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1、自动机械分类

根据自动机械用途的区别，可以将自动机械分为以下几种典型的类型

（1）自动化加工设备

机械加工是一个传统的制造行业，在制造业中占有非常重要的地位，无论是机器设备还是小的金属零件、部件等，都离不开机械加工和机械加工设备，因此它属于基础性的生产装备。最常用的机械加工设备包括各种机床、冲压设备、焊接设备、塑料加工设备、铸造设备等，上述设备都可以实现全自动化或部分自动化。

（2）自动化装配设备

装配是相当多产品整个制造过程的核心环节，例如家用电子、电器产品的制造过程中，主要的前工序为零件加工（机械加工、冲压、注塑、压铸等）、零件表面处理（清洗、干燥、电镀、喷涂等），最后进入后工序装配阶段，装配自动化是制造自动化的核心内容。

（3）自动化检测设备

在许多产品的装配工序中或装配工序后，需要对各种工艺参数进行检测和控制，这些检测通常都是由机器自动完成的，最常见的检测参数或对象主要为：

尺寸检测，重量检测，体积检测，力检测，温度检测，时间检测

压力检测，电气参数检测，零件（产品）的计数，零件（产品）分类与剔除

（4）自动化包装设备

包装通常是各种产品生产过程中的最后环节，因此，包装是一个通用性非常强的工序。在工程上，包装不仅仅指将产品用包装盒、包装袋或包装箱装起来，还有大量的相关工序，已经形成了一个相当大的自动化包装设备产业。

根据自动机械结构上的区别，可以将它们主要分为以下类型：

自动化专机：自动化专机是指单台的自动化设备，它所完成的功能是有限的，如只完成某一个工序或少数几个工序，最后的产品一般是零件或部件。在自动化专机中，根据设备功能的区别又分为半自动专机、全自动专机。半自动专机：在每个工作循环中设备没有完成全部的操作，需要人工辅助完成部分操作，例如上料或卸料操作，此类设备称为半自动专机。全自动专机：在每个工作循环中上下料及其他操作全部由机器自动完成，工人只进行过程监控及故障停机后的检查、故障排除等工作，此类设备称为全自动专机。全自动专机与半自动专机的最大区别就是采用了各种各样的自动化上下料机构。自动化专机是最基本的自动机械，复杂的自动化生产线都是由各种不同的自动化专机集成而来的。因此，熟练掌握自动化专机的结构与工作原理是学习自动机械的重要内容，只有在掌握了自动化专机设计的基础上才有可能进行自动化生产线的设计。

2、自动机械典型结构组成

2.1自动机械的结构特征

自动化专机在结构上具有许多特征，这对于学习与掌握它是非常有帮助的，其主要特征为：

（1）结构模块化

自动化专机最大的特点就是结构模块化，它是由各种专用的功能模块组合而成，例如输送装置、自动上料装置、定位夹紧机构、导向部件、电机与传动部件、各种执行机构等，很多都已经形成标准的结构模块。这些模块在不同的设备或生产线上具有很强的相似性，只要将所需要的各种模块组合在一起，即可组成自动化专机的主要部分，不仅使设计制造简单化，降低设备的制造成本，而且也为读者学习掌握它们提供了极大的方便。

（2）部件专业化、标准化

在上述各种结构模块中，分别有许多制造商长期专业从事其研究与生产制造，例如气动元件、电机、导轨等导向部件、传动部件、自动送料装置、输送线、分度器、铝型材等，不仅形成了相当的规模，可以实现快速供货，大大缩短制造周期，而且达到了相当高的质量水平，这方面尤其以日本最为出色，拥有一大批具有世界一流水平的自动机械基础部件制造商。学习自动机械的重要内容之一就是掌握上述各种部件的选型方法、装配及调试要领。

2.2人工装配操作与机器自动化装配操作过程对比

通过对各种自动化装配设备进行分析总结，读者将会发现机器的自动化装配很大程度上模仿了人工装配的方式。下面以一个最简单的装配工序—螺钉连接装配为例，对比说明人工操作及机器自动化操作的过程，帮助读者理解机器自动化装配如何模仿人工操作过程，以及自动机械通常是由哪些结构部分组成的。

（1）人工装配操作过程

一般人都可以很容易地理解，在人工操作的螺钉连接装配工序中，可以把整个装配过程分为以下几步。

①取料过程

操作者将需要连接的两个或多个零件、螺钉分别人工从周围放置零件的容器中取出。

②装配过程

将需要连接的零件及螺钉放入待装配的位置（通常都设计有供零件定位的定位夹具），左手将工件按紧，然后右手用工具（如手动螺丝批）转动螺钉将螺钉拧紧。在手工装配流水线上，工人通常用右手握紧电动螺丝批或气动螺丝批，在批头压紧螺钉的同时按下开关，由工具自动拧紧螺钉。

③卸料过程

将连接好的零件从定位夹具中取下，放入周围专门的容器或位置，完成一个操作循环。在上述操作过程中，操作者依赖的是双手、眼睛及辅助装配工具（定位夹具、手动螺丝批、电动或气动螺丝批）。当螺钉尺寸很小时，人工从螺钉盒中的大堆螺钉中拿取一个螺钉是非常费力的，这种情况下为了提高人工装配的效率，可以采用一种微型螺钉自动送料器，它能够将微小的螺钉自动排列后通过一个输料槽送出，装配时工人用气动螺丝批的批头在输料槽的末端自动吸取一个螺钉后再装配，这样就使装配更快捷、更省力，这其中就已经包含了部分自动化的功能。

（2）机器自动化装配操作过程

机器的自动化操作实际上仍然是模仿上述过程进行的，只不过与人工装配操作相比，在如何实现每一个步骤方面存在区别。以下是螺钉自动化连接装配的一般过程。

①送料过程

在螺钉自动化装配连接工序中，需要连接的工件及螺钉通常都采用自动送料装置。由于螺钉的重量较小，能够方便地采用一种称为振盘的自动送料装置（进行自动输送，只要在振盘输料槽出口用一根透明塑料管连接到气批的批头部位即可，同时在振盘的出口设置一个一次只放行一只螺钉的分料机构，每次只放行一个螺钉，这样螺钉就会在重力作用下通过透明塑料管自动滑落到批头部位。其他需要连接的工件如果尺寸及质量较小，例如冲压件、五金件，通常也可以采用振盘将工件分别自动输送到装配定位夹具中。如果零件的重量较大难以采用振盘送料时，可以考虑采用其他送料方式（例如机械手）将工件送入装配位置或定位夹具中。

②装配过程

采用振盘或机械手将待连接的工件移送到定位夹具上后，定位夹具具有对工件进行准确定位的功能，必要时还设置夹紧机构对工件自动进行夹紧。

③卸料过程

完成螺钉连接的工件需要从定位夹具中卸下，以便进行下一个工作循环，在人工装配操作中通过人工直接将完成装配的工件取出放入附件的中转箱中。在自动化装配中则采用专门的卸料机构，对于重量较轻的零件一般采用简单的气动机构，直接将工件从装配位置推出，工件通过倾斜的料道滑落到中转箱中，重量较大的工件则可以通过机械手将其从定位夹具中取下，放入中转箱中或输送线上。

（3）人工操作与机器自动化操作的共同特征

通过上述简单实例的比较，不难发现机器自动化装配过程与人工装配过程是非常相似的，它们都包括以下几个基本步骤：

上料  → 定位 → 装配 → 卸料

2.3自动机械的结构组成

在学习自动机械的具体结构模块之前，首先要对自动机械的整体结构框架有一个基本的认识，然后再熟悉局部的结构模块，在熟悉结构模块设计的基础上再进一步熟悉整机的集成方法。通过前面螺钉自动化装配的实例分析，可以基本了解自动机械的整体结构框架，用于其他工序操作的自动机械与自动化装配机械类似，通常都是由以下基本的结构模块根据需要搭配组合而成的：

工件的自动输送及自动上下料机构

辅助机构（定位、夹紧、分隔、换向等）

执行机构（各种装配、加工、检测等执行机构）

驱动及传动系统

传感器与控制系统

（1）工件的输送及自动上下料系统

工件或产品的移送处理是自动化装配的第一个环节，包括自动输送、自动上料、自动卸料动作，替代人工装配场合的搬运及人工上下料动作，该部分是自动化专机或生产线不可缺少的基本部分，也是自动机械设计的基本内容。其中自动输送通常应用在生产线上，实现各专机之间物料的自动传送。

①输送系统

输送系统包括小型的输送装置及大型的输送线，其中小型的输送装置一般用于自动化专机，大型的输送线则用于自动化生产线，在人工装配流水线上也大量应用了各种输送系统。没有输送线，自动化生产线也就无法实现。根据结构类型的区别，最基本的输送线有：皮带输送线、链条输送线、滚筒输送线等；根据输送线运行方式的区别，输送线可以按连续输送、断续输送、定速输送、变速输送等不同的方式运行。②自动上下料系统自动上下料系统是指自动化专机在工序操作前与工序操作后专门用于自动上料、自动卸料的机构。在自动化专机上，要完成整个工序动作，首先必须将工件移送到操作位置或定位夹具上，待工序操作完成后，还需要将完成工序操作后的工件或产品卸下来，准备进行下一个工作循环。

（2）辅助机构

在各种自动化加工、装配、检测、包装等工序的操作过程中，除自动上下料机构外，还经常需要以下机构或装置：

①定位夹具

工件必须位于确定的位置，这样对工件的工序操作才能实现需要的精度，因此需要专用的定位夹具。

②夹紧机构

在加工或装配过程中工件会受到各种操作附加力的作用，为了使工件的状态保持固定，需要对工件进行可靠的夹紧，因此需要各种自动夹紧机构。

③换向机构

工件必须处于确定的姿态方向，该姿态方向经常需要在自动化生产线上的不同专机之间进行改变，因此需要设计专门的换向机构在工序操作之前改变工件的姿态方向。

④分料机构

机械手在抓取工件时必须为机械手末端的气动手指留出足够的空间，以方便机械手的抓取动作，如果工件（例如矩形工件）在输送线上连续紧密排列，机械手可能因为没有足够的空间而无法抓取，因此需要将连续排列的工件逐件分隔开来。又例如前面所述的螺钉自动化装配机构中，每次只能放行一个螺钉，因此需要采用实现上述分隔功能的各种分料机构。上述机构分别完成工件的定位、夹紧、换向、分隔等辅助操作，由于这些机构一般不属于自动机械的核心机构，所以通常将其统称为辅助机构。

（3）执行机构

任何自动机械都是为完成特定的加工、装配、检测等生产工序而设计的，机器的核心功能也就是按具体的工艺参数完成上述生产工序。通常将完成机器上述核心功能的机构统称为执行机构，它们通常是自动机械的核心部分。例如自动机床上的刀具、自动焊接设备上的焊枪、螺钉自动装配设备中的气动螺丝批、自动灌装设备中的灌装阀、自动铆接设备中的铆接刀具、自动涂胶设备中的胶枪等，都属于机器的执行机构。显然，熟悉并熟练掌握上述执行机构的选型方法也是熟练从事自动机械设计的重要内容。这些执行机构都用于特定的工艺场合，掌握这些执行机构的选型方法离不开对相关工艺知识的了解，因此，自动机械是自动结构与工艺技术的高度集成，从事自动机械设计的人员既要熟悉各种自动机构，同时还要在制造工艺方面具有丰富的经验。自动机械形式多样，但因为这种原因只能根据有限的实例去分析它的设计方法，因此本教材中的工序操作泛指各种加工、装配、检测、包装、标示等工序内容，而工件则泛指各种零件、部件、半成品、成品等操作对象。

（4）驱动及传动部件

①驱动部件

任何自动机械最终都需要通过一定机构的运动来完成要求的功能，不管是自动上下料机构还是执行机构，都需要驱动部件并消耗能量。自动机械最基本的驱动部件主要为：

由压缩空气驱动的气动执行元件（气缸、气动马达、气动手指、真空吸盘等）

由液压系统驱动的液压缸

各种执行电机（普通感应电机、步进电机、变频电机、伺服电机、直线电机等）在自动机械中，气动执行元件是最简单的驱动方式，由于它具有成本低廉、使用维护简单等特点，在自动机械中得到了大量的应用。在电子制造、轻工、食品、饮料、医药、电器、仪表、五金等制造行业中，主要采用气动驱动方式。

液压系统主要用于需要输出力较大、工作平稳的行业，如建筑机械、矿山设备、铸造设备、注塑机、机床等行业。除气动元件外，电机也是重要的驱动部件，大量应用于各种行业。在自动机械中，广泛应用于如输送线、间隙回转分度器、连续回转工作台、电动缸、各种精密调整机构、伺服驱动机械手、精密X-Y工作台、机器人、数控机床的进给系统等场合。

②传动部件

气缸、液压缸可以直接驱动负载进行直线运动或摆动，但在电机驱动的场合则一般都需要相应的传动系统来实现电机扭矩的传递。自动机械中除采用传统的齿轮传动外，大量采用同步带传动和链传动，尤其因为同步带传动与链条传动具有价格低廉、采购方便、装配调整方便、互换性强等众多优势，目前已经是各种自动机械中普遍采用的传动结构，如输送系统、提升装置、机器人、机械手等。

（5）控制系统 

根据设备的控制原理，目前自动机械的控制系统主要有以下类型：

①纯机械式控制系统

在大量采用气动元件的自动机械中，在少数情况下控制气缸换向的各种方向控制阀全部采用气动控制阀，这就是纯气动控制系统。还有一些场合各种机构的运动是通过纯机械的方式来控制的，例如凸轮机构，这些都属于纯机械式控制系统。

②电气控制系统

电气控制系统是指控制气缸运动方向的电磁换向阀由继电器或PLC来控制，在今天的制造业中，PLC已经成为各种自动化专机及自动化生产线最基本的控制系统，结合各种传感器，通过PLC控制器使各种机构的动作按特定的工艺要求及动作流程进行循环工作。电气控制系统与机械结构系统是自动机械设计及制造过程中两个密切相关的部分，需要连接成一个有机的系统。在电气控制系统中，除控制元件外，还需要配套使用各种开关及传感器。在自动机械的许多位置都需要对工件的有无、工件的类别、执行机构的位置与状态等进行检测确认，这些检测确认信号都是控制系统向相关的执行机构发出操作指令的条件，当传感器确认上述条件不具备时，机构就不会进行下一步的动作。