Гибкие сборочные линии модульного типа на единой структурной основе

ГИБКИЕ СБОРОЧНЫЕ 
ЛИНИИ МОДУЛЬНОГО ТИПА 
НА ЕДИНОЙ СТРУКТУРНОЙ 
ОСНОВЕ

А.А. ИВАНОВ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
по образованию в области автоматизированного машиностроения 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям подготовки бакалавров и магистров: 
«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» 
и «Автоматизированные технологии и производства»

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.8(075.8)
ББК 34.43я73
 
И20

А в т о р :
А.А. Иванов (1931—2021), доктор технических наук, профессор, 
профессор кафедры «Автоматизация машиностроения» Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева, заслуженный деятель науки Российской Федерации

Р е ц е н з е н т :
В.А. Козлов, доктор технических наук, начальник отдела Научноисследовательского института измерительных систем имени Ю.Е. Седакова

ISBN 978-5-16-016615-5 (print)
ISBN 978-5-16-109197-5 (online)
© Иванов А.А., 2022

Иванов А.А.
И20  
Гибкие сборочные линии модульного типа на единой структурной 
основе : учебное пособие / А.А. Иванов. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 
265 с. — (Высшее образование : Бакалавриат). — DOI 10.12737/1196558.

ISBN 978-5-16-016615-5 (print)
ISBN 978-5-16-109197-5 (online)
В учебном пособии рассмотрены актуальные вопросы автоматизации 
сборки обширного ряда изделий машино- и приборостроения на базе высокоэффективных роботизированных переналаживаемых систем нового 
поколения, построенных на единой структурной основе. Показана возможность быстрой организации автоматизированной сборки новых типов 
изделий, которая обеспечивается наличием гибкого базового комплекта 
в составе комплекса (линии). Описан полный набор оригинальных технических средств для основных и сервисных операций сборки и контроля изделий. Приведены аналитические условия автоматической сборки, и даны 
рекомендации по оптимизации проектных решений и моделированию проектируемых сборочных систем.
Предназначено для студентов, обучающихся по учебным программам 
бакалавров, дипломированных специалистов и магистров, преподавателей 
технических вузов, а также конструкторов, технологов и ученых, занимающихся проблемой комплексной автоматизации сборки.

УДК 621.8(075.8)
ББК 34.43я73

Введение

Развитие производства выдвигает ряд научно-прикладных задач 
в области сборки обширной группы изделий машино- и приборостроения. Для решения этих задач необходимо разработать новые 
технологические приемы, позволяющие существенно упростить 
и улучшить конструкции систем манипулирования, в частности, 
за счет:
 
• совмещения функций контрольных и исполнительных органов;
 
• введения систем стимулирования операций совмещения деталей 
в процессе сборки, обеспечивающих переход от операций с вероятностным характером процесса к системам с гарантированным 
технологическим циклом;
 
• создания сборочных роботов нового типа, осуществляющих 
подачу деталей из навала, распознавание любых ключей ориентации, оценку величины ошибки совмещения элемен тов 
при установке деталей в позиции сборки.
Анализ показывает, что сборка основной номенклатуры изделий может осуществляться на гибких линиях нового поколения, 
в единой структурной основе которых лежит переналаживаемый 
базовый модуль, включающий все необходимые системы: загрузкивыгрузки, транспортную, исполнительную в виде сборочных головок, управления, включая контроль и диагностирование. Оперативное дооснащение базового модуля различными сервисными 
устройствами позволяет быстро решать задачу организации автоматизированной сборки любого конкретного изделия из научно 
обоснованного ряда. В этом случае резко сокращается основной 
цикл от разработки до внедрения новой техники.
Принцип построения гибких сборочных систем во многом определяется соотношением трудоемкостей основных операций сборочного цикла, в котором 70…80% приходится на операции подачи, 
ориентации и совмещения деталей и лишь около 20…30% — на операции соединения узла. Поэтому технологическая гибкость производственного сборочного комплекса в основном зависит от мобильности средств автоматического манипулирования объектами сборки, 
т.е. от их способности к быстрой переналадке при определенной 
универсальности, обеспечивающей независимость системы от характеристик собираемых изделий в пределах типоразмерного ряда.
Важной особенностью компоновочных схем переналаживаемых 
сборочных линий является сочетание автоматического оборудо

вания с механизированными рабочими местами, что позволяет уже 
на начальной стадии осуществлять комплексную механизацию сборочных производств с поэтапным переходом впоследствии к полностью автоматизированному производству. Поэтапный переход 
должен определяться параллельным процессом совершенствования конструкции и технологии сборки изделия. Независимость 
ручных операций от такта сборочной линии может быть обеспечена 
благодаря организации дополнительных накопителей спутников 
(спутник — транспортная тара для деталей) оператором в соответствии с его индивидуальной производительностью. Рабочие места 
имеют оптимальную с точки зрения эргономических требований 
конструкцию и оборудованы необходимым сборочным инструментом и приспособлениями.
Гибкие автоматизированные технологии сборки и полный комплект технических средств для манипулирования деталями и соединения сборочных единиц, представленные в необходимой логической связке, будут способствовать разработке общей теории 
и формализации процессов автоматической сборки на базе динамических классификаций изделий и операций пространственного 
манипулирования объектами сборки. В результате повысятся 
общий технологический уровень и эффективность сборочных производств. С развитием искусственного интеллекта автоматические 
сборочные системы приобретают способность к моделированию 
внешней среды, анализу производственной обстановки, принятию 
решений и планированию собственных действий.
В машино- и приборостроении имеются значительные резервы 
снижения трудоемкости, повышения производительности труда 
и качества выпускаемой продукции за счет автоматизации сборочных производств. Представленный материал развивает на современном уровне вопросы автоматизированной сборки. В нем 
максимально учтены новейшие отечественные и зарубежные достижения в технологии и технике сборки изделий машино- и приборостроения, обеспечивающие реализацию процессов на базе гибких 
роботизированных комплексов и линий нового поколения.
Представленный в учебном пособии материал после освоения 
студентом дисциплинарной части программы позволяет достигать 
показателей заданного уровня освоения компетенций, т.е. обучающийся должен:
знать
 
• структуру и аналитические условия автоматической сборки;
 
• принципы полной и частичной взаимозаменяемости в автоматической сборке;

 
• схемы базирования деталей при сборке пар: «вал — втулка» 
и «плоскость — плоскость»;
 
• компоновку и типовые модели стационарной и подвижной 
сборки;
 
• базовые комплекты-модули сборочных систем, основные узлы 
сборочных модулей;
 
• методы оптимизации проектных решений при создании сборочного комплекса;
уметь
 
• правильно выбрать и обосновать номенклатуру изделий, охватываемых базовым сборочным комплексом, и технологическую 
схему сборки;
 
• разработать и рассчитать схему базирования деталей при сборке 
и систему автопоиска в процессах совмещения деталей;
 
• разработать структуру базового комплекта сборочной линии;
 
• разработать компоновочную схему сборочного комплекса наибольшей производительности и технологической гибкости;
владеть
 
• навыками анализа структур сборочных систем;
 
• методами моделирования сборочных линий и комплексов;
 
• принципами оптимизации основных технико-экономических 
параметров гибких автоматизированных сборочных систем.
Настоящее учебное пособие органично входит в структуру образовательной программы бакалавриата, специалитета и магистратуры.

Глава 1. 
СТРУКТУРА СБОРОЧНОЙ ЛИНИИ 
МОДУЛЬНОГО ТИПА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЗАМКНУТОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМОЙ

1.1. СХЕМЫ БАЗОВОГО КОМПЛЕКТА И СБОРОЧНОГО МОДУЛЯ

Автономный сборочный модуль (СМ) служит основой для формирования гибких сборочных комплексов, линий и участков 
(рис. 1.1). В состав СМ входит базовый комплект (БК), операционный накопитель (ОН) деталей и система управления (СУ). БК 
включает сборочную головку (СГ), устройство загрузки-выгрузки 
(УЗВ), транспортную систему (ТС), координатную систему точного позиционирования (СТП).

СГ

УЗВ

ТР

СМ  БК + ОН

БК  СГ + УЗВ

На склад готовой 
продукции
ОН
+

Риc. 1.1. Схема БК в составе СМ:
СГ — сборочная головка; УЗВ — устройство загрузки-выгрузки; 
ОН — операционный накопитель; ТР — транспортный робот

Связь СМ с внешним миром осуществляет транспортный робот 
(ТР), показанный на схеме фрагмента сборочного участка (рис. 1.2).

СМ1
СМ2
ТР

Рис. 1.2. Фрагмент сборочного участка из двух сборочных модулей

Конструктивные схемы автономных сборочных модулей 
для мало- и крупногабаритных узлов представлены на рис. 1.3 и 1.4. 
Подобные СМ могут встраиваться в сборочную линию.

1

2

3

4

Рис. 1.3. Конструктивная схема автономного сборочного модуля 
для малогабаритных узлов:
1 — сборочный робот; 2 — транспортер спутников; 3 — кассета с деталями; 
4 — бункерное загрузочное устройство

Для сборки некрупных узлов подходит компоновка СМ с подвесным роботом 1 (см. рис. 1.3), транспортером спутников 2, бункерными загрузочными устройствами 4 и кассетным накопителем 3.

2

1

3

4
5

6

7

Рис. 1.4. Конструктивная схема автономного сборочного модуля 
для крупногабаритных узлов:
1 — транспортер кассет; 2 — сборочный пост; 3 — кассета с деталями; 
4 — напольный сборочный робот; 5 — подвесной загрузочный робот; 
6 — базовая деталь; 7 — транспортный робот

На рис. 1.4 показана примерная компоновка СМ для сборки 
крупногабаритных изделий, который состоит из сборочного 
поста 2, двух напольных сборочных роботов 4, подвесного робота 5 
для установки базовой детали 6 и транспортера 1 кассет 3 с деталями. Базовая деталь доставляется к СМ транспортным роботом 
(тележкой) 7.

1.2. ВАРИАНТЫ КОМПОНОВОК СБОРОЧНЫХ ЛИНИЙ 
С ГОРИЗОНТАЛЬНО-ЗАМКНУТОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМОЙ

Для сборки средне- и малогабаритных изделий в машино- и приборостроении широкое применение находят структуры подвижной 
сборки в виде линий с тактовым конвейером. Вдоль рабочей ветви 
линии располагаются автоматизированные рабочие места (АРМ) 
и автоматические сборочные посты (АСП). Сборочная линия 
с горизонтально-замкнутым тактовым конвейером спутников позволяет размещать АРМ и АСП вдоль обеих параллельных ветвей, 
благодаря чему длина линии может быть существенно сокращена 
(рис. 1.5).
Подобные СЛ для мелкосерийного производства можно выполнять достаточно гибкими, поскольку они допускают различные 
компоновки, сочетающие АРМ и АСП, а также возможность поэтапной автоматизации сборочного транспортного процесса. При переналадке модулей СЛ заменяются программа сборки, технологический спутник, захват загрузочного робота и сборочная головка 
(при необходимости). Коэффициент технологической гибкости 
рассчитывается по формуле

 
Г  
о

о
п

t
t
t
+
 · (1 – 1)
n ,

где tо  

o
1

n

i
i
t

n

=∑

 — среднее время обработки заготовок n типов; tп  



1

1
1

n

пi
i
t

n

−

=
−
∑

 — среднее время переналадки оборудования системы с i-й 

на j-ю заготовку (под знаком суммы стоит i  1); n — номенклатура 
заготовок, обрабатываемых на данном оборудовании системы.
Численные значения коэффициента технологической гибкости:
 
• Г  0,6…0,8 — средний уровень;
 
• Г  0,8…0,9 — высокий уровень.

3

3

2

2

1

1

4

4

Рис. 1.5. Структура СЛ с горизонтально-замкнутым тактовым конвейером 
спутников:
1 — привод конвейера; 2 — толкатель; 3 — АСП; 4 — АРМ

Принципиальные схемы среднего и конечных сборочных модулей СЛ с базовыми комплектами даны на рис. 1.6.

2
3
3

6

7
8
9

10

1

4
4

5

Рис. 1.6. Принципиальные схемы среднего и конечных сборочных модулей 
линии с базовыми комплектами:
1, 2 — обратная и прямая ветви конвейера; 3 — загрузочный робот; 
4 — сборочная головка; 5 — система управления; 6 — бункерное загрузочное 
устройство; 7, 10 — конечные сборочные модули; 8 — средний сборочный 
модуль; 9 — кассетные накопители

На рис. 1.7 показаны варианты компоновок сборочных линий 
с горизонтально-замкнутым тактовым конвейером спутников. 
На рис. 1.7, а дан вариант без дополнительного накопителя спутников. Вариант компоновки СЛ с дополнительной ветвью-накопителем спутников (рис. 1.7, б) используется для сборки сложных 
изделий с преобладанием постов ручной сборки.

1

1

2
3
а

б

4

Рис. 1.7. Варианты компоновок сборочных линий с горизонтально-замкнутым 
конвейером (а) и дополнительной ветвью-накопителем спутников (б):
1 — АРМ; 2 — спутник; 3 — транспортная система; 4 — АСП

В зависимости от заданной производительности СЛ базовый 
комплект СМ может включать один (рис. 1.8, а) или два (рис. 1.8, б) 
сборочных робота с соответствующим числом загрузочно-накопительных устройств (ЗУ).

1

1

1
а
б
2

3

4

4
4

3

2

Рис. 1.8. Базовые комплекты СМ для гибких сборочных линий с одним 
набором «робот — ЗУ» (а) и с двумя наборами (б):
1 — БЗУ; 2, 3 — прямая и обратная ветви конвейера соответственно; 
4 — сборочный робот

Пример сборочной линии модульного типа из пяти СМ дан 
на рис. 1.9. Базовые комплекты сборочных модулей выполнены 
на единой структурной основе.