汽车后视镜转向器的自动装配线规划设计

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1　概述

　　在产品的制造过程中，产品的加工和装配是两个主要的环节。为适应现代敏捷制造的特点，人们已研制成功多种自动化程度高、柔性好的产品加工生产线。而产品装配的自动化水平却很低，研制的自动化装配线适用面窄且成本较高。为增强产品的竞争力，提高产品装配的自动化程度的同时降低装配的成本已势在必行^［1］。
　　在国外，自动化装配单元和自动化装配线的理论已比较系统^{［2］［3］}，而且各种自动化装配技术已广泛地应用于汽车、电子、电器等行业。国内对装配自动化也展开了大量的研究，典型的自动化装配线有自行研制的吊扇电机自动装配线和引进的录象机机芯自动装配线^{［4］［5］}。前者的装配对象相对简单，而后者的生产线成本很高。如何在复杂装配对象上合理处理自动化程度高和装配线成本低之间的矛盾，仍是困扰自动装配技术实用化的一个主要问题。
　　本文以汽车后视镜电动转向器为装配对象，力图研制一条自动化程度较高而成本较低的装配线。汽车后视镜电动转向器结构紧凑，装配关系复杂。为完成该产品的装配，需要解决多种细小零件和不规则形状零件的定位、定向、送料、夹持和装合等问题。为合理兼顾装配自动化和装配成本两方面的要求，整个线体分成一条主线和一条子线。其中，主线完成主要的装配任务，子线完成很少量的装配任务。由于子线分布在主线的两端，便于整个线体的结构调整和协调控制。

2　汽车后视镜转向器的主要结构

　　汽车后视镜转向器的主要结构如图1所示。按装配关系，整个结构大致可分成4个组件。组件1是电机套筒组件，该组件包括电机套筒、齿条、减速器、摩擦圆盘、弹簧片和电机。组件2是旋动球体组件，包括电机套筒组件、旋动球体和定位套筒。组件3是球体套组件，包括球体套和杠杆。组件4包括后盖、导电插片和防尘套在内的其他零件。

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图1　汽车后视镜转向器的结构图
1.电机套筒　2.齿条　3.电机　4.弹簧片　5.摩擦圆盘
6.减速器　7.旋动球体　8.定位套筒　9.杠杆　10.球体套
11.后盖

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3　汽车后视镜转向器的装配工艺分析

3.1　装配序列分析
　　在分析汽车后视镜转向器的装配顺序时，减速器作为一个完整的部件参与装配。此时，汽车后视镜转向器的自动装配顺序如下：
　　工序1：齿条插入电机套筒
　　工序2：电机套筒中注油
　　工序3：减速器装入电机套筒左侧
　　工序4：减速器装入电机套筒右侧
　　工序5：减速器上加油
　　工序6：摩擦圆盘放入电机套筒左侧
　　工序7：摩擦圆盘放入电机套筒右侧
　　工序8：弹簧片装入电机套筒左侧
　　工序9：弹簧片装入电机套筒右侧
　　工序10：斜向压嵌电机入电机套筒左侧
　　工序11：斜向压嵌电机入电机套筒右侧
　　工序12：电机试走
　　工序13：电机套筒组件压入旋动球体
　　工序14：旋动球体上安装三个定位套管
　　工序15：杠杆插入球体套
　　工序16：球体套组件压入旋动球体组件
　　工序17：旋动球体上安装两个导电插片
　　工序18：压入后盖
　　工序19：安装防尘罩
　　工序20：后视镜成品的测试和检验
3.2　复杂装配动作分析
　　在汽车后视镜转向器的装配过程中，除了普通的轴孔装配和压入装配外，还有一些复杂的装配动作，包括斜向压嵌装配、多轴孔装配和变形装配。
3.2.1　斜向压嵌装配
　　在将电机斜向压嵌入电机套筒的过程中，存在斜向压嵌装配的动作。斜向压嵌装配的过程(如图2所示)可简单描述如下：1)轴的B端斜向插入一个孔，A端处于自由状态；2)轴的A端继续运动，与侧壁相碰；3)轴的A端插入另一个孔；4)轴在孔中的运动受到约束，装配动作结束。实际装配中，作用力持续施加于轴上。由于侧壁对轴的阻力较小，轴被推入孔中。而孔对轴的阻力较大，将阻止轴的进一步运动。在装配过程中，通过设定力的阈值，来控制不同阶段施加的作用力的大小。

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图2　斜向压嵌装配动作简图

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3.2.2　多轴孔装配
　　在将电机套筒组件压入旋动球体的过程中，存在多轴孔的装配动作。多轴孔装配动作可用图3所示的两孔装配来说明。为了使各轴孔相应地准确配合，各对轴孔间正确的位置关系应严格保证。在本装配中，以旋动球体上的三个孔作为定位孔和抓取孔，而且在定位夹具和抓取手爪上都设计有推板装置，通过定位销和抓取销之间的准确配合来保证轴孔间的正确配合关系。

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图3　多轴孔装配动作简图

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3.2.3　变形装配
　　在将杠杆装入球体套的过程中，存在变形装配的动作。在装配中，需先将球体套适当变形，然后才能插入杠杆。变形装配的过程(图4)可简单地描述如下：1)使球体套变形；2)插入杠杆的一端；3)使球体套恢复原样，同时套入杠杆的另一端。在实际实现时，通过采用特殊设计的夹具，使球体套变形，同时将杠杆插入球体套中。当球体套恢复原形时，杠杆套入球体套中，装配动作结束。

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图4　变形装配动作简图

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4　汽车后视镜转向器装配线的规划设计

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4.1　装配线的总体布局
　　由于装配工位较多，为方便增加、调整工位及处理装配中的突发事故，整个装配线呈环形布置。装配线分主线和子线，共设18个工位。工位2～工位13是主线上的工位。工位15～19作为人工子装配线，布置在环形的首尾两端。整个装配线的线体布置简图如图5所示。

图5　装配线总体布局图

4.2　装配线的生产节拍及生产率
　　在理想情况下，每个工位都能正常动作。装配线的生产节拍为13.5秒。如每天生产8小时，一年中有360天正常生产，则年产量为76.8万件。
4.3　装配线的主要设备选择
4.3.1　输送线及工装夹具
　　由于传送的物料较轻，主输送线和子输送线均采用环形的皮带输送线。在子线上，利用皮带的摩擦力传送物料。在主线上，物料传送使用特殊设计的工装板。工装板上设有两个区域：一个区域上的夹具以电机套筒的三个孔为定位基准，用于夹持电机套筒组件；另一个区域上的夹具以旋动球体的三个孔为定位基准，用于夹持旋动球体组件。各夹具上均设有推板装置，便于工件上下夹具。
4.3.2　送料装置
　　由于各零部件的形状很不规则，装配中定位定向很困难。对于多数零部件，采用特殊设计的料仓式送料，包括：用于摩擦圆盘送料的导料筒、用于弹簧片送料的导料槽、用于电机送料的斜面、用于球体套送料的导料槽、用于杠杆送料的托盘等。对少数形状较规则的零部件，则采用振动送料器送料，这些零件包括减速器和定位套筒。
4.3.3　装配机
　　为降低成本，选用装配机时主要根据需要采用自制的简单机械手。在工位1-2、4、6-7、10-11、13，由于装配动作只需要两个移动自由度，故选用2P机械手。同样，在工位14选用PR机械手。在工位8，由于装配动作比较复杂，故选用有六个自由度的MOTOMAN机器人来完成装配任务。在工位9和工位13，装配任务较多，每个装配工位都构成了较复杂的装配单元，对其中的装配机都进行了特殊的设计。
4.3.4　末端夹持装置
　　在装配中，很多零件的尺寸和装配空间都很小，对这些零件，需要采用特殊设计的末端夹持装置。本装配中自行设计的末端夹持器包括：夹持减速器的3指手爪、夹持弹簧片的针爪、夹持摩擦圆盘的内撑式手爪和夹持定位套筒的内撑式手爪。对于尺寸较大而且装配空间较大的零部件，则采用常见的平行手爪。这些零部件包括电机、电机套筒和各个组件。另外，特殊设计的部分末端夹持器具有一定的柔顺性，以满足柔顺装配的需要，如夹持电机、旋动球体和杠杆的末端夹持器。

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5　结论

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　　本文在分析汽车后视镜转向器的装配工艺的基础上，对该转向器的自动装配线进行了详细的规划设计。在分析装配工艺时，深入地分析了涉及的复杂装配动作。设计的装配线中，由于采用了多项实用化措施，兼顾了对自动化程度高和对生产线成本低的要求。整个方案易于在工厂实现，并对其它产品的实用化装配线设计具有很好的参考价值。