摘要

　　隨著(zhù)液晶顯示器需求量的與日俱增，顯示器的生產(chǎn)效率就顯得尤為重要。提高顯示器裝配線(xiàn)的機械自動(dòng)化程度可以顯著(zhù)提升顯示器的生產(chǎn)效率，同時(shí)也可以減少人力成本的投入。液晶顯示器在自動(dòng)化裝配過(guò)程中的夾緊定位裝置伴隨整個(gè)裝配過(guò)程，是自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的重要裝置。

　　本文針對顯示器自動(dòng)化裝配線(xiàn)設計了一種基于連桿機構的對中定位夾具。首先，在對夾具使用需求分析的基礎上，確定了夾具的機構形式；并采用約束優(yōu)化設計方法對連桿機構的具體尺度進(jìn)行參數優(yōu)化，但設計過(guò)程無(wú)法直觀(guān)的體現構件在設計要求目標位置處的壓力角。為了解決這一問(wèn)題，接著(zhù)采用三位置平面連桿機構位置綜合的方法對夾具的原理機構進(jìn)行尺度的設計，在建立機構數學(xué)模型后，通過(guò)對位移約束方程的求解得到了連桿機構的具體尺度參數，完成了對中定位夾 具的原理設計。

　　其次，針對設計出的原理機構進(jìn)行數學(xué)建模，根據機構的數學(xué)模型列出位移方程，并對其求導得到機構的速度方程和加速度方程，對上述的方程求解完成對中定位機構的運動(dòng)學(xué)分析；由拉格朗日力學(xué)方程從能量角度獲得機構動(dòng)力學(xué)模型，并根據達朗貝爾原理，運用靜力學(xué)分析的方法，對模型進(jìn)行機構的動(dòng)力學(xué)分析；對機構的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析完成后，通過(guò)虛擬樣機仿真試驗對設計機構進(jìn)行驗 證，進(jìn)一步證實(shí)了所設計機構的合理性。

　　最后，對顯示器夾具的整機進(jìn)行結構設計，并采用基于有限元分析的目標驅動(dòng)優(yōu)化設計方法對關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化分析。通過(guò)比較關(guān)鍵部件在不同結構類(lèi)型的受力變形情況，得到滿(mǎn)足受力變形條件下的最優(yōu)結果，完成對關(guān)鍵部件的優(yōu)化，確定其類(lèi)型和具體尺寸。

　　研究表明在滑塊對零部件的夾緊定位過(guò)程中具有一定的行程，且受到曲柄、連桿的尺寸大小和最小傳動(dòng)角的影響，曲柄滑塊式的對中定位機構可實(shí)現對零部件的對中定位；在明確設計要求后，通過(guò)機構位置綜合的方法對機構進(jìn)行參數設計可直觀(guān)的看出滑塊構件在設計要求的目標位置處的壓力角。對機構進(jìn)行運動(dòng)分析，并通過(guò)建立虛擬樣機仿真試驗可驗證所設計機構可實(shí)現設計要求。從基于有限元分析的角度出發(fā)，采用目標驅動(dòng)優(yōu)化的方法對關(guān)鍵零件的尺度進(jìn)行優(yōu)化分析，并比較不同結構形式零部件的受力變形情況，通過(guò)優(yōu)化分析得到的最優(yōu)結果，使對中定位機構在滿(mǎn)足受力的情況下達到設定的定位精度。

　　關(guān)鍵詞：對中定位機構；機構綜合；約束優(yōu)化設計；曲柄滑塊機構；有限元分析

　　Abstract

　　With the increasing demand for liquid crystal displays, the productivity of monitors is particularly important. Increasing the mechanical automation of the display assembly line can significantly increase the productivity of the display, while also reducing the investment in labor costs. The clamping positioning device of the liquid crystal display in the process of automatic assembly is an important device of the automatic production line with the whole assembly process.

　　In this paper, a pair-to-center positioning fixture based on connecting rod body is designed for the display automation assembly line. First of all, on the basis of the analysis of the demand for the use of fixtures, the mechanism form of fixtures is determined. The specific scale of the connecting rod mechanism is optimized by the constraint optimization design method. However, the design process can not intuitively reflect the component in the design requirements of the target location of the pressure angle. In order to solve this problem, the principle mechanism of the fixture is designed by means of the comprehensive method of the three-position plane linkage mechanism.

　　After the mathematical model of the mechanism is established, the concrete scale parameters of the connecting mechanism are obtained by solving the displacement constraint equation. The principle design of the middle positioning fixture is completed.

　　Secondly, mathematical modeling is carried out for the design of the principle mechanism. The displacement equations are listed according to the mathematical model of the institution. The velocity equation and acceleration equation of the mechanism are obtained for its guidance. The kinematic analysis of the central positioning mechanism is completed by solving the above equations. The mechanism dynamics model is obtained from the energy point of view by the Lagrangi mechanics equation. According to the Principle of Darran Bell, and using static analysis method, the dynamic analysis of the model is carried out. After the kinematics and dynamics analysis of the mechanism is completed, the design mechanism is verified by the virtual prototype simulation test. The rationality of the designed institution is further confirmed.

　　Finally, the whole machine of the display fixture is designed. The key components are optimized using the goal-driven optimization design method based on finite element analysis. By comparing the force deformation of key components in different structural types, the optimal results are obtained under the condition of force deformation. The optimization of key components is complete, determining their type and size.

　　The research shows that there is a certain stroke in the process of clamping the parts in the slider. and is affected by the crank, the size of the connecting rod and the minimum drive angle. The crank slider-style aligned positioning mechanism enables aligning the components. After the design requirements are clearly defined, the parameter design of the mechanism by means of the comprehensive method of the mechanism position can visually see the pressure angle of the slider member at the target position of the design requirements. The motion analysis of the mechanism can be carried out, and the design requirements can be realized by establishing the virtual prototype simulation test. From the point of view of finite element analysis, the scale of key parts is optimized by target-driven optimization method. Comparing the force deformation of components in different structural forms, the optimal results obtained through optimization analysis enable the center positioning mechanism to achieve the set positioning accuracy when the force is satisfied.

　　Key words: Medium positioning mechanism; Mechanism synthesis; Constraint optimization design; Crank slider mechanism; Finite element analysis

　　目錄

　　第一章 緒論

　　1.1 課題研究背景

　　近年來(lái)，隨著(zhù)人們生活水平的提高，越來(lái)越多的人追求更加舒適的桌面視覺(jué)感受。回顧顯示設備的發(fā)展進(jìn)程，它始終追求這樣的目標：更加真實(shí)的視覺(jué)體驗感。液晶顯示器是基于液晶光電效應的顯示設備，是時(shí)代發(fā)展的新型產(chǎn)品，目前，液晶顯示器已經(jīng)逐步代替了傳統笨重的 CRT 顯示器，成為主流顯示設備[1].

　　自上世紀 70 年代末至今，中國液晶顯示器產(chǎn)業(yè)已走過(guò)了幾十年的發(fā)展歷程，已成為世界上最大的液晶顯示器生產(chǎn)地。中國電子信息產(chǎn)業(yè)聯(lián)合會(huì )發(fā)布的《2017年電子信息產(chǎn)業(yè)運行報告》顯示，我國在液晶電視、計算機等電子產(chǎn)品的制造和 消耗的數量具大，電子制造業(yè)在 2017 全年收入超過(guò) 13 萬(wàn)億元。基于國內龐大的市場(chǎng)及消費潛能，我國在液晶顯示行業(yè)的地位日益凸顯[2]. 自從進(jìn)入 21 世紀以來(lái)，我國的液晶顯示器產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，規模不斷擴大，國產(chǎn)化水平不斷提高，隨著(zhù)我國機械加工制造業(yè)的持續發(fā)展，各種機械設備也被廣泛地用于液晶顯示器的裝配生產(chǎn)線(xiàn)上中[3].現在液晶顯示器的生產(chǎn)裝配尚無(wú)全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，主要依靠人工配合某些設備來(lái)完成，這不僅極大地浪費了人力資源，也降低了產(chǎn)品質(zhì)量。為了提高生產(chǎn)效率，以滿(mǎn)足不斷擴大的需求，就必須改進(jìn)傳統的液晶顯示器生產(chǎn)裝配方式，實(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn)裝配。

　　雖然顯示器技術(shù)已經(jīng)很成熟，但生產(chǎn)過(guò)程復雜多樣且質(zhì)量要求較高，有很多問(wèn)題有待解決。顯示器的裝配是顯示器生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節，裝配效率會(huì )直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟效益。隨著(zhù)顯示器功能愈發(fā)全面，其加工技術(shù)也慢慢進(jìn)步， 但裝配技術(shù)發(fā)展較為緩慢，一直以來(lái)都是薄弱環(huán)節，故對顯示器裝配生產(chǎn)線(xiàn)做改進(jìn)設計具有實(shí)際意義。近年來(lái)，顯示器裝配也不斷的優(yōu)化生產(chǎn)線(xiàn)結構，部分裝配過(guò)程使用機械設備代替人工對顯示器裝配，其中顯示器定位夾具貫穿整個(gè)裝配過(guò)程，在很大程度上影響著(zhù)整條流水線(xiàn)的生產(chǎn)效率和制造成本，裝配生產(chǎn)線(xiàn)上定位夾具的設計應用對于顯示器自動(dòng)化裝配生產(chǎn)起到重要作用。

　　本文基于四川極速智能科技有限公司委托的液晶顯示器柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的研發(fā)項目，進(jìn)行柔性生產(chǎn)線(xiàn)的工藝研究，針對現有產(chǎn)品的類(lèi)型和特征，了解不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，研究多產(chǎn)品并線(xiàn)生產(chǎn)的柔性工藝技術(shù)，基于柔性生產(chǎn)工藝，進(jìn)行液晶顯示器柔性生產(chǎn)線(xiàn)的多功能夾具的設計。

　　1.2 課題研究意義

　　對中定心夾具作為機械生產(chǎn)加工過(guò)程中的輔助定位夾具，對零部件定位加工精度具有重要的意義[4].本文設計了一種曲柄滑塊式的自動(dòng)對中定位機構，可對顯示器在裝配過(guò)程中實(shí)現夾緊定位功能。

　　為了使顯示器在裝配時(shí)具有固定位置，可使用夾具對其定位。夾具按通用化程度可分為通用夾具與專(zhuān)用夾具，通用夾具有一定通用范圍，且價(jià)格低、可靠性高；專(zhuān)用夾具是為具體的零件或產(chǎn)品進(jìn)行定位的，適用于大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其設計制造周期長(cháng)，造價(jià)高。針對液晶顯示器的裝配生產(chǎn)線(xiàn)，需要設計一種專(zhuān)用夾具對液晶顯示器進(jìn)行定位[5].

　　設計顯示器柔性生產(chǎn)線(xiàn)上多功能專(zhuān)用夾具具有以下優(yōu)勢：

　　1.標準化顯示器裝配生產(chǎn)工序，提高裝配生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度和企業(yè)的經(jīng)濟效益。

　　2.減低人為因素對顯示器裝配紕漏，提高顯示器的生產(chǎn)效率，達到現代化生產(chǎn)要求。

　　3. 能減少顯示器在裝配過(guò)程中的定位次數，提高了顯示器加工時(shí)的定位精度，縮短了顯示器的制造周期。

　　1.3 夾具的發(fā)展歷程及夾具動(dòng)力源的引進(jìn)

　　在 19 世紀車(chē)床問(wèn)世時(shí)就已帶有簡(jiǎn)易的卡盤(pán)，用于對工件夾緊定位，因此早期的夾具只是機床的延伸物和附件。隨著(zhù)車(chē)、鉆、刨、銑、磨等各類(lèi)金屬切削機床的出現，產(chǎn)生了虎鉗之類(lèi)的通用夾具。早期的機床由于幾何精度和運動(dòng)精度低、功能簡(jiǎn)單，所以?shī)A具對機床加工的發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力 .

　　20 世紀中葉，為了適應時(shí)代發(fā)展以及產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的新模式，首先，由前蘇聯(lián)米塔洛范諾夫工程師創(chuàng )造的成組技術(shù)迅速在全球推廣應用，隨之，成組技也成功的運用于夾具之中。在這一時(shí)期夾具系統逐步完善，形成了通用夾具、成組夾具、組合夾具和專(zhuān)用夾具等子系統 [6]. 從 1960 年起，我國建立了天津組合夾具廠(chǎng)、保定向陽(yáng)機械廠(chǎng)和數個(gè)生產(chǎn)組合夾具元件的工廠(chǎng)。我國先后引進(jìn)槽系和孔系組合夾具，但是槽系組合夾具精度低、剛性差，孔系組合夾具雖然精度高、剛性強，卻又不能靈活調整。1980 年后，為滿(mǎn)足國內需求，我國獨立開(kāi)發(fā)了孔系組合夾具系統。進(jìn)入 21 紀后，我國結合各類(lèi)組合夾具，研發(fā)出可調整且剛性好的藍系組合夾具。但它與其它組合夾具都是由眾多規格種類(lèi)的元件組成，只適合經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員使用。到目前為止，很多企業(yè)仍然是使用傳統的專(zhuān)用夾具。

　　經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)與積累，北京藍新特科技股份公司自主研發(fā)一款"無(wú)所不夾"的萬(wàn)能機床夾具，如圖 1.1 所示。它對工裝夾具進(jìn)行了革新，大大節約了專(zhuān)用夾具設計準備時(shí)間，對不規則形狀的工件也具備很好的通用性，且適用于各類(lèi)復雜的加工工藝過(guò)程，極大的提高了工裝效率。

　　1.3.1 液壓夾具

　　作為代替手動(dòng)夾緊提高效率的氣動(dòng)夾具，首先在大量生產(chǎn)中得到應用，但由于體積大、噪聲大，液壓夾具更受到青睞。夾具的液壓系統與機床或其他機械設備中的液壓系統有所不同，雖簡(jiǎn)易但有其功能上的特點(diǎn)。德國 AMF 公司和美國VEKTEK 公司針對夾具液壓系統設計生產(chǎn)了配套裝置，結構小巧、使用方便、質(zhì)量上乘，售價(jià)也比較高。在機床工作過(guò)程中，為了減少動(dòng)力源的損耗，VEKTEK的所采用的耦合脫離塊方式，構思新穎，符合實(shí)際工作需要，也是近年液壓夾具更多代替氣動(dòng)夾具的原因之一。應用小型油缸的數控機床液壓夾具如圖 1.2 所示。

　　1.3.2 電磁夾具

　　過(guò)去電磁夾具因其吸力較小主要用于磨床類(lèi)夾具，意大利泰磁公司和法國沃克-布萊隆公司均致力于強磁電磁夾具的開(kāi)發(fā)。泰磁公司的強磁電磁夾具采用電控永磁磁力夾緊系統，頗具創(chuàng )新特色，不僅在磨床上廣泛的應用，還可用于銑床等各類(lèi)切削力較大的金屬切削機床上。此強力磁盤(pán)單元的結構如圖 1.3a）所示，磁極中間底座放入一個(gè)可逆永磁體，其周?chē)�又放置帶線(xiàn)圈的電磁鐵，因此磁力強勁。這樣的結構形成的工作表面可以成倍地產(chǎn)生磁性吸力，從而確保可靠地夾緊任何工件。當磁盤(pán)單元處于通電充磁（Magnetize,MAG）狀態(tài)，即"開(kāi)"位置，磁盤(pán)將把工件緊緊吸住并永不放開(kāi)。在磁盤(pán)單元處于斷電退磁（Demagnetize,DEMAG）狀態(tài)時(shí)，即"閉"的位置，磁力線(xiàn)在磁盤(pán)內部形成內循環(huán)，沒(méi)有磁力線(xiàn)釋放到磁盤(pán)表面，就將工件釋放松開(kāi)，如圖 1.3b）和圖 1.3c）所示。

　　再度連上插座進(jìn)行退磁就可卸下工件。此強力磁盤(pán)單元磁力強勁，每個(gè)磁極吸力達 35kN,對高密度、高能磁極的磁盤(pán)，每個(gè)磁極吸力甚至可達 78~85kN.

　　1.3.3 電動(dòng)夾具

　　以電動(dòng)工裝夾具附件電動(dòng)支撐為例替代油壓、氣壓支撐缸，能有效地彌補油壓、氣壓支撐缸的不足和缺陷，提高工作性能和工作效率[8].對自動(dòng)控制系統能提供準確的工作信號，對系統的安全性更加有利可靠，極大地改善了工作環(huán)境。

　　超精密電動(dòng)支撐采用微型直流電動(dòng)機與減速器結構，用軸式組合裝配，減速器輸出軸頭安裝有絲頭。工作時(shí)電動(dòng)機帶動(dòng)減速器轉動(dòng)從而帶動(dòng)絲頭轉動(dòng)，絲頭帶動(dòng)螺母沿導向桿做升降運動(dòng)。螺母上端裝有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)頭，并由彈簧支撐使觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)與支撐桿有 0.1mm 以上間隙。如圖 1.4 為一電動(dòng)支撐缸的外觀(guān)，支撐桿上端的支撐頭與工件接觸時(shí)，支撐桿停止，螺母帶動(dòng)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)頭繼續上升，直至觸頭和支撐桿間無(wú)間隙，觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)頭與支撐桿接觸，電路導通，電動(dòng)機斷電。

　　使用電動(dòng)支撐缸的幾大優(yōu)點(diǎn)：

　　1.提高了支撐到支點(diǎn)高度的準確性和可靠性，重復精度高，適用于流水線(xiàn)批量生產(chǎn)，也符合現代化生產(chǎn)標準；

　　2.由于取消了配管等繁瑣附加部件，也無(wú)需復雜的油壓控制系統，簡(jiǎn)化了工藝流程，提高了生產(chǎn)力；

　　3.無(wú)需安裝油管、液壓源、控制閥等，保證了電動(dòng)支撐缸能夠靈活挪動(dòng)使用，安裝和使用維護方便，增加了有效利用面積，有效降低加工成本；

　　4.安全性好，對工作環(huán)境無(wú)污染，符合現代管理要求；

　　5.用電動(dòng)支撐缸代替油壓、氣壓支撐缸，同樣體積的電動(dòng)支撐缸能夠獲得更大的支撐力。

　　1.4 自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線(xiàn)上專(zhuān)用夾具的研究現狀

　　20 世紀初期，美國市場(chǎng)對汽車(chē)工業(yè)標準化產(chǎn)品的迅猛需求以及福特公司大量流水生產(chǎn)線(xiàn)的出現，在大量生產(chǎn)模式的拉動(dòng)下當時(shí)的普通機床不能滿(mǎn)足要求，專(zhuān)用夾具的出現，解決了這一難題，促使汽車(chē)的生產(chǎn)方式有了革命性的變化，產(chǎn)量大幅增長(cháng)。在兩次世界大戰期間，武器裝備的生產(chǎn)推動(dòng)了科技又一次的進(jìn)步，夾具的設計生產(chǎn)也隨之發(fā)展完善。英國華爾通公司設計制造了世界上最早的槽系組合夾具系統。此后，前蘇聯(lián)也特別重視發(fā)展此項技術(shù)，開(kāi)發(fā)了大型的槽系組合夾具的生產(chǎn)和應用，并實(shí)現了夾具租賃組裝站這一創(chuàng )新并行之有效的服務(wù)形式。

　　隨著(zhù)我國機械加工制造業(yè)的持續發(fā)展，機械設備和生產(chǎn)線(xiàn)也越來(lái)越廣泛的被應用。目前，顯示器的生產(chǎn)裝配仍然沒(méi)有完整的自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線(xiàn)，主要依靠人工完成裝配；當今社會(huì )顯示器的需求量越來(lái)越大，為了加快生產(chǎn)，提供生產(chǎn)效率，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，就需要改進(jìn)傳統的生產(chǎn)裝配，實(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn)裝配。其中顯示器定位夾具貫穿整個(gè)裝配過(guò)程，裝配生產(chǎn)線(xiàn)上定位夾具的設計應用對于顯示器自動(dòng)化裝配生產(chǎn)起到重要作用。

　　在液晶顯示器柔性生產(chǎn)線(xiàn)上，企業(yè)都習慣于采用傳統的專(zhuān)用夾具，面對液晶顯示器制造的生產(chǎn)需求，常規的專(zhuān)用夾具、可調夾具和組合夾具等方案因其通用性不足的問(wèn)題。因此顯示器裝配生產(chǎn)線(xiàn)需設計穩定通用的夾具，提高顯示器裝配生產(chǎn)的自動(dòng)化程度[9].

　　1.4.1 裝配夾具

　　裝配夾具是夾具中最大量的族類(lèi)之一，因為作為裝配對象的產(chǎn)品形態(tài)各異，隨時(shí)都在變化之中，因此多數裝配夾具都是專(zhuān)用的，不易制定適用的通用標準。

　　裝配夾具通常分為機械裝配和連接操作兩個(gè)大類(lèi)，而連接操作除冷鉚外，現代大都采用熱能形式，可以歸入焊接一類(lèi)。機械裝配夾具也只能按照裝配工藝操作來(lái)分，如鉚接、鉆孔并安裝銷(xiāo)、卷邊折曲、壓配、線(xiàn)頭壓合，以及遮板屏蔽等工藝操作，這些夾具大小不一，一般歸入非標設備一類(lèi)。本文僅介紹裝配電氣插座的夾具，作為實(shí)例，裝配電氣插座的夾具如圖 1.5 所示。通常為了降低成本和提高效率，一個(gè)企業(yè)內在具體產(chǎn)品的條件下，可以通過(guò)模塊化和可調化，制定企業(yè)標準加以重復使用。

　　圖 1.5 右上方為待裝配的塑料插座蓋板和事先已經(jīng)裝配完的電氣插座底殼。

　　塑料插座蓋板中有印刷電路板、集成電路塊、電阻和電容等電氣元件，要將它裝配在材料為冷拉鋼、帶有法蘭凸起邊的底殼中并加以固定。裝配過(guò)程：手工將塑料插座蓋板上的細管穿過(guò)底座上突出于外的導線(xiàn)針，放在底殼上的法蘭中；再用內空的沖頭 1 及其周邊四處凸出沖頭，將法蘭上四處沖壓出部分邊緣并進(jìn)入塑料插座蓋板的 4 個(gè)凹槽中壓緊，這樣就將塑料插座蓋板和底殼連接成一體。圖 1.5中，可伸縮定位銷(xiāo) 2 用于塑料插座蓋板位置定向。用于安裝并固定電氣插座底殼的夾具可換底座上有定位銷(xiāo) 3、4、5、6,針對不同的電氣插座可更換不同的底殼。

　　1.4.2 夾具在托盤(pán)上的快速安裝

　　目前機械產(chǎn)品以多品種、小批量、準時(shí)制和混流的生產(chǎn)模式為主，夾具的更換非常頻繁。針對這種生產(chǎn)情況，瑞士 EROWA 公司推出了 MTS 系統，建立了機床與工件之間的標準化接口。瑞士 EROWA 公司夾具安裝定位系統如圖 1.6 所示，帶有標準接口的卡盤(pán)與機床工作臺或托盤(pán)相連接，可固定在工作臺面上，經(jīng)校正后可建立接口的坐標原點(diǎn)。托板是連接工件與接口卡盤(pán)的中間媒體，托板上根據不同情況再安裝夾具或直接安裝工件。這種系統可大大縮短夾具更換安裝時(shí)間，并保證了夾具在機床上的安裝精度。其原理和模具的快速更換十分相似，其中的關(guān)鍵技術(shù)是這一系統的重復定位精度達到了 2~5 微米。

　　1.5 主要研究?jì)热?/strong>