3.3　多工位装配机

（1）时间上同步的多工位装配机

一个部件或一个产品的装配在几个工位上完成。工位之间用传送设备连接。工件传递可以是时间上同步或时间上异步的。同步就是所有的基础件和工件托盘都在同一瞬间移动，当它们到达下一个工位时这种传送运动停止。这种方式被称为节拍式自动化。时间同步传送也可以连续进行。这种传送方式往往应用于纵向传送的自动化装配或使用机器人的自动化装配。时间同步方式的多工位装配机适应不同产品的柔性较小，只能适应相互区别不大的同一类工件的装配。其装配工位的数量因结构所限不能很多。时间同步传送的多工位装配机在多数情况下其传送方式是环形的或纵向的。

①圆形回转台式装配机　圆形回转台式装配机由于它的圆形传送方式和传送精度而适用于自动化装配。通常的工位数（被装配零件的数量）为2、4、6、8、10、12、16、24个。该机适用于很多轻小型零件的装配。为适应供料和装配机构的不同，有几种结构形式，它们都只需在上料工位将工件进行一次定位夹紧，结构紧凑、节拍短、定位精度高。但供料和装配机构的布置受地点和空间的限制，可安排的工位数目也较少。在这种装配机上，经常是检验工位占几乎所有工位的一半。这对于装配工作的顺利进行非常必要。因为前面的装配错误就会造成后续的装配工作无法进行。圆形回转台式装配机是一种多工位和集中控制（经常是凸轮控制）的装配机械，其核心部分是回转台，围绕回转台设有连接、检验和上下料设备。其节拍是由一套步进驱动系统来实现的。

由图3-5可以看出圆形回转台式装配机的结构原理。这台装配机能够完成最多由8个零件组成的部件的装配。基础件的质量允许1～1000g；每小时可以完成100～12000个部件的装配任务。在标准的情况下圆形回转台式装配机每分种可以走10～100步。这种装配机在大多数情况下都是通过一个盘形凸轮实现机械控制的。凸轮控制的机械的最大运动速度不超过300mm/s，如果是气动可以达到1000mm/s或更高。除了工作台驱动以外还需要上料和连接运动。这些运动可以通过分离的驱动方式来实现或从步进驱动系统的轴再经过一个凸轮来实现。

圆形回转台式装配机可以作为单步机或双步机。其区别在于同时操作的装配单元数是一个还是两个。在单步机上每个节拍只向前进给一个装配单元。在双步机上每个节拍向前进给两个装配单元，即在每一时刻都有两个装配单元平行工作。其原理见图3-6。双步机每拍转过的角度是单步机的两倍，即一下走两步。

装配机的系统设计还涉及装配工位的串行和并行两种排列方式。并行排列意味着较高的生产效率。此外，双工位装配比单工位装配生产成本也低。因为它们的驱动部件可以公用。这一原理对于纵向传送的装配机也是适用的。

圆形回转台装配机的选用必须考虑几何学和运动学的要求。第一步就是确定分度回转盘的直径。必须综合考虑装配工位的数量、部件体积大小和回转工作台的直径等诸项因素。回转盘外沿上为每个工位分配的距离就是工件托盘允许占用的最大尺寸。按照标准，在直径1000mm的工作台上总的工位数不得超过24个。在圆工作台上每个工位允许占有的距离可以在图3-7中查到。

设回转台外径D=630mm，共12个工位。a=162m，由于每次分度都需要一定的时间，所以从这一观点考虑，工位数要选择得多一点，即使有一两个空位也不要紧，故要预留一两个空位才好。对于圆形回转台，其惯性矩、直径等都已在制造过程中由厂家确定。用户需要在此基础上作补充计算。特别是对于惯性矩

式中　d——环形盘的内径；

D——环形盘的外径；

J_s1——实心盘的惯性矩；

J_s2——环形盘的惯性矩；

m₁——实心盘的质量，kg；

m₂——环形盘的质量，kg。

回转盘的外沿是安装工件托盘用的，基础件夹紧在工件托盘上。在基础件上还要装配合件。为了减小整体的惯性矩，围绕回转轴的回转质量要尽可能减少。

J_A=r²［m₃z+（m₄+m₅）（z-n）］

式中　J_A——整体结构的惯性矩；

m₃——工件托盘的质量，kg；

m₄——基础件的质量，kg；

m₅——一个配合的质量，kg；

n——入口到出口之间的空工位；

r——工件托盘所在位置的半径；

z——工位数。

所计算出的总惯性矩J_ges必须小于厂家所给的允许惯性矩值

J_ges=J_s+J_A<J_zul

式中　J_zul——厂家所给的允许惯性矩。

圆形回转台式装配机的核心部件是产生分度运动的驱动系统。从传动技术的观点来看，它的任务就是把一个角速度为ω的匀速回转运动转变成向前的间断的运动。图3-8表示出其运动规律的一般形式。图中的曲线表示回转台的运动规律。

全部的运动可以分为4个阶段：加速度阶段（φ_B）；匀速运动阶段（φ_G）；减速运动阶段（φ_V）；间歇阶段（φ_R）。这种运动循环是通过各种传动机构来实现的，主要有圆柱凸轮间歇传动、马耳他槽轮和星形轮传动、盘形凸轮间歇传动、棘轮棘爪传动，压缩气驱动、齿轮齿条传动、通过单轴NC控制的电动机带动齿轮驱动。回转台的分度角只有在可编程控制的情况下才可以改变。

圆形分度回转台上所装备的工作单元根据装配工艺来确定。同时必须考虑到监控和维修的方便，还要保留一定的空位。图3-9所示是一种装配方案的实际例子。

圆形回转台式装配机上所装备的工位数根据装配的工艺要求确定，包括连接工位、检验工位、备用工位、空位以及上下料工位。找出一种工艺上能满足要求同时经济合理的解决方案不是一件容易的事。对于不同的产品或不同的变种，某一个专用的装配工位不再适用，也无法通过调整满足新的工艺要求，这种情况在自动化装配工作中是经常遇到的。很快地找到一个工艺上可靠、经济上合算的装配单元不是一件容易的事情。为了适应不同的产品或不同的产品变种，装配设备需要改变控制、改调或改装（图3-10）。

a.改变控制：装配机的硬件含有适应各种不同的工件的潜在功能。用手工或自动的方法接通各种必要的设备或把它们断开。

b.改调：装配机上的部件往往是为同一系列的某一产品变种而装备的，可能需要借助于工具将实际的装配工位加以调整。

c.改装：由于产品改变而引起所装备的部件的更换，这种装配机不经过大的改变就不能适应新的装配任务。这时装配机就需要改装、调整和检验。

组合结构为装配机的改装提供了方便，但要达到改装顺利、使用方便也并不容易，因为需要大量的投资（新方案的制定、拆下某些单元、装上新的单元、调整控制系统、试运转等）。

②鼓形装配机　大多数装配操作都是垂直进行的，但当基础件长度比较大时，适合采用鼓形装配机进行装配工作（图3-11）。

鼓形装配机的工件托架绕水平轴按节拍回转；基础件在回转过程中必须牢固地夹紧在架子上。作为可分度的回转鼓绝不是实心的，大多数是由两个回转盘组成的；夹具安装在回转盘上；下方的工位一般是不好使用的；鼓形装配机由几个结构模块组合构成；连接设备可以很容易地安放在滑动单元上，实现向左或向右的运动；鼓形装配机支撑回转鼓或盘的轴承的布置要不同于圆台形装配机。

③环台式装配机　环台式装配机比圆台式装配机需要更高的成本，其应用的例子不多。这种形式的装配机的特点是环内和环外都可以安排一定的工位，总的工位数就可以多一些。环台式装配机是这样一种装配机，基础件或工件托盘在一个环形的传送链上间歇地运动。环内、环外都可设置工位。环外的面积也可以采用如图3-12所示的结构，使整台机器看起来更紧凑。这种装配机的节拍时间与圆台式装配机相似，每个工作单元都有单独的驱动，因为在空间上来看，集中的凸轮驱动对于这种装配机是不合适的。

在环台式装配机上，基础件或工件托盘的运动可以有两种不同的方式：第一种是所有的基础件或工件托盘都必须同时向前移动；第二种属于一种松弛的连接，当一个工位上的操作完成以后，基础件或工件托盘才能继续往前运动。环台表面向前的运动则是连续不断的。各个装配工位的任务必须尽可能均匀地分配，以使它们的操作时间大体上一致。图3-13就示出了这样的装配机，工件托盘载着基础件作环形运动，环台内部的面积可以安放几台机器人。

④纵向节拍式装配机　圆形回转台式装配机所能利用的工位数有限，对此可以有两种办法来解决：一种是把几台圆形回转台式装配机连在一起；另一种办法是改变配置的原则，把各工位按直线排列，就产生了纵向节拍式装配机。纵向节拍式装配机就是把各工位按直线排列，并通过一个连接系统连接各工位，工件流往往是从一端开始，在另一端结束。如果在装配过程中使用托盘输送，还有一个托盘返回的问题有待解决，这是这种结构方式的缺点。纵向节拍式装配机提供了一种空间上的优点，使得整理设备、准备设备、定位机构等的排列更为方便。相比于圆形回转台式装配机，车间生产面积的利用更趋合理，如果需要的话，还可以纵向延长。纵向节拍式装配机可以容纳40个工位。它的可延长性和节拍效率受移动物体质量的限制。质量越大，启动或停止时的惯性力就越大，启动和制动也就越困难。

从制造成本来看，纵向节拍式装配机比圆形回转台式装配机成本更高。但是纵向节拍式装配机的可到达性、可通过性均好，而且再增加新的工位也比较容易，有缺陷的部件也容易分离出来。由于纵向节拍式装配机长度较大，难以对基础件准确的定位，因此就需要特殊的定位装置。要实现准确定位往往需要把工件或工件托盘从传送链上移动到一个特定的位置。图3-14示出了一个这样的变种，只有在位置P才能可靠地装配。例如在一管状基础件的侧面压入一配合件（因为这要求精确的定位）。位于节拍传送链上的基础件，由于步距误差、链误差、支撑件的磨损等，可能造成很大的基础件位置误差。

纵向节拍式装配机的传送机构不一定是直线形的，有一定角度的、直角的和椭圆形状的也都可以划入此类。典型的纵向节拍式装配机的运动结构方式有履带式、侧面循环式和顶面循环式。履带式装配机如图3-15所示。履带式装配机是用与工作台平行设置的水平的履带形传送链承载工件托盘，在传送链侧面设置连接单元的装配机。已完成装配的部件从终点返回起点也是可以实现的。如果把履带绕水平坐标轴回转90°就成为如图3-16所示的侧面循环式装配机。这类装配机的标准长度L可以是1524mm、2286mm、3048mm和3810mm。传送链的节距可以是127mm、254mm或它们的整数倍。这种装配机由于其敞开式的工作空间，适合装配那些长度-直径比较大的部件。

在侧面循环式装配机上，垂直固定在传送链上的工件托盘是绕着机架的侧面运动的，所以要装配的配合件可以从三面到达基础件。装配单元与传送链面对面固定在工作台上，借助于附加的支架，装配单元可以从上方垂直地装配工件。

在顶面循环式装配机上传送链是在水平面上运动的，这种结构形式适合装配中等质量的部件，对于质量达到100kg的部件的装配也能够胜任。图3-17（a）所示的传送链是集中驱动的；图3-17（b）所示的传送链是分散驱动的。

分散驱动即每一个单独绕轨道运行的小工作台都需要各自的驱动设备。这种结构要求轨道的耐磨性要好，因为轨道的磨损直接形成工件的定位误差。在顶面循环式装配机上，工件托盘与一平板形的小工作台以各自的节拍或共同的节拍在一个封闭的系统里环行。装配单元设置在这一环形系统的内部。

⑤转子式装配机　转子式装配机是专为小型简单而批量较大的部件装配设计的。一定数量的工作转子通过传送转子连在一起，并有专门的上料转子负责上料。基础件的质量在1～50g之间。每小时装配600～6000件。转子式装配是具有连续旋转的传输运动的装配机，所有的操作都是凸轮控制的。几台工作转子连在一起可以构成一条固定连接的装配线。一般是每一台转子只装配一种零件，几个工位使用相同的工具同步地运转。一台转子式装配机可以看作是几个平行的工位，一条转子式装配线可以看作是串联-并联的结构。图3-18所示是一条转子式装配线的局部。

⑥纵向移动式装配机　在纵向移动式装配机上，装配工作是在连续不断地移动中执行的。如同在转子式装配机上一样没有间歇时间，没有节拍，也就没有因启动和停止引起的惯性力。装配工位的同步移动可以通过平行同步移动的链或装配工位上的插销实现。完成装配以后，插销缩回，装配单元在B点返回（图3-19）。

（2）各工位的工件托盘不同时向前传送的装配机

固定节拍传送的装配机的缺点是当在一个工位上发生故障时，将引起所有工位的停顿。这对于生产效率是个敏感的问题，这个问题可以通过异步传送得到解决。异步传送的装配机在工作时不发生工件托盘的强制传送，每一个装配工位前面都有一个等待位置（缓冲区），这样就产生一种松弛的连接。每一个装配工位只控制距它最近的工件托盘的进出，传送介质（传送带）必须在位于其上的工件托盘连续施加推力。传送带的结构可以是敞开的，也可以是封闭的。如果是敞开式的，还必须考虑工件返回的问题。

对于柔性装配设备有另外一种传送系统，称为外部传送链，即工件托盘并不是从主传送链直接到达装配工位，而是先到分支传送链，再到装配工位。这种耦合方式称为“旁路”。图3-20示出了这样一个例子。采用这种结构的主要目的是提高生产效率，可以同时在几个工位平行地进行相同的装配工序，当一个工位发生故障时不会引起整个装配线的停顿。

图3-21所示的是一种采用椭圆形通道传送工件托盘异步进给的装配设备。全部装配工作由四台机器人完成。另外有一台专用设备用来检出没有真正完成装配的部件并放入一个专门的箱子里等待返修，把成品放上传送带输出。