自动化设备设计方案的机械实现

邹建生   广东利元亨智能装备有限公司

　　摘要：随着现代生产制造环境的变化和自动化技术的飞速发展，最重要的是电子产品生产周期的缩短、计算机科学和人工智能的发展，自动化设备的成本在不断降低。自动化智能制造不但成为必须，更成为可能。设计自动化生产制造设备，最关键是确定合适的设计方案。而如何从技术上实现自动化制造设备的方案，成为一个古老又新奇的课题。本论文提出了从人工操作到自动化机械操作的转换基础、机械实现方法、成本和风险评估。

　　关键词：自动化设备、设计方案、机械设计、机械实现

一、为什么要“自动化”？

1.现代生产制造环境的变化和自动化的成本降低

目前，现代生产制造尤其是电子产品的生产制造环境正发生如下改变：

1）人工成本不断提高；

2）新一代工人不愿意从事重复的、枯燥的产线工作；

3）计算机和人工智能的发展，直接导致了自动生产线的重要组件机械手和机器视觉系统的成本降低；

所以，与手动操作比，自动化操作的成本已变得有竞争力了。

2.产品生产周期的缩短及其对自动化组装的要求

制造环境改变的另一个方面是产品寿命/生产周期的缩短。某些消费电子周边产品甚至只有6个月的生产周期。这些产品必须尽量缩短试制和市场推广时间，以求比竞争对手更早投放市场，以保证利润空间。不但要求自动化生产线低成本，而且可以迅速调整、转型，以适应生产不同种类的短周期新产品的需要。多数自动化生产线的主要配件是市场上可以买到的标准件、通用件，如机械手、电机、传送带、导轨等。只有诸如机架、治具、夹手和控制软件等才需要按产品定制。这就是所谓的柔性自动线。快速组建和灵活搭配正是柔性自动化生产线在消费电子行业中得以广泛采用的原因。

3.自动化的优势

自动化的优势在于：高品质的产品；品质的稳定性更好；更少的隐藏、未知的缺陷。原因在于：

1）机器更擅长做重复性的工作，也就是重复精度高。

2）同十年前比较，机器视觉的发展使其有能力监控整个组装过程，确保每一个步骤都得以正确完成。甚至可以将每个工序的结果、数据记录在案，使生产过程可以追溯。

4.自动化组装/生产的目标

实际上，创建一个100%自动化的工厂并不是自动化的目标，尽管这样用来做宣传和商业推广似乎比较有吸引力。自动化的目标是更低的制造、装配成本，稳定、持续的高品质产品。所有的参数、方法都是为了实现这一个目标。对于某些工序来说，人工操作可能更胜于自动化操作。如何分析、对比、选择呢？简单来说，我们需要找到成本、效率、品质、员工满意等等之间的平衡。

二、人工操作—自动化的转换基础

将人工操作，转换为自动化机械动作，要研究如下几个问题：

1.动作分解—方案的形成

    首先，所有的机器、设备的方案的形成都是来源于模仿人、生物的动作，并对动作进行具体分解。 比如各种洗衣机都是模仿古老的洗衣方法：波轮洗衣机模仿搓衣板洗衣法；滚筒洗衣机模仿拍打洗衣法；瀑布流洗衣机模仿流水冲刷的洗衣方法。再比如，车床、铣床、刨床的切削方法都来源于古老的人工去除材料的方法：使用锐利而坚硬物体切入物体表面再做相对运动以去除材料。

2.设备方案的机械实现—方案的实现

    一台机械设备的设计方案形成了还不够，还需要考虑其是否能用目前的机械、控制、电子技术来实现它。设备方案的机械实现包括：

1）直线移载动作的机械实现

皮带线传送；气缸；液压缸；伺服电机+滚珠丝杠；电机+连杆机构，即曲柄滑块机构；电机+凸轮机构；链条传动（倍速链、平顶链、悬挂链，非普通滚子链）；滚筒线；滑轮；倾斜滑道；伺服电机+同步带；电动缸直接驱动；分割器带动链条、皮带等实现间歇的直线运动；齿轮齿条；吹气法；直线振动送料器；磁吸法。

2）旋转动作的机械实现

旋转气缸；电机+皮带带动皮带轮或链条；电机+减速器；曲柄滑块机构（如汽车发动机）；滑轮；伺服电机+同步带；齿轮+齿条；水车；

3）圆周间歇分度运动的机械实现

棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；凸轮间歇运动机构；DD马达

4）零件联接（连接）的机械实现

铆接；销钉联接；螺纹连接；压入（过盈联接）；塑料卡扣连接；塑料的超声波熔接（焊接）；塑料的热板焊接；点胶；贴膜；金属焊接；电弧焊-Tig焊接，Mig焊接；钎焊；电阻焊；激光焊接

5）切除材料和改变形状的机械实现。

车、钻、铣、刨、磨等切削方法；拉、墩粗、冷热挤压、轧、锻；冲、剪、折弯等；拉丝，抛光等

3.设备方案的控制/电气实现—方案的实现

如前所述，一台机械设备方案形成了，还需要考虑其是否能用目前的机械、控制、电子技术来实现它。除了上述机械实现方法，控制、电气方面的实现也是很重要的。在真正的工程实践中，实际上我们在考虑、形成设计方案的每一步时，都必须同时考虑机械实现方法和控制/电气实现方法。前者，如同人的骨架和血肉，后者如同人的大脑、五官和神经。哪一样无法实现，整个方案都必须作废。

4.全自动化组装设备方案的逻辑思维

全自动化的设备从功能方案来说，除了要有上面说的那些动作执行功能的实现，还需要对物料进行处理，即上料、送料、分料、传料等。这也是自动化设备同半自动化设备的根本区别。上料、送料、分料、传料、动作执行、动作方式不但是自动化设备的方案要素，更是其逻辑思维方式。我们要考虑对一个产品进行自动化制造或装配，必须按这个逻辑思路来考虑其设计方案。

5.典型的自动化组装线方案

典型的自动化组装线方案可能包括如下13个模块的集中或全部：

供料（喂料）；送料；组装；点胶；打螺丝；工件变形、加压；焊接；铆接；测试；移除废料；下料；包装。

6.方案图的画法

我们用各种形状的图形、箭头等来表示各种机械动作、功能，不同公司有各自的默认方法。的确有类似的国家标准和国际标准，但无普及使用。

7.动作时序研究

研究自动化机械设备的方案的具体动作时序，可以分析不同方案的CT和LT，以分析设备能力和可靠性，有十分重要的意义。各公司设计各自的《动作时序分析表》，目前尚无通用标准。

三、自动化的成本分析、风险评估

1.成本：

1）成本来源：元件、材料成本；销售费用；管理费用；售后服务成本。

2）成本评估。生产相同品质的产品，买自动化设备和人工生产哪个成本更低？可以进行具体计算，计算中要考虑设备的维护成本。

2.自动化设备的风险。体现在二个方面：

1）产品合格率低的风险。自动化设备承诺的产品合格率有可能达不到。

2）Downtime的风险。我们可以规定MTBF达到几千小时，并规定一年维修、维护保养时间不超过多少小时比如几十小时等。而实际的设备是否能达到这个指标，存在风险。