第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
托辊是带式输送机上的主要部件，主要起到承载和传输的作用[1-2]。托辊的种类繁多，目前主要产品有钢制托辊和陶瓷托辊，钢制托辊的装配技术较为成熟，但是钢制托辊易腐蚀和磨损，磨损的筒皮可导致皮带划伤，造成安全事故；陶瓷托辊硬度高、耐磨损，使用周期长，产品受到了市场的欢迎，并且随着运输行业的繁荣，对陶瓷托辊的需求量也不断加大，但是其芯轴装配技术较为落后，生产效率较低难以满足市场的需求，产品质量参差不齐难以满足客户的要求。
目前，国内陶瓷托辊芯轴装配技术大多采用人工装配和半自动装配方式，存在较多的问题需要改善。例如芯轴装配工序之一穿轴，仍然采用人工穿轴方式，人工搬运将芯轴穿入托辊辊体内，工人的劳动强度大；工序之二压装轴承，采用人工装夹方式操作机床不仅生产效率低，而且压装质量较差；芯轴装配工艺之三压装密封圈，采用人工锤击法将密封圈敲入托辊内部，托辊精度无法保证。因此采用芯轴自动装配技术提高芯轴装配质量和效率是陶瓷托辊生产行业趋势。
为了提高陶瓷托辊的芯轴装配效率，降低成本，在对陶瓷托辊芯轴装配过程后，进行装配工艺流程和布局分析，并对其关键设备进行研究，以实现芯轴装配自动化。本课题的研究内容和研究目标涉及先进装备制造、智能算法、在线监控等多技术领域知识，具有较强的学科创新性、前瞻性和广阔的应用发展前景。对陶瓷托辊芯轴自动装配技术的研究可提高芯轴装配效率，降低生产成本，减轻人工劳动强度，提高产品质量，对陶瓷托辊批量化生产具有现实意义。
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1.2 自动装配技术研究现状
陶瓷托辊芯轴装配是指分别将辊体、轴承、密封圈等零件装入芯轴的技术。芯轴装配涉及到多台机械设备和控制系统。由于陶瓷托辊是带式输送机的主要部件，需求量非常大[3-4]。因此，国内外托辊生产厂家不计其数，同时对托辊的生产装配进行了大量研究。
1.2.1 国外研究现状
自动化装配技术在生产中已经成为主要趋势，对提高企业的生产效率、降低企业生产成本、减轻工人的劳动强度具有重要意义。在国外，自动化装配的研究开始于上世纪 50 年代，当时的自动化装配是从简单的小零件开始的。随着科学技术的发展，到上世纪 60 年代，开始出现了数控式的装配机械，加工装配的范围由开始的简单小零件的装配逐步实现了对大部件的自动化装配。70 年代出现了工业装配机器人，机器人的出现进一步提高了装配的自动化，提高了企业的生产效率，解放了工人的双手。近年来随着各国对工业生产的重视，柔性装配系统成为了机械装配行业的热点，各国纷纷投入大量的人力物力对装配技术进行研究。
日本的精工爱普生公司是著名的手表生产装配企业，其生产的手表享誉全国。该公司为了提高手表的装配效率和产品质量，引入了自动化装配生产线，生产线主要由 50 台装配机器人组成，各机器人协同配合，能够实现对多种型号手表的自动化装配。据统计，该公司引入自动化装配设备后，其生产成本降低了约 63%左右[5]。
飞机的装配也基本实现了自动化。目前主要的飞机生产厂商包括波音公司、空客公司以及洛克希德公司在飞机的对接过程中大多使用激光测量系统、数控定位系统、集成控制系统[6-7]。这些系统代替了手工对接飞机装配的方式。缩短了整个飞机制造的周期，更提高了飞机装配精度。英国机器人公司 BRSL 在英国政府的鼓励支持下，对柔性装配系统进行了可行性研究。研制的柔性装配系统能够实现对中小型机械电子产品的自动装配工作，更换产品时装配调整时间仅为一到两个小时[8]。结果证明了柔性装配系统的高效性和通用性。
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第 2 章 芯轴自动装配总体方案研究
2.1 陶瓷托辊结构与装配关系分析
陶瓷托辊作为带式输送机的主要部件，在工作过程中承受较大的压力和摩擦力。陶瓷托辊的性能是衡量带式输送机质量优劣的重要指标之一，其主要由辊体、芯轴、轴承、密封圈等构成。
（1）辊体
辊体是陶瓷托辊质量最重，体积最大的零件。陶瓷托辊辊体是由氧化铝材料烧结成圆筒状，表面与皮带直接接触，其特征是耐磨。为了减小辊体径向圆跳动对皮带运输机造成的损害，辊体表面需磨削。
（2）芯轴
芯轴为细长的棒料，在陶瓷托辊中主要起支撑和连接作用。芯轴支撑陶瓷托辊其余零件，因此所受的力最大。芯轴和轴承为过盈装配。
（3）轴承
陶瓷托辊所用轴承为深沟球轴承，深沟球轴承主要承受来自皮带运输机上物料施加的径向载荷。轴承和芯轴、辊体均为过盈装配。
（4）密封圈
陶瓷托辊所用密封圈为塑料迷宫式密封圈。密封圈的作用是防止外部的污染物进入托辊内部，影响托辊的正常运行。密封圈和芯轴、辊体均为过盈装配。
图 2-1、2-2 分别为陶瓷托辊结构图和装配图，表 2-1 为陶瓷托辊零件相互装配关系。
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2.2 芯轴装配工艺分析与制定
实现芯轴装配的自动化，首先需要解决芯轴装配工艺问题。芯轴装配工艺直接决定了自动装配设备的运动形式、结构和体积的大小。合理的装配工艺不仅有利于提高装配效率和装配质量，而且有利于提高装配过程的可靠性[31]。
2.2.1 装配工艺分析
传统陶瓷托辊芯轴装配工艺，所采用的的工序是人工配合简单机械辅助的方式，各工位之间物料的流通采用人工搬运或者搬运小车运输。通过对市场的调研了解到目前陶瓷托辊芯轴装配包括两套装配工艺。两套装配工艺具有相同的工序配置，不同点在于装配顺序的不同。
传统芯轴装配工艺路线一如图 2-3 所示：
（1）上料。辊体质量比较重，人工完成托辊的上下料费时费力，并且辊体需要码垛摆放，工人在搬运时容易被码垛上方的辊体砸伤，造成安全事故。
（2）磨削。陶瓷托辊磨床需要人工操作对辊体表面反复磨削。磨削过程产生大量粉尘，粉尘容易被操作人员吸入，给身体健康带来威胁。
（3）穿辊体。目前生产的最大的辊体其长度为 120cm，质量为 60kg，将这样的辊体装配至芯轴，需要工人配合将辊体竖起，然后将芯轴穿入辊体内，增加了工人的劳动强度。
（4）压装轴承。轴承压装设备自动化程度不高，需要人工控制完成压装，并且一次只能压装一侧的轴承，生产效率比较低，压装过程中无法保证轴承压装精度，严重影响了陶瓷托辊的质量。
（5）压装密封圈。采用人工锤击的方式将密封圈压入到轴承座内。采用锤击法压装密封圈，容易发生密封圈断裂的现象，并且压装精度无法保证。
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第 3 章 芯轴自动装配关键设备设计...................................... 15
3.1 储料架设计.......................................... 15
3.1.1 储料架结构设计............................................ 15
3.1.2 储料架斜面材料选择........................ 16
第 4 章 轴承压装恒速控制研究.......................................... 29
4.1 轴承压装速度系统建模............................... 29
4.1.1 系统组成及原理...................................... 29
4.1.2 阀控液压缸传递函数...................................... 30
第 5 章 陶瓷托辊芯轴自动装配控制系统设计.................................. 47
5.1 控制系统硬件设计................................. 47
5.1.1 系统的硬件配置.............................. 47
5.1.2 各单元信号定义.................................. 49
第 5 章 陶瓷托辊芯轴自动装配控制系统设计
5.1 控制系统硬件设计
5.1.1 系统的硬件配置
陶瓷托辊芯轴自动装配控制系统包括磨削单元、整料上料单元、穿轴单元、轴承压装单元、密封圈压装单元。本文初步选用西门子 S7 系列的 PLC 对各生产单元控制。根据西门子 S7 系列 PLC 输入输出点数的多少可以分为小型 PLC、中型PLC 和大型 PLC[63]。
磨削单元主要实现主轴电机正反转控制、滑板电机正反转控制、液压站电机启停控制、粗精磨头正反转控制和粗精磨头进给控制等功能。整料上料单元主要实现整料气缸控制、取料气缸控制、送料气缸控制、上料气缸控制等功能。
穿轴单元主要实现芯轴卡槽位置调节控制、芯轴夹具移动控制、辊体夹具移动控制等功能。
轴承压装单元、密封圈压装单元主要实现主轴箱移动控制、夹具移动控制、顶杆移动控制、轴承（密封圈）压装控制等功能。
综上各生产单元的控制输入信号都是数字量输入且输入点数少于 256 点。为了降低设备购买成本，从站各单元采用 S7-200 型号的 PLC，主站采用 S7-300 型号的 PLC 可满足生产要求。主从站 PLC 的选型如表 5-1 所示。主站和从站之间采用Profibus-DP 现场总线建立联系，主站 PLC 与上位机之间采用工业以太网连接，主站 PLC 需要配置 CP343-1 型号的以太网通讯模块。
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总结与展望
总结
陶瓷托辊硬度高、耐磨损，使用周期长，产品受到了市场的欢迎，并且随着采矿等行业的发展，对陶瓷托辊的需求不断加大，但是传统装配技术特别是芯轴装配技术较为落后，生产效率较低难以满足市场的需求，产品质量参差不齐难以满足客户的要求。本文针对以上问题，在查阅了大量的相关文献后，结合企业的实际要求，对陶瓷托辊芯轴自动装配技术展开了研究。陶瓷托辊芯轴自动装配技术研究可以提高芯轴装配效率，降低生产成本，减小人工劳动强度，提高产品质量。本文主要研究内容总结如下：
（1）芯轴自动装配总体技术研究。在分析了陶瓷托辊零件组成以及各零件装配关系的基础上，对陶瓷托辊芯轴装配工艺进行了研究。对两种传统芯轴装配工艺比较分析，并在传统芯轴装配工艺的基础上进行了改进，重新制定了芯轴自动装配工艺。在明确了芯轴装配工序后，从布局原则和布局形式两方面对芯轴装配布局研究，最终完成了对陶瓷托辊芯轴自动装配布局的设计。
（2）芯轴自动装配关键设备设计。为了防止储料过程中辊体发生碰撞破碎现象，对储料架斜平面材料和斜平面倾角进行了研究，最终确定皮革作为斜平面材料且斜平面倾角应小于 11.47°；根据功能需求，设计了陶瓷托辊穿轴机，提高了装配效率；分析了轴承装配工艺并设计轴承压装机机械结构，对轴承压装机压装力仿真分析实现一台轴承压装机一次装夹将一对轴承安全高效压入轴承座内。
（3）轴承压装恒速控制研究。针对实际芯轴装配中由于外负载的变化以及液压系统的内泄漏，使得轴承压装速度产生波动问题，建立了轴承压装速度控制系统的传递函数，并设计了基于模糊 PID 的速度控制器，并通过 MATLAB/Simulink建立模型仿真分析。结果表明由于模糊 PID 调节时间短，超调量小，有利于提高芯轴装配精度。
（4）芯轴自动装配控制系统设计。为了实现芯轴自动化装配，对其装配线控制系统的硬件和软件进行设计。控制系统的硬件配置选用西门子 PLC 作为整条生产线的控制系统，给出了各生产单元的 I/O 分配表和电气原理图；根据芯轴自动装配生产线系统要求提出了系统软件设计总方案，并完成了各生产单元上位机监控界面设计。
参考文献（略）