微波感应器组装自动化产线前端上壳单元结构设计

赵健州 陈文聪 梁志攀 张红梅

摘要：根据企业所提出的需求为设计目标，对微波感应器上壳自动化组装进行了功能需求分析和组装工艺分析，在分析结果的基础上进行了工艺流程的规划、工位布局的设计以及关键工位机构的设计，通过选型手册对关键零件进行计算分析。经过工艺流程和工位布局的分析，把微波感应器上壳自动组装设备设计成6个工序以及与之配套的6个工位，包含上壳上料、取料、夹取和 PCB 板夹取、检测、组装，在设计时把6个工位又划分为3个模块，送料模块、输送模块和组装模块，使设计更加清晰和简洁，最终使该自动组装设备能够实现上壳组装的全自动化，满足企业生产制造需求。该设计方案具备维护简单、通用性强、设计简便等优点。关键词：自动化;功能需求分析;组装工艺分析;机构设计

中图分类号：TP211             文献标志码：A

文章编号：1009-9492（2021）12-0112-06                          开放科学（资源服务）标识码（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

隨着自动化技术的发展及生产制造行业装配工人的缺乏，生产制造自动化需求日益剧增[1]。特别是电子产品组装行业，组装工序复杂，产品种类繁多，要真正实现全自动化生产组装相当困难。因此在实际应用过程中，往往会对产品工艺进行剖析，按工艺要求逐步实现自动化，在满足效率的同时不浪费设备制造成本。因此，分析产品生产制造工艺流程并转化为相关的自动化技术是解决自动化生产的首要任务。微波感应器是一种广泛应用于各种智能产品的传感器，例如智能空调遥控器、智能节能排插、智能感应路灯等[2]。随着人们对智能化的需求和节能减排的意识提高，微波感应器的需求在不断增加。但是市面上用于微波感应器上壳自动组装的设备比较稀缺，所以目前微波感应器的上壳组装的自动化程度不高，主要还是采用人工组装的方式。

国内对外壳体自动化组装做了大量研究，其中段海峰等[3]基于工业机器人的开关柔性组装自动化系统设计，以 MD1位单开开关壳体中开关铜件和壳体组装为例，研发和设计了一套开关铜件和壳体组装工序的自动化系统;曹志全等[4]变速箱壳体类零部件组装技术开发和应用，以6速自动变速箱为例，介绍了变速箱壳体类零部件组装和控制;马维丽等[5]聚合反应器内冷管组与壳体的组装，介绍了聚合反应器内冷管组与壳体的组装过程，采用滑车工装，使内冷管组顺利穿进壳体。上述文献虽然都涉及到壳体组装，但是没有涉及到类似3C电子产品这种工艺复杂、组装精度高的自动化装配技术，因而针对工艺复杂、组装精度高的产品，要实现全面自动化组装仍存在一定问题。

本文以微波感应器自动化组装线中的上壳自动化组装为设计目标，设计其自动组装过程中上壳供料、取料、矫正和装上壳工序，并且完成各个工序对应工位的运动结构设计，实现了感应器上壳自动组装。实现自动化装配将会带来以下好处，一是保证产品质量的同时也提升了产品的生产效率;二是有效应对我国人口红利减少的问题，缓解企业招工难的问题，降低人工成本使得产品在价格上更加有竞争力;三是实现装配的自动化可以避免工人由于长时间的动作重复引起的一些健康问题。

1 工艺流程与整体结构设计

1.1 功能需求分析

微波感应器主要有3个部分组成。如图1所示，分别是上壳、PCB板、下壳。该结构是整一条生产线的一部分，根据企业的要求该结构设计的设备主要完成的功能是微波感应器上壳组装。除此之外还需实现上壳供料、上壳输送、PCB板输送、整理电阻等工序。其中将 PCB板准确地放在输送线上的指定位置和将位置不对的电阻整理好是难点。

1.2 组装工艺分析

组装工艺的好与坏将影响着微波感应器的质量、寿命、性能等各个方面，工艺路线设计合理能够使组装过程流畅有序地进行，能够最大限度地发挥设备的功能，为此需要对微波感应器的上壳组装工艺作出详细地分析。

（1） 上壳组装过程的定位。在组装过程中必须建立参考平面，并且在组装过程中应尽量减少组装零件的位置变化。在通常的情况下将大面积或表面光洁度高的平面作为参考表面，并设计好夹具的组装表面和导向表面。在组装过程中，组件在机械手和传送带的作用下自动组装到不同的工位[6]。组件在组装时的每一次位置的变化都会造成定位误差。因此，在设计流程时，应该减少位置上的变动，简化了组装机的驱动机构，从而提高了组装精度。

（2） 上殼安装的平稳性。由于 PCB板上有较多的电子元件，如果将上壳直接安装在 PCB 板上可能会导致 PCB板上的电子元件被压坏并且上壳也会产生变形，这样既影响产品的功能也影响产品的美观，所以上壳安装时需要与 PCB板形成一定的角度保证安装的平稳性。

（3） PCB 板的检测。PCB 板是由5块连在一起为一组的，所以在上料时会经过一个分板的工序，在这个过程中由于外力的影响会导致 PCB板上的电子元件的位置产生偏移，所以在 PCB板输送的时候需要加上一个 CCD 检测的工序，保证 PCB板上的电子元件位置的正确以便于后续的上壳安装顺利进行。

（4） 组件的定向。在上料的时候有一个关键步骤就是零件的自动定向[7]。多数形状规则的装配件可以实现自动给料和自动定向，少数关键、复杂件由于自动给料、定位较难，可参照以下方法：①概率法：零件自由落下呈各种姿态，将其送到分类口，分类口按零件的几何形状设计，凡是能通过者，其姿态为正确方位。②极化法：利用零件的质量和形状上的差异性，达到了定向排列的目的[8]。

（5）组件的定位。为了确保上壳和 PCB板在输送过程中位置正确，需要在皮带机上加装定位用的治具，这样可以便于上壳组装机构的对上壳进行抓取，同时也能够保证组装过程顺畅。

1.3 工艺流程设计

根据1.2节对于上壳组装设备需求的分析，实现微波感应器的自动化组装需要对上壳供料、取料、输送、夹取、CCD检查等工序进行设计，所以，对于微波感应器上壳组装设备的工艺流程如图2所示。

（1） 上壳供料工序。供料箱的上壳通过提升机构输送到振动盘中，振动盘将杂乱的上壳进行排序输出。

（2） 上壳取料。取料机构将排好序的上壳通过吸盘吸取的方式输送到皮带机上。

（3） 上壳夹取。皮带机将上壳输送到指定位置，传感器感应到物料，上壳夹取机构通过气爪将上壳夹紧。

（4） PCB板夹取。机械手连接的手指气缸将 PCB板夹取到同步带的治具上[9]。

（5）视觉检测。PCB在同步带输送的过程中经过摄像机的检查，对错位的电阻和指示灯进行校正。

（6）组装。PCB板输送到一定的位置后，被传感器检测，上壳夹取机构将上壳安装到 PCB板上。

本文研究的是微波感应器上壳的自动化组装，所以，重点研究上述工序中的上壳夹取、PCB 板夹取、 CCD检测工序和组装工序。

1.4 工位布局设计

在1.3节中关于微波感应器上壳组装的过程，一共设定了6个工序步骤，为了实现微波感应器上壳组装工序的自动化，为此设计了6个工位。具体的工位布局如图3所示。

各工位设计如下。

（1） 上壳供料工位。在 A 工位上利用提升机和振动盘实现上壳的供料[10]。

（2） 上壳取料工位。在 B 工位上设计一个取料机构实现上壳取料的工序[11]。

（3） 上壳夹取工位。在 D 工位上利用皮带机将上壳输送到指定位置。

（4） PCB板夹取工位。在 E 工位上设计一个上壳夹取机构，实现上壳夹取与安装的工序。

（5）视觉检测工位。在 F 工位上设计一个电阻和指示灯的整理机构，并且机构上附有摄像头实现视觉检测。

（6）组装工位。在 G 工位上完成微波感应器上壳的组装。

1.5 总体结构设计

经过上述的工艺流程和工位布局分析，设计了六个工序以及与之配套的六个工位。为了使本课题设计的微波感应器上壳自动组装设备能够实现上壳组装的全自动化，因此选用模块化设计的方法。此方法具备以下的优点。

（1） 方便维护。由于采用模块化的设计，各个模块是相对独立的，因此在维护时方便拆卸与维修[12]。

（2） 通用性。所设计的机构可以为日后功能的拓展提供基础，或者通过替换某一模块实现新的功能。

（3） 便于设计。模块之间的相对独立性使得设计的时候每个机构的关联性不大，方便后期修改[13]。

本文将微波感应上壳自动组装机分成了3个模块，各个模块的分析如下。

（1） 送料模块。该模块的主要工作是完成送料工

序，利用链轮和链板组成提升机完成上壳的提升，利用吸盘完成对上壳和 PCB板的夹取。

（2） 输送模块。该模块的主要工作是完成上壳和 PCB 板的输送工序，对于上壳的输送采用皮带机输送，对于 PCB板的输送采用同步带的输送方式并且同步带上带有固定 PCB板的治具。

（3） 组装模块。该模块的主要工作是完成组装工序，采用机器视觉技术完成对 PCB板上错位电阻的整理以便于后续组装，上壳组装机构装有旋转气缸，在组装时与 PCB板形成一定的角度方便安装。

综合上述各种分析，本文主要研究的微波感应器上壳组装模块经软件的三维建模后的模型如图4所示。

2 关键工位结构设计

2.1 上壳供料工位

2.1.1 上壳提升机构

上壳供料工位是送料模块中不可或缺的一个部分，主要有上壳提升机和振动盘组成。上壳提升机的三维模型如图5所示，由于上壳是采用全自动组装的方式，所以提升机需要有一个储存上壳的功能，故在提升机上加装一个储物箱，尺寸为600 mm×700 mm×420 mm 。由于上壳提升对传动的平稳性要求不高，故对于上壳提升机的传动方式选用链传动的方式。链传动相比于带传动有以下的优点：链传动不会出现弹性滑动和打滑的现象;传动比稳定;需要的张紧力不大;对于轴的压力小可以减少轴承的磨损;对工作环境要求不高等。在链节上装上链板以此带动上壳往上提升。

2.1.2 上壳出料机构

因为上壳提升机不具备对物料排序的功能故需要在上壳提升后安排一个排序的工步。排序不外乎两种方式，一是人工排序，二是机器排序，由于微波感应上壳的组装是采用全自动的方式，故对于上壳的排序采用机器排序的方式。目前的自动化生产线一般都是采用振动盘上料。采用振动盘有以下的优点：物料自动排序、减少操作失误、加快生产速度等。由于有专门设计生产振动盘的企业，故可以直接购买振动盘。

2.2 上壳取料工位

上壳经过振动盘排序后需要放到皮带输送机运输到上壳组装工位上，因此需要一个机构将排序好的上壳夹取到皮带输送机上。所以设计了上壳取料机构完成这一个工序，如图6所示。底板、导轨台和支撑架是整个机构的框架，为了方便直线导轨的定位安装，直线导轨上预留有用于安装定位的凸台。该机构需要完成 X 轴和 Z 轴上的动作，在 X 轴方向的采用的是伺服电机、滚珠丝杆和直线导轨的组合来实现 X 轴方向的往复运动，直线导轨上的滑块和滚珠丝杆的滑块通过气缸安装板连接在一起，以滚珠丝杆滑块的运动带动直线导轨的滑块的运动[14]。在 Z 轴方向的运动则是采用气缸来实现，为了避免上壳在 X 轴方向上运动是发生转动，故所用的气缸为双杆气缸。而上壳取料的动作则是通过吸盘来完成，由于上壳重量不大，故只需要一个吸盘即可。

2.3 上壳组装工位

当上壳经过皮带输送机输送到上壳组装工位时需要将上壳夹取至 PCB板的上方进行安装，因此需要设计一个上壳组装机构来完成这一工序，如图7所示。机构主要由直线模组、气缸和一些钣金支架组成。此机构需要完成在 X 轴和 Z 轴的移动和 XZ 平面的转动。由于直线模组具有单体运动速度快、重复定位精度高、本体质量轻、占设备空间小、寿命长等特点，所以在 X 轴和 Z 轴方向上的移动均采用直线模组来实现[15]。而对于XZ 平面的转动，根据2.2节的组装工艺分析，微波感应器上壳组装时应该与 PCB板形成一定的夹角以此来避免因为上壳的直接安装而可能造成的 PCB板上电子元件的损坏以及上壳的变形。为此该机构选择安装一个旋转气缸来解决这一个问题。在上壳移动到 PCB板上方的过程中，旋转气缸会将上壳旋转到与 PCB板形成指定的夹角从而进行安装。而对上壳的夹取则采取的是平行开闭型的气爪。

2.4 PCB板检测工位

根据1.2节的组装工艺分析可知，PCB板是由5块连在一起为一组的，所以在上料时会经过一个分板的工序，在这个过程中由于外力的影响会导致 PCB板上的电子元件的位置产生偏移，圖8所示为正常的 PCB 板， PCB板上的电子元件会出现偏移。所以在 PCB板输送的时候需要有一个可以对 PCB板进行检测并矫正电子元件的机构。

为此设计了 PCB板整理机构来完成这一工序，如图9所示。该机构主要由直线模组、摄像头和一些钣金件组成。由图可以看出来 PCB板整理机构主要是通过一些钣金件连接而成的，选用了3个直线模组来实现 X 轴、Y 轴和 Z 轴方向上的移动。在 Z 轴方向上的直线模组附带了一个用于视觉检测的摄像头和用于校正电子元件的气爪，PCB板在输送的过程中会经过这个摄像头，当视觉系统检测到电子元件错位的 PCB板时，直线模组就会开始工作，调整好气爪的位置进行 PCB板的校正。

2.5 PCB板输送线

PCB板输送线的主要功能就是将经过分板的 PCB板输送到组装的位置，如图10所示。PCB板输送线采用的是同步带输送的方式，主要由同步带1、同步轮5、电机3、和轴承座6等零件组成。根据2.2节的组装工艺分析，PCB板在输送的过程中需要定位，故需要在同步带上加装用于 PCB板定位的治具。该治具的定位原理：由于 PCB板底下有突出的引脚，所以可以设计出形状与下壳一致但尺寸比下壳尺寸略小的治具，利用这些引脚进行定位。当 PCB板输送到指定位置后红外传感器就会检测输送线就会停下进行上壳的组装。

由上壳供料工位、取料工位、组装工位、检测工位和输送工位的结构设计得知，微波感应器上壳自动组装机主要采用了电机、气缸、丝杆等元器件作为整台设备的动力源，而对这些元件的选型将会影响着设备的使用寿命、生产效率、日常维护等各个方面。故第3章节将对这些元件进行选型计算。

3 关键部位的选型计算

3.1 滚珠丝杆

在上壳取料机构的三维模型中由 SolidWorks中的质量属性测得该机构丝杆的执行部分质量为2.46 kg ，要求丝杆在 Y轴方向上的移动距离为200 mm 。电机采用的是三菱的 HF-KN23J-S100系列伺服电机，电机最大的转速为4500 r/min ，与丝杆直连，故传动比为1，在 Y轴方向上最大的移动速度为100 mm/s ，即6000 mm/min 。由上述数据得出滚珠丝杆的导程为：

根据实际要求取 Ph=10 mm即可满足要求。

根据产品的选型手册可知，一般而言线性导轨的摩擦因数约为0.004，结合各种因素考虑取导轨的摩擦因数为0.008，则导轨的静摩擦力为：

式中：M 为丝杆执行部分的总质量2.46 kg;F 为导轨滑块的密封阻力，有4个滑块，每个滑块的密封阻力为10 N。

由于上壳取料机构运行的阻力主要是来自于导轨和滑块的摩擦力，所以将该机构的运行速度看作接近匀速，则有：

nmax ≈nmin =60 v/Ph =600 r/min

Fmax ≈Fmin ≈F0=40.02 N

滚珠丝杠的当量载荷：

Fm = ≈F0=40.02 N

滚珠丝杠的当量转速：

n = nmax + nmin =600 r/min

按照预期工作时间计算额定动载荷：

Cam =3 ? =264.28 N

式中：nm 为当量转速，nm=300 r/min;Lh 为预期的工作时间，取8000 h;fa 、fc、fw 分别为精度系数、精度系数、可靠性系数，查产品手册分别取fa=1、fc=1、fw=1[16]。

按照预期运行距离计算额定动载荷：

式中：Ls 为预期运行距离。

按照预加最大轴向负载计算额定动载荷： Cam =fe Fmax =268.134 N

式中：fe 为预加负荷系数，轻载时，选择fe=6.7。

在 Y轴方向上的重复定位精度要求0.01 mm ，则最大允许轴向变形量δm：

δm ≤1/4×0.01 mm =0.0025 mm

该机构在 Y轴上的运行距离为200 mm ，由此可以计算出两个固定支座的最大距离：

L ≈（1.1～1.2）?l +（10～14）?Ph =380 mm

丝杆的安装方式为两端轴向固定，计算丝杆螺纹底X：

d2m ≥0.0391 0δ（L）m =3.04 mm

根据上述计算结果选择怡合达官网上的 LCH02-12-10-L330滚珠丝杆，导程10 mm，轴径12 mm，精度等级7级。

3.2 伺服电机

在 SolidWorks中测得上壳取料机构负载的总质量M=2.46 kg ，由计算结果选出的滚珠丝杆可知导程 Ph=10 mm，质量 m=0.44 kg ，取摩擦因数μ=0.2，机械效率η=0.9。该机构设计的运行速度为6 m/min ，加减速时间 t1=t3=0.2 s，禁止时间 t4=0.3 s。

重物折算到电机轴上的转动惯量：

Jw =M ?（Ph /2π）2=0.0614 kg ? cm2

螺杆转动惯量：

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

总负载惯量：

JL = JW + JB =0.1406 kg ? cm2

电机所需转速：

n =v/Ph =600 r/min

克服摩擦力所需转矩：

Tf =M ? g ?μ? Ph /2π/η=0.087 N ? m

重物加速时所需要的转矩：

TA1=M ? a ? Ph /2π/η=0.0021 N ? m

螺杆加速时所需转矩：

TA2= JB α/η=0.0027 N ? m

加速所需總转矩：

TA = TA1+ TA2=0.0891 N ? m

伺服电机额定扭矩 T>Tf且 T >Trms ，伺服电机最大扭矩 Tmax>Tf +TA[17]

最后选择三菱的HF-KN23J-S100系列电机。额定输出功率200 W ，额定转矩0.64 N ·m ，额定转速3000 r/min，最大转速4500 r/min。

3.3 联轴器

电机与滚珠丝杆的连接需要用到联轴器，而目前的联轴器多为标准件，故下面将进行联轴器的选型计算。3.3.1  选择联轴器类型

电机与滚珠丝杆之间的联轴器选用膜片式联轴器，膜片式联轴器结构比较简单和紧凑，不需要润滑，能够弥补电机与滚珠丝杆之间由于制造误差、安装误差、承载变形以及温升变化等影响所引起的轴向、径向和角度的偏移，维护也比较方便[18]。

3.3.2 载荷计算公称转矩：

T =9.55×106 =424.4 N ? m

计算转矩：

Tca =KA ? T =636.6 N ? m

3.3.3 选择联轴器

根据上述计算得出的转矩选择米思米公司的 MC? SSC32-8-14。容许扭矩5 N ·m ，静态扭矩刚度1400 N · m/rad ，最高转速4000 r/min ，质量53 g。

4 结束语

本课题的目的是完成微波感应器自动化产线中上壳自动组装设备的设计，为此开展了以下的设计工作。

（1） 以企业提出的微波感应器上壳自动组装为设计目标，结合微波感应器的结构特点和自己对设备的理解，对设备进行了功能需求分析、组装工艺分析、工艺流程的设计以及工位布局的设计。

（2） 根据功能需求分析和组装工艺分析进行对设备中各个机构的设计，为了满足设备的功能需求设计了上壳取料机构、上壳安装机构、PCB板检测机构、PCB输送线。

（3） 对机构设计中所用到的伺服电机、滚珠丝杆和联轴器等标准件进行选型计算，选出合乎标准的型号。

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第一作者简介：赵健州（1985-），男，广东肇庆人，大学本科，工程师，研究领域为工业自动化技术应用及其产业化推广。

※通讯作者简介：陈文聪（1999-），男，大学本科，研究领域为机械设计制造及其自动化。

（编辑：刁少华）