生产制造总是从物料的供应开始的，然后经过一系列工艺，最终得到预期的产品。非标设备的设计与制作也是一样的，除了需要考虑必要的生产工艺外，还需要重点研究产品加工过程中的一系列物料供应和输送问题。物料能否实现自动供给，往往是一个项目可否实施自动化的前提，对应的机构设计也是设计工作的技术重点和难点之一。
能够实现物料整列（整理排列）和定向，并连续性供给到设备的机构，我们称之为供料机构（如果是机构或装置的组合，则称为供料系统）。
1.决定因素
具体到特定的项目，供料机构应该怎么来设计，主要取决于以下四个方面。
（1）产品结构 如果产品的结构设计贯彻了自动供料的思维，具备面向装配自动化的外形和特征，则能大幅提高实现自动化的可行性和成功率；反之，可能会造成诸多无谓的困难或浪费。从便于整列和定向的供料角度来说，产品结构设计要考虑的重点是方向是否便于识别，如图1-4所示；结构是否可避免缠搅，如图1-5、图1-6所示。
图1-4 垫圈产品结构
a）、b）方向不便识别 c）方向便于识别
图1-5 滚子销产品结构
a）易缠搅 b）不会缠搅
（2）来料包装 产品装配涉及的物料多种多样，而且可能来自不同的供应商，制造过程必然少不了包装和运输环节。一般来说，固体物料状态有两种：散料（处于杂乱无序的离散状态）和连料（处于规则有序的连续状态），这两种状态对应着不同的包装方式，也对应着不同的供料机构，分别如图1-7和图1-8所示。开展项目前，应该有一个评估供应商物料包装方式的环节，确认其是否适合本公司非标设备实现自动供料（由于连料包装方式相对简单，本书不过多介绍，如无特别说明，本书描述的供料状态基本上指的是散料）。
（3）基础工艺 能够实现散料整列、定向的基础工艺及其装置一般都很成熟，也有广泛的通用性，从机构设计的角度而言，只要熟练应用即可，并不需要过多地去深度研究。
图1-6 车削工件产品结构
（当d＞D时容易缠搅到一起）
从原理上看，典型的供料机构实现方式有很多种，如振动式、气压式（分为气吸式和气吹式）、旋转式、往复式等。尽管每个原理在细节应用上多种多样，但基础工艺大同小异，因此只要稍微梳理和总结，是比较容易掌握的。
例如小型的五金件或塑胶件，常用振动盘来供料，就是利用了振动式的基础工艺：电磁铁使料斗产生扭摆振动，物料便沿着螺旋轨道上升，直至出口，如图1-9所示。
图1-7 散料的包装方式和供料机构
例如弹簧这类容易缠搅到一起的物料，可用图1-10所示的设备来实现供料，它利用了气吹式的基础工艺：弹簧在气体的吹动下，有一定概率从料道排出，进而被输送到作业工位。
图1-11和图1-12所示分别为旋转式和往复式基础工艺应用的螺钉供应设备。
除非项目要求很特殊，在做供料机构时，原则上以采购和整合现成的供料装置为主，因为无论从成本还是性能来看，自己设计和制作都不占优势。图1-13所示是一个弹簧供料机，只需要从供应商处稍微了解一下性能参数，要来装置模型的外形尺寸，便可将其方便快捷地集成设计到设备中去，何乐而不为呢？这里也强调一点，出于工作的需要，既要多了解各类供料装置，也要多留意有哪些供应商，以备不时之需。
图1-8 连料的包装方式和供料机构
（4）品质要求 不同产品/物料有不同的品质要求，对应的供料方式或机构也是不同的。图1-14所示mini-USB产品的铁壳，外观表面有镀镍和镀锡两种，前者可用振动盘来实现供料，后者若也采用振动盘供料则容易被剐伤，所以一般改为连料的包装方式（铁壳与铁壳用料带连接，卷盘包装）。
如图1-15所示，现在要求做一个插端子机，就需要首先确认物料的状态，对品质要求较高的场合常采用连料（料带连接），反之散料更适合低成本模式（散针，袋装）。
总体来说，自动供料机包含了整列定向和连续供给两个重要的层面，前者取决于产品结构和基础工艺，而连续供给则往往可以通过非标机构实现，一般思维如图1-16所示。
图1-9 小型散料的标准供料设备——振动盘
图1-10 气吹式弹簧供料设备和原理
1—气管 2—喷嘴 3—斗体 4—排料滑道 5—投料口 6—上斗
图1-11 旋转式螺钉供应机
图1-12 往复式螺钉供应机
图1-13 弹簧供料机
图1-14 产品电镀方式会影响供料方式
图1-15 不同的物料状态会影响机构设计
a）连料 b）散料
图1-16 供料系统设计的学习建议
有人说，自动供料环节做得好，几乎就完成了自动化的90%，不无道理。考虑非标设备总体方案时，最重要的工作之一就是评估产品的物料整列定向、连续供给的技术可行性。电子行业自动化程度较高，与物料包装“规矩”和产品易于供料、上料、移料、收料有很大关系。在实际工作中也会遇到一些棘手的情况，类似图1-17所示的这些“没规矩”、不便包装的物料状态就不容易实现自动供料。遇到这种情况时，行业做法多是采用半自动化供料，或借助视觉系统+分拣机构间接实现。
图1-17 “没规矩”、不便包装的物料
当然，不容易≠不可以，在行业众多技术达人的不断摸索下，过去很多难度很大的领域都慢慢实现了突破。例如弹簧的供料，如图1-18所示，最大的问题就是容易缠搅到一起，采用图1-19所示的弹簧分离机（利用离心力原理）来辅助作业可以缓解这个问题。
2.基本构成
完整的供料系统（装置），通常包含供料、缓冲和分离等机构。以电子行业为例，典型的自动化供料装置如图1-20所示。一般来说，需要用到料仓的情况不多，为设计的可选项，当物料尺寸偏大，振动盘容量有限时，料仓（容积较大）可用于适时补给，避免频繁添料；振动盘为供料主体装置，能够对散乱的物料进行自动定向和规则排列，并通过流道将物料连续性输出，在电子行业中的应用十分广泛。直振，也叫直线输送器或平振，通过振动原理将物料沿直线送进，相当于一段具有动力的流道，起缓冲的作用（振动盘缺料时，直振能继续供料，避免设备停机）；分离机构担当的角色，则是让已有明确方向的连续性物料分成一组或单个，因为设备的工艺机构，实施的对象往往是一组或单个产品，这样首先就需要让进入设备的物料单元化和个体化，如图1-21所示。
图1-18 弹簧供料的难点是容易缠搅到一起
图1-19 弹簧分离机
图1-20 典型的自动化供料装置
（1）供料装置 最典型的供料装置莫过于振动盘了，价格方面，从几千元到几万元不等。振动盘的整列定向能力强大，因此应用十分广泛，如图1-22和图1-23所示，很多产品都可以通过振动盘来实现自动供料。
由于篇幅所限，本章不过多地探讨装置原理，仅从应用的角度来介绍振动盘。
图1-21 设备上的分离机构
图1-22 可通过振动盘供应的各类产品/物料
图1-23 振动盘的应用十分广泛
1）振动盘的类型。如图1-24所示，振动盘是一个特殊的标准设备，由底盘和顶盘构成，其中底盘为标准通用装置（同一规格的底盘可配用不同的顶盘），提供装置动力；而顶盘为人工打造（非标准，但不需要自己设计），起着储料和供料作用。一般来说，因为最影响品质的顶盘为人工打造，所以太大或太小的振动盘都不容易做，尤其是一些用于精密零部件的小型振动盘，普通的供应商难以确保品质，往往需要从国外采购，价格较高，每个动辄两三万元。
图1-24 振动盘的构成
振动盘的顶盘一般为不锈钢材料，其类型有以下几种，如图1-25所示。
图1-25 振动盘的类型
a）桶形顶盘 b）阶梯形顶盘 c）锥形顶盘
①桶形顶盘：形状简单，存储空间大，适合各种形状的工件，应用广泛，顶盘直径大概在ϕ100～ϕ1500mm。
②阶梯形顶盘：工件在流道内不易堵塞，用于分辨特简单的工件，顶盘直径大概在ϕ160～ϕ350mm。
③锥形顶盘：定向轨道长，能避免工件在轨道间的堵塞，适用于传送简单形状的零件，顶盘直径大概在ϕ160～ϕ350mm。
2）振动盘的规格。主要指的是底盘规格，不同的底盘可承受的顶盘重量有差别（配不同顶盘），一般可通过厂商的产品型录获得（不同厂商的产品介绍大同小异），如图1-26所示。具体到当前的某个项目机构，到底用多大的底盘才适合物料供给，机构设计人员最好能够做到心中有数，起码要知道大致的数据，因为做设计时，振动盘是其中一个机构组件，不同的规格不同的空间尺寸，是要体现在设计图上的。
3）振动盘的技术要求。实际的做法是，当有项目要开展时，把具体的供料要求和一定数量的样品提供给供应商，由供应商进行专业的验证和评估。类似以下这些技术要求，一般罗列并注释在振动盘的外形尺寸示意图上，提供给供应商。
图1-26 振动盘厂商的型录举例
①大致空间尺寸（高度、直径的参考尺寸，包括出料方向），用示意图表达。
②出料速度，一般定义为每分钟出料的个数。
③振动盘容量，即选用多大规格（底盘）振动盘。
④通用要求，例如不反料、不卡料、具体的电气规格等。
⑤特殊要求，例如希望振动盘一次同时出几个产品（一般是一次出一个产品，图1-27所示为一次性出六个产品）；例如增加隔音棉防护罩，降低噪声、防尘；例如是否需要增设料仓……
4）振动盘的应用经验
①如果塑胶件又轻又薄，则容易因为静电等原因粘连到一起造成供料不顺，可采用静电风扇吹物料，或者要求供应商对盘面进行喷砂、涂胶。
②振动盘是一个特殊的标准化装置（底盘通用、外形相近），但由于顶盘为纯手工打造，师傅的技能水平会影响质量，因此采购时需要注意甄选供应商。
③供料的原理是靠振动，因此物料一般是刚性物体，如遇到软的或有弹性的胶体（如硅胶环之类的），会因为吸振造成送料效果不佳。
④振动盘只是供料系统的一个环节，因此在其品质得到保证的前提下，周边配套机构（如缓冲机构、分离机构等）的设计是否合理和稳定，也会影响供料的效果。
图1-27 一次出多个料的振动盘
⑤有些产品结构特殊，振动盘没办法分出方向（即不能定向），则一般会在振动盘之后增加分选机构（先用CCD或光纤检测后，再机械式纠正方向）。
⑥振动盘对于产品或多或少有破坏作用，因此一般外观要求苛刻或者容易受损的物料，不太适合采用振动盘来供料。
⑦由于振动盘的振动对设备有一定的不良影响（如紧固件易松脱、产品会抖动、检测信号不稳定等），因此对于大多数精密装配，尤其是带有检测设备的情况，不要将振动盘设计到设备上面（应独立机架，另行安装）。
（2）缓冲装置 这里的缓冲可以理解为，在供料装置缺料时，不会立即影响设备的正常运行，常用的缓冲装置大概有三种，如图1-28所示。缓冲装置作为桥梁，一般设置在供料装置和设备移料机构之间，相当于一段有动力的流道。缓冲装置的设计有很多讲究。缓冲装置上的储料（流道）长度建议是：在自动供料装置缺料时，至少能维持设备0.5～1min的作业时间，这样操作员在添加物料过程中，设备不至于因短暂缺料而停机。(www.zuozong.com)
图1-28 常见的缓冲装置
a）直振 b）输送带 c）倾斜流道
1）直振缓冲。机构用到的直振为外购装置，只需要设计物料流道和固定支架即可，如图1-29所示。外购的直振，也有相应的规格，如图1-30所示，一般根据流道的长短或重量来选定（亦可咨询供应商），同时要注意流道和直振之间有一个安装的尺寸配比关系，如图1-31所示，不照此尺寸配比，可能运行效果会打折扣。
图1-29 直振的机构设计
图1-30 直振的规格及安装
图1-31 直振的流道安装尺寸配比
由于直振的制作工艺比较粗糙，因此作为标准装置，在外形尺寸上难以达到设备的精度要求，所以通常需要提前做好可调性方面的设计，主要是高度方向和送料行进方向，前者有螺栓固定和垫块支撑两种常见方式，后者则一般把螺钉安装孔开成长条孔，如图1-32所示。
图1-32 直振机构的可调性设计
具体设计上还有很多细节需要留意，具体如下：
①直振缓冲机构，一般和振动盘配合使用，有一定的噪声，推送物料的力量不大，适用于比较轻薄或细小的产品，流道要做得很顺滑，否则容易卡料。
②产品长度尺寸大的场合，为了确保缓冲效果，可能需要加长流道，但如果直振承载不足，效果反而不佳，此时可用两个直振接短流道再一前一后拼装到一起。
③直振流道有振动，与其衔接的流道要有足够的导向，例如可以斜切口相接，如图1-33所示，物料在过渡位置的导向，图1-33b比图1-33a充分些。
图1-33 流道的断口设计比较
a）导向不充分 b）导向充分
2）带输送机。带输送机用于连续或间歇性地输送各种轻重不同的物品，如果接在自动供料装置之后，则和直振缓冲机构的作用类似，起物料供给和缓冲的作用，规格尺寸多样，适用面更广。输送带的动力源是电动机，通过调节电动机转速和转向，可控制供料速度和方向；输送带通过与物料之间的静摩擦力带动物料行进，因此要确保阻力不大于该静摩擦力。
市面上有很多标准输送机，可以外购或订制，但在某些物料输送场合，往往需要非标机构，尤其是小尺寸的输送机，多数是自己设计，如图1-34和图1-35所示。
图1-34 非标设计的输送机（输送产品）
图1-35 非标设计的输送机（输送载具）
3）倾斜流道。通常情况下，物料会被赋予一定的输送动力，例如吹气、直振、输送带摩擦等，还有一个也是常用的但隐藏起来的力，那就是重力。重力的特性就是垂直向下，和物料质量成正比。
倾斜流道就是利用物料重力在流道方向的分力驱动的缓冲机构，物料靠工件的重量堆叠推挤。倾斜流道要和设备流道相接，因此会有一段水平部分，斜槽要足够长，工件要装载到一定数量，才能确保“推”得动。如图1-36所示，倾斜流道的设计，有一些理论可以遵循。此外，还要注意以下几点：
①流道应该可靠固定，并便于拆卸，安装斜角至少应达到可使物料克服与滑槽间的摩擦阻力，一般在40°以上。
②流道大致尺寸根据供料装置和设备入口的高度来定，倾斜和水平部分的弧线曲率半径越大越好。
③斜槽的精度较差，不太适合细小轻薄的产品或精度要求较高的场合。
图1-36 倾斜流道的设计要点
特殊情况，是把倾斜流道做成圆弧形或者竖直的形式，如图1-37所示。
图1-37 圆弧形流道和竖直流道设计
a）圆弧形流道 b）竖直流道
在设计缓冲装置时，只要抓住它的一些特点和用途，处理起来就比较灵活了。例如，要增加缓冲的效果，可以在倾斜流道的水平段再接一个直振或输送机缓冲机构。
（3）分离机构 散料经过整列定向后，一般是连续性流动，但在实施工艺时，往往又是单个/单组作业，所以大多数情况下，供料（缓冲装置）之后、上料之前需要一个能将物料从连续运动物料流切割成“单个或单组状态”的机构，即分离机构。常见的分离机构形式如图1-38所示。
分离机构很简单，但是细节没考虑周全和做到位时，故障和问题也比较频繁。由于机构的功能是将供料切整为散，除了要注意防止物料剐伤的问题，还有以下几个设计要点。
图1-38 常见的分离机构形式
a）上下错位分离 b）水平错位分离 c）分度旋转分离 d）双气缸分离
1）位置检测。分离机构一定要设置“眼睛”，就是要有感应器来判断物料是否到位，绝对不要让分离动作盲目化，否则容易卡料。
2）防止跑位。应避免跳动，如上下分离，例如遇到物料轻薄的情况，要考虑给接触产品的工件增加吸附功能（接真空装置），或者增加盖紧装置，这样在分离时能使产品在上料前保持正确的位置。
3）调整方便。很多产品是系列化的（长度不同），机构可能要设计成多料号共用的情形，此时就要注意机构的调整性。一般来说，按最长的规格去设计，然后向最短方向进行调整，如图1-39所示。
图1-39 适用不同料号的分离机构设计
（4）其他类型 根据产品结构和物料包装，常用的供料机构还有很多，下面再列举几个模式。
1）塑料管包装方式的供料。如图1-40和图1-41所示，这类方式主要用于成品或半成品之类的怕损伤的物料，先放到塑料管内，再一次性将管子叠放到设备的定位座，通过吹气将物料吹入供料流道。产品被吹送完后，空管自动排出，下一个管子继续供料。
注意：
①管子对产品的定位要好，不能碰触产品的薄弱位置，也不能让产品在里边晃动或叠到一起。
②管子和机构的流道结合要顺滑，关键位置必须设置检测装置。
2）塑料盘包装方式的供料。如图1-42所示，大量的产品在搬运过程中会用到塑料盘（在生产线流动、用于承载工件在生产线上运转的，也叫吸塑盘或tray盘）包装
图1-40 塑料管水平摆放送料（吹气）
图1-41 塑料管倾斜摆放送料（重力）
图1-42 塑料盘包装方式
（物料摆放到塑料盘后，再叠放成摞），也有对应的供料机构，如图1-43所示。
3）半自动化的方式。很多不方便或不容易自动供料的场合，常常采用半自动（人工小批量加料，整列定向）供料方式，实现方法也很多，例如靠重力来实现的倾斜流道（见图1-44），或使用弹夹容器（形象的叫法，是倾斜流道的特例，见图1-45）。一般来说，需要注意以下几个要点。
图1-43 适用塑料盘包装方式的供料机构
①放置产品的辅助机构，在细节上要做到位，如导向、防呆、缓冲等机构，要考虑很多，例如人是站着还是坐着作业（是否舒适）。
②确保产品本身可以贴合到一起，同时不会缠搅或反转。
③利用重力，如果是斜面，要考虑动力是否足够。
④分离机构要能实现产品顺畅有序地落到关联机构上，要考虑缓冲是否充裕，不要出现作业员打个盹生产就停下来的情形。
自动化程度较高的，通常是一些产品的自动化供料能够得到保障的行业。首先是产品本身的特征适合整列定向（如方方正正的塑胶），其次是有一些成熟的适用于这种要求的基础工艺设备（如振动盘或供钉机）。而一些冷门或技术不成熟的行业，则由于产品本身难以整列定向以及缺乏一些基于理论和实验的工艺设备来克服，给自动化的实现增加了很大的难度。对于产品定向整列的研究，说一般非标设计者无能为力，并不是说就一定做不出来（如市面标准的供钉机），只是绝大多数从事普通非标设计的人员，在理论基础方面的广度和深度有所欠缺，同时也没有太多精力和动力去做这个事情，所以很少有成功的。
图1-44 用于摆放产品的倾斜流道
图1-45 用于摆放产品的弹夹容器
对难以自动供料的场合，要实现自动化生产，可尝试努力的方向是什么？如图1-46所示，这些问题都需要认真检讨和总结，才能更好地掌握。
除此之外，给广大读者如下几点建议。
1）限于篇幅有限，本书只能对典型案例进行介绍，但在康博连接网都能找到相同或类似的3D图样，如图1-47所示，读者朋友们可以下载后反复查看细节，结合本书的阐述，认真揣摩设计。
图1-46 难以自动化供料时的建议
图1-47 康博连接网的图样（案例）
2）熟悉市面各种可以实现整列定向和连续供给功能的装置，如振动盘、电泵、供钉机等，清楚什么时候可以用上，以及怎么用，要用的时候可以向哪些供应商（名录）采购，同样的产品有哪些特点（例如同样是供钉机，不同原理不同方式就有不同的特点，见表1-1）等。
表1-1 不同方式供钉机的使用特点
3）供料机构常见的问题是供料不顺或损伤物料（原因是多方面的，见图1-48），因此必须掌握一些物料连续供给机构的细节设计，如直振、倾斜流道、输送带装置等，这些通常都是接在有整列定向功能的自动供料装置之后，作为供料系统的重要组成部分，对机构的工作性能影响显著。
图1-48 供料不顺或损伤物料的主要原因
①定位不佳的原因是多方面的：例如没有考虑到塑胶进胶口和五金件合模线（设计前要看看在哪个位置）的避位；例如定位的是物料容易受前段工艺影响而易波动的尺寸方向（见图1-49）；例如没有遵循物料行进方向的“定位面就长就宽”原则；例如流道和物料的间隙不恰当等。
图1-49 物料部分尺寸受前段工序影响较大
②所谓智能，就是自动识别并进行相应处理。例如，借助视觉系统提前分析判断物料状态（OK就装配，NG则排除），使用光纤感测物料位置（物料是否到达装配位置），不能简单地把动作延时作为条件来定义机构的工艺动作，应多利用感应器或检测元件来实现。
③来料尺寸不稳定，但不是影响装配结果（例如定位或尺寸）的情况，可尝试考虑增加导引或防呆机构来克服；如果装配的物料尺寸波动太大并且无法克服，那么最好是请客户改善物料，否则建议放弃这样的项目！
④卡料问题大都发生在流道与流道之间的衔接口，当出口限位或入口导引不佳时，就容易出现物料卡住现象。
除了上述原因之外，还可能出现的状况是：推进物料动力不够，例如直振选小了或安装尺寸配比不对，可能会造成物料行进缓慢的现象。
当对机构可能出现的问题有较为全面的认识并在设计上做好预防措施后，也意味着机构的稳定性和可靠度得到了保障，这也是为什么很多行业前辈建议设计新人要深入一线实践的原因。
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