的各种信号及其相应的安全保护、联锁和报警；应能实现自动、半自动和人工调整三种状态的控制；要求控制系统所选用的控制器元件惯性小、灵敏度高；控制系统应保证自动装配系统的给料、传送装配作业相互协调、同步和联锁。

控制系统的选择受多种因素影响，其中主要有工艺设计、自动化程度和管理方式，具体可概括为以下几项主要因素：装配节拍和装配工作循环时间的分配；装配基础件的传送方式（间歇传送、连续传送、同步传送、非同步传送），装配基础件在各个工位上的定位精度要求；装配件的给料自动化程度及主要装配件的装配精度要求；装配线上的检测工位数，特别是自动检测后对不合格件采用的处理方式（是紧急停止，还是将不合格件排出；是重复动作，还是修正动作等）；易出故障的装配工位上的故障频率及处理方式；自动装配线与车间内前后生产工序的联系，如储存方式、生产管理方式等。考虑上述各项主要因素后，目前主要采用顺序控制系统，在自动检测中有少部分采用线性反馈控制系统中的定值调节控制方式。

根据设备的控制原理，目前自动机械的控制系统主要有以下类型：

• 纯机械式控制系统。在大量采用气动元件的自动机械中，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，这些则属于纯机械式控制系统。

• 电气控制系统。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，目前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有：气缸活塞位置的确认、工件暂存位置确认是否存在工件、机械手抓取机构上工件的确认、装配位置定位夹具内工件的确认。

（3）装配连接方法

设计人员设计产品时就确定了连接方式。由于可以采用的连接结构很多，所以连接方式也是多样的。对于那些结构复杂的产品，越来越多的连接方法被采用。各种不同的连接方法还可以结合使用，例如：点焊+粘接、贯穿+粘接。贯穿又包括各种不同的方法变种，如贯穿连接、扭接等，适用于那些容易变形的连接材料以及覆盖板料等，当然板料的厚度必须限定在一定的范围。

各种连接方法的使用因行业而异。机械制造和车辆制造行业比精密仪表行业更多地使用螺纹连接，螺纹连接是一种通过压紧实现的连接，因为被连接件是通过螺钉紧紧地压在一起的［图2-6（a）］，由此产生一对摩擦副。为了能够从数量上精确地控制连接力，必须对有关的因素加以控制。螺纹连接也存在各种不同的形式，按螺钉头部形状的不同可以分为4种：

①螺钉拧入被连接件，靠螺钉头部压紧。

②螺钉一端栽入被连接件。

③螺钉插入被连接件，螺母在另一端拧紧。

④螺母连接。

紧固力矩必须控制在一个严格的公差范围

M_v=M_vnenn±T_v

其下限由必需的预紧力确定

M_vmin=f（F_v）

其上限受螺钉材料的强度限制

M_vmax=f（σ_b）

式中　F_v——必需的预紧力，N；

M_vnenn——名义紧固力矩，N·cm；

M_vmin——最小紧固力矩，N·cm；

M_vmax——最大紧固力矩，N·cm；

T_v——紧固力矩的公差，N·cm；

σ_b——螺钉材料的抗拉强度，N/cm²。

除螺钉连接以外，最常用的当数并接（套装、插入、推入和挂接）。所要求的连接动作取决于两个被连接件的偶合面的形状和位置。对于这种连接方式，被连接件之间的接触力起着重要的作用，因为它们在连接的瞬间形成一定的力矩（图2-7）。

因为两个被连接件的中心和轴角完全对准是不可能的，必须事先考虑到一定的补偿环节。连接过程所需施加外力F_F的大小由接触部分的摩擦因数来确定。各种连接方式的粗略统计见表2-2（涂黑部分面积大小代表使用的频率）。

对装配过程进行研究发现，下列的连接副是经常遇到的：连接副之间有0.02～0.2mm的小间隙；连接副之间有小过盈，装配压力最大到7kN；连接副之间有小间隙或小过盈，需要旋入，但旋转角较小（<45°），在旋入的同时还要施加一定的压力，最大7kN。对配合件施加一定压力，经常是轴向压力。70%的压入装配需要压力不超过5kN。其余的装配方法，如槽连接、通过涂敷密封材料和粘接材料连接、弹簧卡圈的涨入、齿轮副的装配、楔连接、压缩连接以及旋入等，只占很小的比例。表2-3中举出了几种连接方法并对它们的原理作了解释。

除了传统的连接方法以外，新型的工艺不断出现。有一种Clipp-off方法，其连接副就是通过真空吸到一起的，完成连接动作以后真空解除。使用这种方法，大量的紧固件、连接件和垫片都可以快速地连接。可以采用超声波把螺钉埋入塑料件。用新型的粘接剂可以获得超乎寻常的粘接力。自钻螺钉和自攻螺栓更简化了装配的准备工作。每一种连接方法都显示出它们独有的特点，如表2-4（涂黑部分面积的大小表示该连接方法相应技术经济特性中的合适程度）所示，人们可以据此选择适当的方法。区别它们的标志是：连接的作用（刚性的-可动的，可拆卸的-不可拆卸的）；连接结构（对接、搭接、并接、角接）；连接位置的剖面形状（板件-实心件、板件-板件等）；结合的种类（力结合、形状结合、材料结合）；制造和连接公差；可连接性（材料结合）；连接的要求（负荷）及实现的程度；连接方向与受力方向；实现自动化的可能性；可检验性及质量参数的保证率。各种连接方法按照容易实现自动化程度由高至低排列，依次为压接、翻边、搭接、收缩、焊接、铆接、螺纹连接、对茬接、挂接、咬边、钎焊、粘接。

装配过程中的装配动作以及连接力和传输力的分布是开发装配机械和装配单元非常重要的依据，因为装配动作过程决定了装配机械的运动模式。几种最典型的动作要求见表2-5。

（4）装配任务分析

①分析目的　对每个装配任务必须进行仔细全面的分析，以便明确实际需要的装配动作。对装配过程、组件、被装配产品的结构以及装配副的公差都要认真研究。如果有一个组件不合格，可能会影响整个装配过程。修改一个组件也可能引起装配关系的改变。以下几点应该充分注意：连接方法、传输过程、检验和控制过程、组件的准备。当然必不可少的是对可能性和风险的评价。尤其是对一种新的方案必须作风险估计。对每一个配合件都要从传输和连接的角度对于自动化的风险性A进行评分（1～10）。风险值R可以由下式表示：

R=AI

式中　I——投资费用（同样分为10个等级）。

②自动化程度　在计划阶段就需要尽早地确定装配自动化的程度。自动化的实现可以分为以下几步：a.从零件开始的自动化装配；b.逐步扩展的自动化装配；c.全自动装配；d.速度可调的全自动装配；e.变种柔性自动化装配。实现自动化所需要的投资随自动化功能的增加呈指数上升。装配自动化程度用自动化装配除以自动化装配加上人工装配的总和表示。确定自动化装配的主要标准是每年应该完成的装配单元的数量和产品的装配过程所需要的时间。一定的装配方式适合一定的产量，这样才是经济的。各种自动化装配设备适用的范围见图2-8。自动化的程度还要根据产品的复杂性和体积大小来确定。

自动化方案的确定除考虑上述因素外，更详细的评价还要考虑以下因素：产品变种的数量；当产品和工艺过程改变时的潜力；缓冲储仓的大小；可通过性（可维修性）和占地面积；可改装性和改装所需时间；装配组件的可输送性；整个系统内部的联系与链接；控制与检验方法。

正确地确定自动化的程度不是件容易的事，对于所选的解决方案可以按下列几条来验证：技术功能的实现；安全要求的实现（人、环境和机械的安全）；经济目的的实现。对中大型零件的传输和装配还必须考虑操作力的问题，特别是当节拍时间小于6s时，由于惯性的影响，这些中大型零件有可能不能与传送链同步。

③公差分析　零件的精度要求决定了制造与装配的经济性。装配中存在的所有的联系都可以用尺寸链来表示。每个零件都有各自的尺寸和公差，可供在制定自动化的计划时分析。公差分析就是从数量上掌握公差链的极端情况。也可以通过实验来确定装配公差。

第一定律：一个公差链的总公差等于各个环节公差的总和，即各环节公差的绝对值相加。其相互关系见图2-9。

第二定律：封闭环的上偏差等于所有增环的上偏差之和减去所有减环的下偏差之和；封闭环的下偏差等于所有增环的下偏差之和减去所有减环的上偏差之和。

按图2-10给出的例子，得出最大尺寸是140.3mm，最小尺寸为139.5mm。

任何形状和位置公差超过了界限的配合件都不能用来进行自动化装配。如果出现这种情况，就必须在制造过程中予以改正。质量控制标准中对于公差的分布形式有具体规定。最常见的分布形式有：正态分布、Simson分布、均匀分布、均匀增长分布和复合分布。

图2-11中表示了两种可能的公差分布方式。方式1公差分布比较宽，成本低，但不适合自动化装配。方式2公差分布比较严格，适合自动化装配，但生产成本高。

必须区别两种不同种类的公差。

功能公差：能够装配到一起并且实现规定的功能所允许的偏差。零件的技术要求须按照装配条件以及在运转状态所应起的作用来确定。

自动化装配过程公差：这是与操作过程相关的由装配机械造成的位置和方向误差。

零件的技术要求与装配条件是相互作用相互影响的，所有单个零件的尺寸公差和位置公差T_i加在一起构成总公差T_s，如果要使整个连接过程无干扰地进行，T_s不允许超过封闭公差T₀。

如果要求相互连接的零件共同发挥一种功能，而各个零件本身又不被过分严格地要求，可以采用绝对互换法以外的几种方法，对零件的公差界限可以略有放松。有下列几种配合方法。

a.完全互换法：可以从备件中任取一件装配。在任何一种情况下都可以达到要求的使用功能。这种方法首先用于公差链短、成批大量生产的情况。

b.成组互换法：备件按公差范围分组。尽管要求的配合公差很小，但工件的制造公差却可以大一些。只有属于同一组的零件才可以配合。

c.均衡补偿法：最终公差的精度通过一个补偿环节得到，或者通过尺寸改变，或者加入一个补偿件，如一个按尺寸分段的垫片。这种方法要求一个附加的测量设备以确定应有的补偿值。这种方法的应用实例见图2-12。精确地测量轴承间隙，然后从事先准备好的料仓中按尺寸分段取出一个垫片并自动装入。

d.概率法：有一定概率的零件的公差超过了事先规定的最终公差而不能完全互换。这部分所占的比率称超差率。这种方法适用于最终公差要求较严的多环节公差链。

两个被连接的零件之间的配合关系有4种典型的情况（图2-13）。概率P₁（x）和P₂（x）完全重合［图2-13（a）］或至少在许多点上交叉，这种情况是理想的，因为在装配中所有的零件都是可用的。与此不同，在图2-13（b）中两个零件显示了不同的尺寸分布概率，分布曲线的峰值位置是重合的，但有Q₁、Q₂和Q₃三部分零件找不到合适的配对。这部分零件需要再补充加工，否则就不能使用。还有一种情况是分布规律虽然相同，但峰值位置发生偏移［图2-13（c）］。最普通的情况是分布曲线的形状、峰值的位置与高低都不相同［图2-13（d）］，A种零件的Q₂部分在以P₂（x）为概率分布的B种零件中找不到合适的配对。

④产品的装配工艺性　适合装配的零件形状对于经济的装配自动化是一个基本的前提。如果在产品设计时不考虑这一点，就会造成自动化装配的成本增加或完全不能实现。产品的结构、数量和可操作性决定了装配过程、传输方式和装配方法。机械制造的一个明确的原则就是“部件和产品应该能够以最低的成本进行装配”。首先应该区别以下几个不同的概念：a.适合自动化装配的零件形状；b.适合机器人装配的零件形状；c.适合传输的零件形状。

对于适合自动化装配的形状，就单个零件、部件和产品来说，层叠式和鸟巢式的结构（图2-14）是有利的。结构方面还可分为分立式与集成式。集成式可以实现元件最少，维修也方便（见图2-15）。具体要求如下：a.装配点的数量应该少；b.连接过程中不应该再有附加的连接件；c.零件从料仓里被抓取出来时的抓取部位应与连接时的抓取部位一致；d.尽可能做到预装配单元是稳定的、可检验的，这样就给最终装配时的定位带来方便；e.避免形状不稳定的结构元件，如叉、塑料垫、管形零件和薄膜；f.配合件应该适合装配；g.产品变种应尽可能多地使用相同的零件，以便变种产品也能实现自动化装配；h.配合组应该是易于传送的，具有一定的平面、回转面和抓取表面以及足够大的自由空间，以便抓钳和装配工具能够无阻挡地通过。

表2-6中列举了一些实际的例子。除此以外，还要满足以下几项要求：配置路径要短；抓取部位与配合部位要有一定的距离；所有零件都要避免尖锐的棱角；配合部件与参考点之间的距离要保证一定的公差。

一个产品的装配工艺性如何，可以通过各种不同的方法来评价。装配工艺性对于各种产品变种来说尤其重要。无论是Assemblability-Evaluation（装配性评价）方法还是Boothroyd-Dewburst方法都以降低装配成本为根本原则。使用Boothroyd-Dewhurst方法可以借助计算机进行评价，只要输入工件的几何形状、特性、连接工艺和装配顺序就可以得出一个装配工艺性系数，这个系数是直接判断可装配性优劣、装配时间长短、装配成本高低的重要标志。在连接过程中，连接工具是否可以不受任何阻碍地到达要求的位置也是决定装配动作能否实现的重要因素。是否会发生碰撞，可以借助于计算机模拟来检验。

（5）组织形式与装配流程

①组织形式　组织形式也就是为装配工作规定工艺方面的组织条件。与零件制造不同，装配有其特殊性，在一个零件被装配时还可能进行与此平行的加工。装配工作可以是手工的、机械化的和自动进行的。由于工艺的因素和出于对成本的考虑，某些产品采取混合装配方式。例如装配机械（特别是机器人）和装配工人同在一条装配线上配合工作。对于变种批量生产，人具有更大的灵活性。例如：初装配采用自动化方式，终装配由于根据用户的特定要求有不同的变种，因而更适合采用人工方式。这种对于那些原来完全是手工装配，后来逐步实现自动化的装配作业来说是一种典型的组织形式。组织形式是如何在工艺方面组织实施一种装配作业的种类和方式。其可以具体化为空间排列、物流之间的时间关系、工作分工的范围和种类、在装配过程中装配对象的运动状态。据此，典型的装配组织形式可分为下列几类。

a.单工位装配：全部装配工作都在一个固定的工位完成，可以执行一种或几种操作，基础件和配合件均不需要传输。

b.固定工位顺序装配：将装配工作分为几个装配单元，将它们的位置固定并相邻布置，在每个工位上都完成全部装配工作。这样，即使某个工位出现故障也不会影响整个装配工作。

c.固定工位流水装配：这种装配方式与固定工位顺序装配的区别在于装配过程没有时间间隔，但装配单元的位置不发生变化。

d.装配车间：将装配工作集中于一个车间进行，只适用于特殊的装配方法，如焊接、压接等。

e.巢式装配：几个装配单位沿圆周设置，没有确定的装配顺序，装配流程的方向也可能发生变化。

f.非时间联系的顺序装配：几个装配单位按工艺流程设置，在装配过程中相互之间不存在固定的时间联系。

g.移动的顺序装配：装配工位按照装配工艺流程设置，装配过程中相互之间既可以没有固定的时间联系，也可以存在一定的时间联系，但可以有时间间隔。

h.移动的流水装配：装配工位按装配操作的顺序设置，它们之间有确定的时间联系且没有时间间隔。此时，装配单元的传输需要由适当的链式传输机构完成。

如果要求较高的装配效率或因产品比较复杂单工位难以实现，就需要施行流水装配，装配任务被分配给几个相互连接的装配工位。典型的方式是圆形回转台式装配机和节拍式装配通道。在自动化生产的计划阶段，就应该选定产品的装配组织方式。流水作业概念已经于1924年由经济制造专业委员会定义为 “在局部范围内按照一定的时间顺序不间断地向前移动的作业过程”。后来又基于工艺方面的考虑作了如下的补充：“在生产过程中人既不是持续不断地也不是被迫地随着工艺流程工作的”。此外，从空间的角度来考虑，也就是各个装配工位如何相互耦合。最常用的是一种线式结构，当然也存在其他的可能性。其中，开式结构装配线的起点和终点是分开的。闭式结构则相反，而且闭式结构所能容纳的装配工位数也是有限的。根据装配工艺的需要也可以采取一种混合结构（图2-16）。

随着装配机器人的发展出现了一些新的组织方式。原先的一些只能由熟练装配工实施的装配工作现在完全可以由机器人来实现，例如由移动式机器人所执行的固定工位装配。装配工人和装配机器人共同工作的装配线发挥了强大的威力。由此而产生的具有柔性的装配系统在中批量生产中也得以使用（图2-17）。

②装配流程　为了装配一个产品，必须首先说明其安装顺序。必须规定哪些装配工作之间可以串联，哪些之间可以并联。装配过程中所出现的连接方法的种类和数量对装配过程有一定影响。装配过程越宽（相并联的工序多）越难以组织。对复杂的产品经常是先装配子部件，即装配过程是多阶段进行的。根据包含部件的情况，装配过程按原理可以划分为如图2-18所示的几种。

按照时间和地点关系，装配过程可以划分为以下几种：a.串联装配；b.时间上平行的装配；c.在时间上和地点上都相互独立的装配；d.在时间上独立，地点相互联系的装配。装配顺序在生产计划和流程图中都有说明。流程图是一个网形的计划图。其结构可以是有分支的或没有分支的，它重现了装配过程。零件的移动方向通过网结，相互关系通过连接线来表示。其排列方式总是由最早的步骤开始。从图2-19中可以知道哪些装配工作（1）可以先于其他步骤（3～5）开始，在此步骤中哪些零件被装配到一起。一种装配操作（例如2）最早可以在什么时间开始，什么步骤（例如3、4）可以与此平行地进行。在哪个装配步骤（例如5）中另一零件（D）的前装配必须事先完成。

这样一个流程图对于结构复杂的产品绝对是必要的，并且为装配时间的确定带来极大的方便；同时也为“在哪里设置缓冲”提供了依据。为了给自动化装配找出最佳的流程，应该借助计算机首先找出可能性，也就是必须把装配零件之间的关系描述清楚，尤其是空间坐标关系，否则有可能在技术上难以实现。

可以用配合面来描述装配零件之间的关系。配合面即装配时各个零件相互结合的面。每一对配合面f构成一个配合e。一个如图2-20所示的部件的装配关系可以这样来描述：

（e₁［f₁，f₃］）　　（e₂［f₂，f₅］）　　（e₃［f₄，f₆］）

可以看出，从功能上两次出现的表面就是配合面。图2-20所示的部件包括3个配合，即：

（bg₁［e₁，e₂，e₃］）

用这种方法容易描述装配操作。在这个简单例子中有两个装配操作。

（OP₁［f₁，f₃］）　　（OP₂［f₂，f₄，f₅，f₆］）

下面介绍几种不同的考虑方法。

a.考虑配合面：也就是注意失去了哪些配合面。所谓失去是指被占用或者被封闭。

b.考虑任务：例如把一个产品适当地分解成可传输的部件。当一个O形圈装入槽内，槽就构成一个部件。

c.考虑对象：例如把带有许多配合面、质量最大、形状复杂的零件视为基础件。特别敏感的零件应该在最后装配。

除了上述几种方法以外，还存在一些变种，通过它们也可以找出最佳的装配顺序（流程）。

下面再介绍另外几种考虑方法。

a.考虑操作（工艺过程）：例如操作简单的步骤（如弹性涨入）应该先于那些操作复杂的步骤（如旋入）进行。

b.考虑功能：各种零件在产品中实现不同的价值。表2-7对于操作过程和功能的优先权加以说明。

c.考虑组织：在大批量生产中，在部件的装配过程中，例如在使用装配机器人进行装配时，要尽量避免频繁地更换工具。优先权的说明和装配流程的精确描述通常是一个重要的前提。这些工作都可以借助计算机来完成。

在考虑装配流程时，这种流程是否能实现自动化的问题并没有同时解决，对此还必须单独进行研究。必须通过研究才能弄清在多大程度上可以实现自动化。在讨论该问题时，下列因素是重要的：a.配合、连接过程的复杂性；b.配合、连接位置的可达到性；c.配合件的装备情况；d.完成装配后的部件的稳定性；e.配合件、连接件和基础件的可传输性；f.装配流程的方向；g.部件的可检验性。由于技术上、质量上或经济上的原因，某种装配操作不能实现自动化，就必须考虑自动化装配与人工装配混合的方法。这种混合方式的装配系统（图2-21）有其突出的优点。