1、任务思考 ： 断路器是一种常见的保护电路的开关装置，下面试分析塑壳断路器是一种常见的保护电路的开关装置，下面试分析塑壳断路器装配线节拍。断路器装配线节拍。塑壳断路器外形图 什么叫自动化专机或自动化生产线的节拍时间及生产效率? 所谓自动化专机或自动化生产线的节拍时间就是专机或生产线每生产一件产品或半成品所需要的时间间隔，而生产效率就是专机或生产线在单位时间内能够生产出来的成品或半成品的数量，这与手工装配流水线的节拍时间及生产效率是类似的。节拍时间在数值上与生产效率互为倒数关系，工程上一般在讲设备的生产能力时使用生产效率，而讲设备的生产速度快慢时则使用节拍时间。本课程需解决的问题 自动机械的节拍时
2、间与哪些因素有关? 如何设计自动机械的节拍时间? 自动机械的生产效率与哪些因素有关? 如何使自动机械的生产效率最高? 自动化加工生产线与自动化装配生产线的节拍时间有哪些区别?任务任务一一 由单个装配工作站组成的自动化专机由单个装配工作站组成的自动化专机节拍分析节拍分析 由于自动化生产线制造成本较高，一次性投入较大，因此在国内制造业中的使用受到限制；相反，由单个装配工作站组成的自动化专机由于是单台的专机，一次性资金投入较自动化生产线大幅降低，因而普及的速度较快。 由单个装配工作站组成的自动化专机是自动装配机械的基本形式，由于各种自动化标准部件的大量采用，例如气动元件、直线导轨机构、直线轴承、滚珠
3、丝杠机构、各种执行电机、各种铝型材及连接件等，使得自动化专机的设计制造日益简化，制造成本大幅降低，制造周期越来越短。知识点知识点1 1 专机结构原理专机结构原理 这种主要由直线运动机构组成的自动化装配专机通常的结构如下。 (1)在水平面上互相垂直的左右、前后方向上分别完成零件的上料、卸料动作(或将工件从零暂存位置移送到装配操作位置)，上下方向则通常设计各种装配执行机构，完成产品的各种加工、装配或检测工艺工作(如螺钉螺母连接、铆接、焊接、检测等)； (2)上料、卸料动作通常采用振盘、料仓送料装置、机械手等装置完成，也可以采用人工辅助完成，这时就成为半自动专机。 这类自动化专机是自动机械最基本的结
4、构形式，各种复杂的自动化装备都是由各种各样的直线运动模块组合而成的，坐标式移载机械手也属于这种结构类型。图1所示为这种类型自动化专机的结构原理图。 图1 由单个装配工作站组成的自动化专机结构原理图知识点知识点2 2 由由单个装配工作站组成单个装配工作站组成的的自动化自动化专机节拍分析专机节拍分析 (1)理论节拍时间 由单个装配工作站组成的自动化专机大量采用了各种直线运动部件，例如气缸、直线导轨机构、直线轴承、滚珠丝杠机构等，这是一类非常具有代表性的自动化专机结构，这种设计方法大量使用在各种行业的自动化装配、加工、检测等制造工序。它们的节拍时间都是由以下部分组成的： 工艺操作时间一直接完成机器的
5、核心功能(例如各种装配、检测、灌装、标示、包装等工序动作)占用的时间。由于受工艺要求的限制，工艺操作时间往往在机器节拍时间中占有较大的比重。 辅助作业时间一一个循环周期内完成工件的上料、换向、夹紧、卸料等辅助动作所需要的时间。 因此。在假设各种操作动作没有重叠的前提下，这类自动化专机的理论节拍时间可以根据下式计算： 其中，TC 专机的理论节拍时间，min件或s件； TS 专机工艺操作时间的总和，min件或s件； Tr 一专机辅助作业时间的总和，min件或s件。rSCTTT 辅助作业时间在机器的节拍时间中也是必不可少的。在上料动作中，通常采用料仓送料、振盘送料、机械手上料等各种送料方式。在某些同
6、时采用振盘及机械手上料的场合，振盘通常只将工件输送到暂存位置，然后由机械手或其他机构将工件从暂存位置移送到装配操作位置，这时振盘的补料动作是与机器的其他动作重叠的，因此振盘的补料动作并不占用机器的节拍时间。 在某些半自动专机中采用人工上料或卸料操作，替代某些复杂、昂贵的自动上下料机构，这时人工上料或卸料操作时间也属于辅助作业时间，需要通过实际人工操作来进行测试确定。(2)理论生产效率专机的生产效率表示专机在单位时间内能够完成加工或装配的产品数量，单位通常用件h表示，在理论节拍时间的基础上就可以计算出机器的理论生产效率 专机的生产效率与节拍时间都是衡量机器生产能力的参数，节拍时间从完成单个产品所
7、需要的时间方面进行描述，而生产效率从单位时间内机器能够完成的产品数量进行描述。 rSCCTTTR6060 (3)实际节拍时间 必须注意到，上式是以机器的理想状态为前提进行计算的。实际上，在自动化装配生产中存在一种特殊的现象，这就是经常会因为零件尺寸不一致而造成供料堵塞、机器自动暂停的现象，这一问题一直是自动化装配生产中最头痛的问题，而在自动化加工生产中通常不存在这一问题。因此，实际的节拍时间应该考虑零件送料堵塞停机带来的时间损失，专机实际的生产效率也会因此而降低。 (4)实际生产效率 实际的生产效率为 考虑上述送料堵塞停机的时间损失后，专机的实际使用效率为 其中， TC -专机的实际生产效率，
8、件h； TP -专机的使用效率，。 下面以一个实际的例子说明这类自动化装配专机的节拍时间及生产效率是如何计算的。PPTR60%100*PCTT知识点知识点3 3 节拍分析实例节拍分析实例 下面再以一个简单的工程实例分析来说明这种自动化装配专机的节拍时间是如何确定的，以及如何通过节拍时间优化设计来缩短机器的节拍时间，提高机器的生产效率。为了使读者感觉更直观，这里将通常的装配操作用一个钻孔操作来代替。知识点知识点4 4 分析总结分析总结 (1)全自动化专机的节拍时间 在自动化专机中，机器的节拍时间通常并不单纯为各种工艺操作时间及辅助作业时间的简单累加，如果使部分动作在时间上进行重叠就可以缩短机器的
9、节拍时间。 另外，考虑因为零件缺陷导致送料堵塞停机的时间损失后，实际的节拍时间会变长，机器的使用效率也随之下降，因此在自动化装配生产中提高零件的质量水平非常重要。 (2)半自动专机的节拍时间 例如需要辅助人工操作的半自动专机，它们的节拍设计过程与方法其实是非常类似的，惟一的区别在于：在半自动专机上，作为辅助动作时间的部分上料、卸料动作由操作者人工完成，而在全自动专机上，全部的辅助作业及工艺操作都由机器完成。 (3)两种最基本的节拍优化设计方法 工程上在编制机器气缸位移步骤图及PLC控制程序时通常采用以下两种最基本的节拍优化设计方法。 时间同步优化 机器的节拍时间并不简单是上述各种动作时间的总和
10、，有些情况下节拍时间等于上述各种动作时间的总和，但很多情况下并非如此。因为为了缩短机器的节拍时间，提高生产效率，部分机构的运动在满足工艺要求的前提下完全是可以重叠的，就如对图10的分析一样，在可能的情况下使部分机构的动作(通常为辅助操作)尽可能地重叠或同时进行，这就是机构运动时间的同步优化。 空间重叠优化 除机构运动时间方面的重叠优化外，有些情况下，部分机构的运动在空间上有可能会发生干涉。为了缩短机器的节拍时间，可以使上述机构同时动作，使它们的运动轨迹在空间进行部分重叠。这种重叠是以相关机构不发生空间上的干涉为前提的，这就是机构运动空间的优化，这样设计的目的还是为了使机器的整个节拍时间更短。
11、时间同步优化、空间重叠优化是两种最基本的节拍优化设计方法，如果不掌握上述优化设计方法就很难设计出最合理的气缸位移步骤图及PLC控制程序。 (4)直接影响机器节拍时间的因素及相关设计原则 机器的节拍时间与机构的运动速度、工作距离直接相关，因此在设计各种机构时需要注意掌握以下设计原则： 尽可能减少机构不必要的运动行程，这样可以缩短机器的节拍时间。 选定气缸的标准行程及设计气缸的实际运动行程时需要注意这点。例如图3中夹紧气缸的运动行程可以设计得非常小，减少多余的运动时间，而送料气缸的行程只需要比工件的移动距离稍大即可。机构多余的运动行程不仅浪费时间，加大了机器节拍时间，而且还会加大不希望的冲击与振动
12、。 在不影响机构工作效果的前提下，尽可能优化机构的运动速度。 如气缸驱动的场合，气缸的工作行程运动速度可能受到振动冲击或工艺要求的限制不能调整到很高，但气缸非工作行程由于没有特殊的工艺要求限制就可以调整到较高的运动速度。任务任务二二 间歇间歇回转分度式自动化专机节拍分析与设计回转分度式自动化专机节拍分析与设计 除前面介绍的由各种直线运动机构组成的自动化专机外，另一类非常典型的自动化专机是间歇回转分度式自动化专机，它的核心部件就是驱动转盘作间歇回转运动的凸轮分度器。 这种自动化专机将一般在直线型生产线上完成的多个工序的工艺操作集成在一个尺寸较小的转盘上完成，将多个工作站集成在一起，因此是结构最紧
13、凑、占用空间最小、效率最高的自动化专机形式之一。既可以用作自动化装配专机，也可以用作自动化机械加工专机。它广泛应用于半导体芯片、电子、电器、开关、继电器、仪表、五金、轻工、食品、饮料、机械加工等各种行业。( (一一) )、 间歇回转分度式自动化专机的节间歇回转分度式自动化专机的节拍时间与生产效率拍时间与生产效率 凸轮分度器是最典型的间歇回转分度式自动化专机，由于此类机器的转盘与凸轮分度器的输出轴是连接在一起的，因此转盘的运动情况与凸轮分度器输出轴是完全一样的。知识点知识点1 1 间歇回转分度式自动化专机的结构原理间歇回转分度式自动化专机的结构原理间歇回转分度式自动化专机在机械结构上主要由以下三
14、大部分组成 圆形转盘及安装在转盘上的定位夹具 安装在转盘上方或侧面的各种装配、加工或检测执行机构 驱动转盘间歇回转的凸轮分度器图9 典型的间歇回转分度式自动化装配专机实例 这种专机通常由高精度的间歇分度装置凸轮分度器来驱动转盘间歇回转，转盘上设计有与凸轮分度器回转一周相同的工位数并设计有定位夹具。 根据各种工序的具体内容，各工位的装配执行机构一般设计在转盘上各定位夹具的上方，因为大多数的装配都是从上而下进行的，少数情况下也可以将执行机构设计在定位夹具的径向外侧。转盘停顿的间歇内各工位同时进行各自的工艺操作，如各种产品的铆接、焊接、螺钉螺母装配、检测等，当然偶尔也有个别工位没有执行机构的情况。转
15、盘每转动一个工位，转盘上的工件随转盘一起依次交换一个位置，转盘回转一周的过程中每个产品也就经过了全部工位并在每个工位上进行了相应的加工或装配操作，转盘回转一周则完成了全部的加工或装配作业使产品成为半成品或成品。 转盘上除各种装配工位外，还有两个工位，分别为上料工位、卸料工位，供初始零件的上料和成品(或半成品)的卸料。在各工位的加工或装配过程中，由于经常需要装配新的零件，所以还有相应的自动上料装置，如料仓送料装置、振盘等，尤其大量采用振盘。 这种类型的自动化专机既可以应用于各种自动化装配、检测，也可以应用于自动化机械加工(如铣削、钻孔及其他类似需要旋转刀具加工的工艺)。图1610为这种自动化专机
16、的结构原理示意图。 虽然这种类型的自动化设备一般都作为自动化专机使用，但只要认真体会就会发现实际上它们的工作过程与自动化生产线是非常相似的，只不过将自动化生产线上通常在直线方向排列的各工作站排列在圆形的转盘上，其工位数量可以少到几个工位、多达几十个工位。更重要的是，这种类型的自动化专机结构非常紧凑，制造成本相对较低，所占用的空间也最少。知识点知识点2 2 间歇间歇回转分度式自动化专机的节拍原理回转分度式自动化专机的节拍原理图10 间歇回转式自动化装配专机 这种专机各工位上需要完成的工作既可以是单道工序，也可以是两道或多道简单工序，各工位的加工或装配时间因为工序的内容不同而不同，有的工位需要时间
17、短，有的工位需要时间长。但在转盘一次停顿的时间内，各工位都要完成各自的加工或装配工作，或者说各工位中需要时间最长的工位其全部工艺操作时间不得超过转盘一次停顿的时间。 反过来，在设计这种自动化专机时，只要转盘的停顿时间不低于各工位中的最长全部工艺操作时间就可以了。为了提高设备的生产效率，转盘的停顿时间在大于各工位中的最长工艺操作时间的前提下还应尽可能短。由于凸轮分度器的转位时间、停顿时间受内部凸轮机构的限制，停顿时间调整的范围是有限制的，所以一般情况下凸轮分度器的停顿时间都比各工位中的最长工艺操作时间稍长。这就是这类自动化专机节拍时间设计的原则和方法。知识点知识点3 3 节拍时间的确定方法节拍时
18、间的确定方法 根据上述工作原理可知，上述回转分度式自动化专机的节拍时间实际上就是设备完成一个转位动作、一个停顿时间的总周期时间： 其中, 节拍时间，s件； 一转位时间，s； 停顿时间，s。 其中， 各工位的全部工艺操作时间，s/件，il，2， n一专机的工位数。0TTThCCThT0Tmax0siTTsiT 公式表示转盘每次的停顿时间必须大于工艺操作时间最长的工位的全部工艺操作时间。通过后面的分析将会发现，上述计算的节拍时间只是通常期望的理论节拍时间，实际的节拍时间还需要根据凸轮分度器的输入转速稍作调整。知识点知识点4 4 节拍时间的实现节拍时间的实现 根据前面的分析，节拍时间是转盘一个转位、
19、停顿循环周期的总时间。 根据凸轮分度器的工作原理，输入轴转动一周，输出轴完成个转位、停顿的循环周期，输入轴、输出轴的运动同步而且周期是相同的，所以节拍时间也等于输入轴转动一周的时间，或者说节拍时间是由输入轴的转速实现的： 其中，n一凸轮分度器输入轴的转速，rmin。nTC60 当根据装配工艺的需要确定节拍时间Tc后，还要再设计合适的电机驱动系统，使凸轮分度器输入轴的转速刚好等于以下值即可实现所要求的节拍时间： 分析：上面计算的转速实际上是与期望的理论节拍时间所对应的输入轴理论转速，而凸轮分度器输入轴的转速是通过传动系统获得的，电机的标准输出转速首先经过减速器再传递到凸轮分度器输入轴。有些情况下
20、经过减速器后再通过皮带传动系统，最后将扭矩传递到凸轮分度器输入轴。CTn60 由此可见，凸轮分度器输入轴最后获得的转速受到一定的限制(如减速器的传动比、皮带传动传动比，所以其调整的范围是有限的，不一定刚好等于所期望的输入轴理论转速，所以实际的节拍时间也就不一定刚好等于期望的理论节拍时间。实际的节拍时间是根据实际的输入轴转速最终决定的，可能与期望的理论节拍时间稍有差异。通过下面的实例计算可以更好地认识这种设计过程。 5间歇回转分度式自动化专机的生产效率 根据生产效率的定义，可知这种自动化专机的生产效率为 其中， 平均生产效率，件min； 节拍时间，s件。 分析CPTR60 分析 (1)公式中没有
21、包含转盘工位数量，因此间歇回转分度式自动化专机的节拍时间或生产效率与转盘工位数量、转盘直径无直接关系，只与根据工艺操作需要确定的转盘转位时间、停顿时间有关。 (2)与前面介绍的由单个装配工作站组成的自动化专机类似，当这种专机用于自动化装配专机时，同样会存在因为零件质量造成送料堵塞、停机的情况，因此上述关于节拍时间及生产效率的分析都是基于最理想的情况，实际的节拍时间及生产效率需要按同样方法进行处理。当这种专机为自动化机械加工专机时，通常不会出现这种情况。 (3)间歇回转分度式自动化专机由于集成了多个工作站系统，因此它同时包含了自动化专机及自动化生产线的工作原理，只不过它采用的是同步的输送系统。知
22、识点知识点6 6 采用步进电机或伺服电机直接驱采用步进电机或伺服电机直接驱动的间歇回转分度式自动化专机动的间歇回转分度式自动化专机 采用凸轮分度器来设计间歇回转分度式自动化专机是工程上的传统方法。虽然凸轮分度器具有高精度、高负载能力、高可靠性、长寿命、免维护等优点，但由于使用凸轮分度器相对成本较高，因此目前工程上还有另外一种相对廉价的方法。这种更廉价的方法就是采用步进电机或伺服电机直接驱动转盘，如图11所示。 由于这类专机的负载扭矩较大，尤其是转盘、工件及定位夹具的转动惯量较大，启动时会产生较大的惯性扭矩，因此，一般都采用带减速器的步进电机或伺服电机，提高扭矩输出能力。采用步进电机或伺服电机直
23、接驱动转盘分别具有以下优缺点。图11 步进驱动回转工作台示意图 优点： 成本低廉，步进电机或伺服电机较凸轮分度器能够大幅降低机器的制造成本； 控制更方便，因为其节拍完全靠控制电机的启动与停止来实现，控制非常灵活，能够极方便地调整机器的节拍时间及其构成，这是采用凸轮分度器所无法相比的； 结构简单，占有空间更小。 缺点： 负载能力无法与凸轮分度器相比，因此在小负载情况下比较合适，不适合用于大型转盘的情况，尤其是采用步进电机时负载能力更低。 可靠性低于凸轮分度器。由于凸轮分度器完全采用刚性的凸轮机构来实现其转位、停顿动作，这是采用步进电机或伺服电机驱动直接靠控制电机的启动与停止来实现节拍的方法所无法
24、相比的。( (二二) )、 提高间歇回转分度式自动化专机生提高间歇回转分度式自动化专机生产效率的途径产效率的途径 通常都希望节拍时间越短越好，因为节拍时间越短，生产效率越高，单位时间内设备所完成的产品数量就越多。 既然节拍时间由凸轮分度器的转位时间与停顿时间组成，所以要缩短节拍时间也只能从上述两部分时间方面去努力。知识点知识点1 1 尽可能缩短转位时间尽可能缩短转位时间 转位时间属于辅助作业时间，不直接用于装配作业，辅助作业时间越短，设备的生产效率就越高，所以首先应尽可能缩短转位时间。根据前面的介绍，转位时间实际上是由凸轮分度器的分度角决定的，分度角决定了转位时间占总节拍的比例。分度角越小，转
25、位时间占总节拍时间的比例也越小，即转位越快，因此在负载不大的情况下应尽可能选择较小的凸轮分度器分度角。知识点知识点2 2 设计时注意工序的平衡设计时注意工序的平衡 转盘停顿时间用于各工位的工艺操作，该时间受各工位中全部工艺操作时间最长的工位限制，所以方面在工序的分配方面要尽可能均衡，尽量减小各工位之间作业时间的差距，另方面不要将过多的工序集中在一个工位上。这与手工装配流水线上工序的平衡原理是完全相同的。 如果某个工位只有个工序，但该工序的工艺操作时间相对其他工序过长，则可以考虑将该工序进一步分解为两个或多个更简单的工序，这样就可以使单个工序的工艺操作时间缩短，然后将该工序的工艺操作分配到多个工
26、位上。这样虽然工位数增加了，但节拍时间更短了，机器的生产效率更高。( (三三) )、电机的配套设计、电机的配套设计 凸轮分度器是通过配套的电机来驱动的，专机的节拍时间实际上是由凸轮分度器输入轴的转速决定的，而输入轴的转速又是由电机驱动系统实现的。 转盘以及转盘上面的夹具、工件都具有一定的质量，转盘转动启动时会产生一定的惯性扭矩，转盘直径越大、质量越大，转盘转动时的惯性扭矩也越大。上述负载都靠电机来驱动，配套的电机需要具有上述负载能力。因此，在进行电机的选型时，主要考虑以下两个问题。知识点知识点1 1 扭矩的匹配扭矩的匹配 电机的输出扭矩应满足其负载扭矩的要求。确定电机输出扭矩时应根据转盘的直径
27、与质量、夹具的质量与数量、工件的质量与数量、夹具对角中心距等参数对负载扭矩进行计算，得到凸轮分度器输入轴所需要的扭矩，最后根据实际的传动关系计算出电机所需要的输出扭矩并保证一定的安全余量。知识点知识点2 2 输出输出转速的匹配转速的匹配与需要的节拍时间与需要的节拍时间相匹配相匹配 凸轮分度器是由电机驱动的，电机通过减速器后既可以直接与凸轮分度器连接，也可以经过传动皮带再驱动凸轮分度器输入轴。凸轮分度器输入轴得到的转速必须根据所要求的节拍时间进行设计计算，其输入轴每旋转周，凸轮分度器输出轴完成一个转位与停顿动作的时间周期。输入轴每旋转周的时间周期也就是输出轴完成一个转位与停顿动作的时间周期，且此
28、凸轮分度器输入轴转速决定了专机的节拍时间，设计凸轮分度器输入轴的转速实际上就是设计专机的节拍时间。 当根据实际装配工序确定节拍时间后。下步就是要根据确定的节拍时间来选择合适的凸轮分度器，同时还要选择配套的电机及减速器，如果电机经过减速器后还经过传动皮带，则需要进一步设计皮带传动的传动比。经过全部传动环节后，凸轮分度器输入轴获得的转速应该满足希望的节拍时间要求。 向凸轮分度器制造商进行订购时，制造商一般都可以根据用户需要的节拍时间、负载情况等，代替客户进行凸轮分度器的计算选型，配套合适的电机及减速器并安装好后成套提供给客户，所以电机的配套设计工作也可以由凸轮分度器的制造商帮助进行。 要改变凸轮分
29、度器的节拍时间，主要有两种方法。 1改变电机驱动系统的传动比 当电机经过减速器后如果还采用同步带传动，还可以通过改变同步带传动的传动比(即改变同步带轮的齿数比或直径比)来获得不同的输入轴转速以获得不同的节拍时间。 2通过控制系统来实现不同的节拍时间 一般情况下自动化专机都是固定的专用设备，节拍时间一般也无必要调整。但当因为设计或其他原因需要改变机器的节拍时间时，改变输入轴转速显然比较麻烦，此时可以通过控制系统来实现，而且非常容易。任务三任务三 连续回转式自动化专机节拍分析连续回转式自动化专机节拍分析 知识点1 连续回转式自动化专机的结构原理 知识点2 生产效率 知识点3 节拍时间 知识点4 典
30、型工程实例啤酒灌装自动化专机节拍分析 知识点5 提高连续回转式自动化专机生产效率的途径知识点知识点1 1 连续连续回转式自动化专机的结构原理回转式自动化专机的结构原理 连续回转式自动化专机由于在结构上与间歇回转分度式自动化专机非常相似，在熟悉间歇回转分度式自动化专机节拍原理的基础上，只要弄清楚两类设备之间的区别及相似之处，就可以很容易地理解其节拍原理。以下是两种类型设备与节拍时间有关的相似之处与不同之处。 相似之处： 都有一个圆形的回转转盘 执行机构一般都设计在转盘上方 都分为若干个工位 转盘都由电机驱动作旋转运动循环 不同之处： 连续回转式自动化专机的工艺操作是在转盘转动的过程中连续进行并最
31、后完成的，而间歇回转分度式自动化专机的工艺操作是在转盘停顿的时间间隙中进行并逐步完成的，工艺操作时转盘及工件一般都在静止状态(极少数情况下工件也需要一定的运动，例如回转类工件在圆周方向的环缝焊接就需要工件在连续回转状态下进行)； 连续回转式自动化专机只适合少数特定的操作工艺，如液体定量灌装、电器部件的热风软钎焊等，而间歇回转分度式自动化专机适合于许多行业大量的装配、检测、加工等工艺操作，是一种非常通用的自动机械型式。图12 典型的连续回转式自动化液体灌装专机实例知识点知识点2 2 生产效率生产效率 根据生产效率的定义可知 其中，Rp 平均生产效率，件min； n转盘转速，rmin； S转盘工位
32、数(工程上也称为设备的头数)。 这种自动化专机的生产效率与工位数及转盘转速成正比。显然，转盘转速越高、转盘上工位数越多，专机的生产效率也越高，所以目前高效率的此类自动化专机工位数越来越多。nSRP知识点知识点3 3 节拍时间节拍时间 根据节拍时间的定义可知 其中，Tc 节拍时间，s件。nSTC60知识点知识点4 4 典型典型工程实例工程实例啤酒灌装自动化专机啤酒灌装自动化专机节拍分析节拍分析 啤酒灌装(饮料灌装也与此类似)自动化专机是此类专机的典型实例之一。啤酒灌装一般都采用此类连续回转式自动化灌装设备，啤酒通过转盘上方的灌装头与转盘同步旋转，灌装容器(玻璃瓶或塑料瓶)放置在转盘上各工位的定位
33、夹具上，啤酒通过转盘上方的灌装头对灌装容器完成定量灌装过程。图13为啤酒灌装设备工作示意图。 在图13中，转盘旋转一周的过程中，共分为6个工作区域：由进瓶出瓶拨轮机构尺寸决定的无瓶区、瓶子上升及下降的区域、灌装阀门打开及关闭的区域、对瓶子灌装的区域，各区域占用的回转时间分别如图13所示。除灌装区所占用的时间属于工艺操作时间外，其他区域占用的时间都属于辅助操作时间。 与间歇回转分度式自动化专机的工序设计原理相似，工件(瓶子)经过灌装区的时间T4必须大于实际灌装操作所需要的时间t，这样才能保证对瓶子进行可靠的灌装。图13 啤酒灌装示意图 工件(瓶子)经过灌装区的时间T4为 T4-=/360n 其中
34、，T4工件(瓶子)经过灌装区的时间，min； n转盘的转速，rmin； 灌装区对应的角度(通常也称为灌装角)。 为了保证灌装工艺要求，上述时间T4必须大于实际灌装操作所需要的时间t，所以转盘的转速必须满足以下要求： /360n=t n=/360t知识点知识点5 5 提高提高连续回转式自动化专机生产连续回转式自动化专机生产效率的途径效率的途径 公式表明，连续回转式自动化专机的节拍时间TC，与工位数S、转盘转速n成反比，转盘转速越高、工位数越多，自动化专机的节拍时间就越短，也就是说自动化专机的生产效率越高，因此这两种方法都可以提高此类设备的生产效率。(1)提高转盘转速 提高转盘转速主要有两方面的问
35、题，一方面转盘转速提高，瓶子经过灌装区的时间就缩短，也就是瓶子允许的灌装工艺操作时间缩短，必须保证该时间能够完成所需要的灌装量；另一方面提高转盘转速后瓶子受到的离心力增加，也会降低瓶子的平稳性。 (2)提高转盘工位数 增加工位数S，意味着转盘直径随之增大，这不仅会使机器庞大、笨重，而且在转盘转速一定的情况下，还必须考虑瓶子自由放置在转盘上时受到的离心惯性力必须小于瓶子与转盘之间的摩擦力，否则瓶子就会沿其运动轨迹的切线方向抛出，降低瓶子的平稳性，影响正常工艺操作。但相对而言，克服这种影响要容易些，所以实际上目前此类设备正向提高工位数的方向发展。(3)采用高性能的灌装阀 据图13，灌装阀开阀、关阀
36、所占用的时间也直接影响灌装区的大小。如果提高灌装阀开阀、关阀的速度，减少灌装阀开阀、关阀所占用的时间，那么灌装角就可以增大，相应也就可以进一步提高转盘的转速，从而提高机器的生产效率。任务任务四四 自动化机械加工生产线结构组成自动化机械加工生产线结构组成及节拍分析及节拍分析 根据制造行业及工艺上的区别，自动化生产线具有很多类型，例如自动化机械加工生产线、自动化装配生产线、自动化喷涂生产线、自动化焊接生产线、自动化电镀生产线等。其中最典型的是以下两种：一种为自动化机械加工生产线，用于机械零件加工行业；另外一种为自动化装配生产线，用于各种产品的后期装配生产。以下主要介绍自动化机械加工生产线的结构组成
37、及节拍原理。 知识点知识点1 1 自动化机械加工生产线结构形式自动化机械加工生产线结构形式 自动化机械加工生产线主要从事零件的铣削、钻孔及其他类似的回转切削加工工序，主要应用于以下零件加工场合： 零件大批量生产 零件设计成熟 长期生产 需要多种加工工序 在上述场合，采用自动化机械加工生产线就可以显示出它的巨大优越性，例如：很低的人工成本、很低的制造成本、零件制造周期短、占用场地最少等。 在自动化机械加工生产线中，根据生产线结构形式的区别可以分为以下两种类型： 未设置内部零件存储缓冲区的自动化机械加工生产线 设置内部零件存储缓冲区的自动化机械加工生产线 上述两类自动化机械加工生产线的节拍原理存在
38、较大的区别，主要介绍未设置内部零件存储缓冲区的自动化机械加工生产线结构组成及节拍原理。 (1)未设置内部零件存储缓冲区的自动化机械加工生产线图14 典型自动化机械加工生产线结构原理示意图 结构组成 这种自动化机械加工生产线的基本结构原理如图14所示。 这种自动化机械加工生产线在机械结构上主要由以下三部分组成： 零件自动输送系统 单个的机械加工工作站(如自动机床) 控制系统 结构形式 自动化加工生产线通常可以采用多种结构形式。在场地有限的地方，采用直线形式的生产线可能场地不够，为了减少生产线占用的场地，或者当生产线长度太长时，可以按“L”形设计生产线，如图15所示。 如果生产线按“L”形排布时仍
39、然存在场地方面的限制，为了进一步减少生产线占用的场地，可以按“U”形设计生产线，如图16所示。采用这种形式的设计还有一个好处就是可以方便地在生产线上对工件进行换向，以加工工件不同的表面。图15 “L”形自动化加工生产线图16 “U”形自动化加工生产线 由于这种生产线上经常需要采用重复使用的随行夹具，为了避免随行夹具运输上的麻烦，生产线按矩形设计就可以很方便地实现随行夹具的自动循环，同时还可以设计专门的清洗工作站对随行夹具进行清洗，保证重复使用的随行夹具符合使用要求，如图17所示。采用这种方式既保留了直线形式的方便，又最大限度地减少了生产线占用的场地。图17 矩形自动化加工生产线 除上述形式外，
40、还有另外一种特殊情况，这就是直接将随行夹具固定连接在输送线上 (最方便也最常见的就是固定在链输送线的链条上)，随行夹具始终与链条一起在输送线的上下两部分之间循环。在上半部分输送线的上方设计各种加工工作站进行零件的加工，输送线的下半部分则将随行夹具送回到上方供反复循环使用。图18为其工作原理示意图。 这种输送方式也可以用于自动化装配生产线，在上半部分输送线的上方设计各种装配工作站进行零件的装配。 图18 上下输送型加工或装配生产线1张紧轮；2定位夹具；3分度机构； 4机架 (2)设置内部零件存储缓冲区的自动化机械加工生产线 前面介绍的未设置内部存储区的各种机械加工自动化生产线具有以下共同特点：
41、工作站之间的依赖性 这种生产线各相邻工作站之间的工序操作，只有前一台工作站的操作完成后工件才能经过输送线输送到相邻的下一台工作站进行操作，一旦其中一台工作站出现故障，则整条生产线都会停下来，给生产组织带来较大的损失。所以在这类生产线上，各台工作站及生产线控制系统的可靠性是非常关键的设计指标。 缺料现象 这是这种自动化生产线上会出现的一种现象，当某台工作站的工艺操作较简单、所需要工艺操作时间较短、上一台工作站又恰恰相反时就会出现这种现象。这时该工作站因为上一台工作站完成加工操作后的工件尚未输送到位，所以必须等待，机器处于待料状态。 堵塞现象 这是这种自动化生产线上会出现的另一种现象，与缺料现象刚
42、好相反，当某台工作站需要的加工时间较长、上一台工作站又恰恰相反时就会出现这种现象。这时该工作站的前方会排列堆积工件，而两台工作站之间的输送线间距是有限的，所以必须在输送线上设计相应的工件数量检测传感器，适当放慢上一台工作站放行工件的速度，避免过多的工件堆积。 为了解决上述问题，可以在上述生产线的输送线上设置一个或多个内部零件存储缓冲区，也就是增加某一工作站完成加工操作后零件临时储存的数量，其原理如图19所示。图19 设有存储缓冲区的自动化机械加工生产线示意图 设置内部零件存储缓冲区有以下好处： 设置内部零件存储缓冲区可以在生产线的一部分出现故障停机的情况下，另一部分仍然可以继续运行。因此通常将
43、内部零件存储缓冲区设置在容易出现故障的专机前后，一旦上述专机出现故障需要停机检修，则它前后的专机仍然可以正常工作。 内部零件存储缓冲区可以自动存储工件并自动向下一段生产线输送工件，起到临时仓储的作用。 提高某些特殊工艺所需要的老化时间。例如在喷涂及粘结工序中，需要足够的老化或固化时间才可以进行下一工序，内部零件存储缓冲区刚好可以起到这种作用，而不必对工件设置新的搬运及存储环节。 平衡各专机的节拍时间。它不仅在自动化生产线中可以起到这种作用，在手工装配流水线上同样如此。在手工装配流水线上各工位不可能具有相同的工序工艺操作时间，当工序工艺操作时间很短时设置内部零件存储缓冲区可以提高流水线的劳动生产
44、率。( (二二) )、 自动化机械加工生产线节拍分析自动化机械加工生产线节拍分析 为了使读者掌握最常用的自动化生产线节拍设计原理，这里只对普通的未设置内部零件存储缓冲区的自动化生产线节拍设计原理进行介绍，对于另一类设置有内部零件存储缓冲区的自动化生产线的节拍设计原理读者可以参考有关的资料。知识点知识点1 1 假设条件假设条件 在对这类自动化生产线的节拍原理进行分析之前，首先对它作以下假设： 这类自动化生产线的工序内容仅限于各种机械加工工艺，不针对各种产品装配工艺； 生产线上各台工作站的工序操作时间是固定的，尽管各工作站的工序操作时间不同； 生产线上不采用内部零件存储缓冲区，一台工作站完成工序加
45、工后的零件直接输送到下一台工作站。知识点知识点2 2 理论节拍时间及生产效率理论节拍时间及生产效率 通过对上述这类普通自动化生产线的工序特点进行分析，不难理解，这种自动化生产线的节拍构成原理与手工装配流水线的节拍原理是相同的，零件首先输送到第一台工作站，完成加工操作后以一个规律性的时间间隔向相邻的下一台工作站输送。每一台工作站都以一定的时间间隔向相邻的下一台工作站输送完成工序操作后的零件，这种时间间隔就是该台工作站的节拍时间。知识点知识点3 3 实际平均节拍时间及生产效率实际平均节拍时间及生产效率 在实际工程中，上述理论节拍时间及生产效率是最理想情况下的结果，实际情况是生产线不可能不出现因为故
46、障而需要停机检修的情况，例如： 专机上加工工具的失效与更换 工具的定期更换 专机上工装夹具的调整 电气元件及机械元件的失效损坏与更换 第一台专机就缺料 设备的定期保养等 这些情况下工作站及生产线需要全部停止运行，这样就降低了生产线的生产效率，所以生产线实际的生产效率都低于理论生产效率。实际平均节拍时间为 实际的生产效率为 其中， 自动化生产线的实际平均节拍时间，min件； Tc一自动化生产线的理论节拍时间，min件； F自动化生产线中每个节拍的平均停机检修频率，次循环； Td一自动化生产线每次检修所需要的平均时间，min次； Rp自动化生产线的实际生产效率，件h。 由理论节拍时间及实际平均节拍
47、时间可以得到生产线的使用效率 dCPFTTTPpTR60%100*PCTT 由于设备需要停机检修导致生产线的使用效率低于100%，使自动化生产线实际的生产效率往往大幅低于理论生产率。所以对于自动化生产线而言，设备的可靠性远比生产线的生产效率显得更为重要，这也是在生产线的设计及使用管理过程中需要对此仔细领会并高度重视的原因。下面通过一个实例进行说明。知识点1 自动化装配生产线结构组成 与自动化机械加工生产线不同的是，自动化机械加工生产线的加工对象是单个的机械零件，而自动化装配生产线主要从事产品制造后期的各种装配、检测、标示、包装等工序，操作的对象包括多个各种各样的零件、部件，最后完成的是成品或半
48、成品，主要应用于产品设计成熟、市场需求量巨大、需要多种装配工序、长期生产的产品制造场合。其优越性为产品性能及质量稳定、所需人工少、效率高、单件产品的制造成本大幅降低、占用场地最少等。 适合自动化装配生产线进行生产的产品通常为： 轴承、齿轮变速器、香烟、计算机硬盘、计算机光盘驱动器、电气开关、继电器、灯泡、锁具、笔、印刷线路板、小型电机、微型泵、食品包装等。 自动化装配生产线的结构原理与自动化机械加工生产线、手工装配流水线是非常相似的，只不过在手工装配流水线上的操作者是工人，自动化机械加工生产线上的操作者是各种工作站或自动机床，而在自动化装配生产线上则由各种自动化装配专机来完成各种装配工序。其结
49、构原理如图20所示。图20 典型的自动化装配生产线结构原理示意图 自动化装配生产线在结构上主要包括: 输送系统 各种分料、挡停及换向机构 各种自动上下料装置 各种自动化装配专机 传感器与控制系统 除此之外，经常还可能有部分人工操作的工序，用于代替技术上极难实现自动化或在成本上并不经济的装配工序，组成同时包括机器自动操作与人工操作的混合型自动化装配生产线。 (1)输送系统 输送系统通常采用各种输送线，其作用一方面为自动输送工件，另一方面为将各种自动化装配专机连接成一个协调运行的系统。输送系统通常都采用连续运行的方式。最典型的输送线如： 皮带输送线 平顶链输送线等 通常将输送线设计为直线形式，各种
50、自动化装配专机直接放置在输送线的上方。自动化专机及输送线都是在各种铝型材的基础上设计制造出来的，经过调试后，通过专用的连接件将自动化专机与输送线连接固定，使它们成为一个整体。 (2)各种分料、挡停及换向机构 工件的分隔与暂停，由于工件是按专机排列次序经过逐台专机的装配直至最后完成全部装配工序的，通常在输送线上每台专机的前方都先设计有分料机构，将连续排列的工件分隔开，然后再设置各种挡停机构，组成各专机所需要的工件暂存位置。工件到达该挡停暂存位置后，经过传感器确认后专机上的机械手从该位置抓取工件放入定位夹具，然后进行装配工艺操作。最后由专机上的机械手将完成装配操作的工件又送回输送线继续向下一台专机
