丁 飛 黃 銳

發(fā)動機(jī)裝配線鎖片壓裝機(jī)的改進(jìn)

丁 飛1黃 銳2

（1. 同濟(jì)大學(xué) 上海200092；2. 上海ABB工程有限公司 上海201319）

隨著工業(yè)化社會的快速發(fā)展，汽車生產(chǎn)呈現(xiàn)出大批量、多樣化、高效化趨勢，也決定了生產(chǎn)線技術(shù)的發(fā)展方向，自動化、柔性化、智能化。在發(fā)動機(jī)裝配生產(chǎn)線中，鎖片壓裝機(jī)是缸蓋線中核心工位，一臺高效高質(zhì)量鎖片壓裝機(jī)將對生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用。目前常用的鎖片壓裝機(jī)多為手動或半自動設(shè)備，不僅精度不高而且效率低下，難于實現(xiàn)柔性化。因此設(shè)計一種自動化智能鎖片壓裝機(jī)提高生產(chǎn)線效率，是汽車生產(chǎn)迫切需要的。

鎖片 座圈 機(jī)器人 氣缸 伺服電機(jī)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國民生活水平也在不斷提高，近幾年中國已經(jīng)成為汽車第一消費大國，汽車銷量不斷增長。機(jī)械制造及相關(guān)技術(shù)的提升，自動化技術(shù)有著重大發(fā)展和應(yīng)用以滿足市場需求。隨著工業(yè)機(jī)器人與機(jī)械手的問世，如何高效完成大批量裝配已成為加工裝配制造業(yè)所面臨的問題。針對人力成本的不斷提高以及生產(chǎn)高效化要求，用自動化裝配線來替代傳統(tǒng)的手工裝配已經(jīng)成為了趨勢。

根據(jù)某款汽車的產(chǎn)能需求，下面介紹某公司為汽車在其發(fā)動機(jī)裝配線中將鎖片壓裝工位由原先的人工操作上料壓裝，升級為全盤自動化的操作，包括自動壓裝鎖片、自動搬運工件以及上料。

在介紹鎖片壓裝工位前，先了解缸蓋中的氣門座圈和鎖片，如圖1所示，缸蓋中有進(jìn)氣和排氣側(cè)氣門各8個，前道工位先將氣門彈簧放入氣門桿中，鎖片壓裝工位是將氣門鎖片和氣門座圈一同壓到氣門桿上。

圖1 缸蓋結(jié)構(gòu)示意圖

原來的生產(chǎn)線中鎖片壓裝工位如圖2所示。鎖片壓機(jī)在缸蓋線上，需要配置1名操作工，來輔助上鎖片座圈，占用了人力成本。

圖2 鎖片壓裝工位圖

為了滿足產(chǎn)能和節(jié)拍要求，鎖片壓裝工位須平行分成兩組進(jìn)行壓裝，才能滿足生產(chǎn)。圖3為該鎖片壓裝工位在缸蓋線中的布局圖。在圖中可以看出，缸蓋進(jìn)入該工位，在輸送輥道線上分流，分別安排兩組操作工，在工位上操作。操作工首先將鎖片座圈放入座圈工裝板中，鎖片通過震動上料盤，將鎖片分別送進(jìn)預(yù)先設(shè)計好的8個通道的氣管中，通過氣管吹入到壓裝裝置中的鎖片壓頭中，壓裝上料準(zhǔn)備就緒。缸蓋進(jìn)入工位，由輥道上的頂升裝置將發(fā)動機(jī)頂起，對發(fā)動機(jī)作精定位，再將發(fā)動機(jī)翻轉(zhuǎn)成氣門孔位與輥道成垂直方向，然后頂升側(cè)面定位氣缸將頂升翻轉(zhuǎn)板鎖死，從而保證缸蓋角度的位置。操作工按下工位前的雙手按鈕，座圈通過氣缸將座圈工裝板運送至壓頭機(jī)構(gòu)下部，壓頭機(jī)構(gòu)通過真空吸附將座圈吸附到壓頭，壓裝裝置中的鎖片壓頭通過基座立柱上方的氣缸帶動壓頭機(jī)構(gòu)下移，將缸蓋氣門彈簧壓下。待壓頭落位到氣門桿螺紋槽口位置，氣門桿的環(huán)槽與鎖片三凹槽相扣合，壓頭中的夾爪閉合依靠下端定位塊托住鎖片，將鎖片推入到氣門桿環(huán)槽中，隨后張開夾爪，同時壓裝裝置中壓頭機(jī)構(gòu)帶動氣缸縮回，從而氣門座圈錐面與錐形鎖片自動鎖死扣合，完成鎖片的整個壓裝過程。

圖3 鎖片壓裝工位在缸蓋線中的布局圖

在大批量生產(chǎn)過程中，缸蓋角度的翻轉(zhuǎn)，以及壓裝機(jī)構(gòu)的下壓都采用了氣缸作為動力源，由于氣缸的穩(wěn)定性較差，并且定位精度不夠高，鎖片壓裝合格率很難達(dá)到99%的合格率，并且氣缸是通過機(jī)械定位死檔塊來保證壓裝位置。而缸蓋的角度翻轉(zhuǎn)位置，是由圖4中頂升角度翻轉(zhuǎn)氣缸的伸出或縮回，來達(dá)到翻轉(zhuǎn)角度位置。角度精定位依靠頂升角度翻轉(zhuǎn)定位氣缸插入頂升板中的定位孔來調(diào)整，死檔塊的磨損，以及擋塊螺紋口的松動都會給壓裝鎖片的合格率造成直接的影響。而且缸蓋隨托盤一起進(jìn)入工位，頂升機(jī)構(gòu)將托盤頂起并翻轉(zhuǎn)。由于輸送線上有上百個托盤，受托盤定位的精度等影響，造成多環(huán)節(jié)的精度誤差。

從上述分析中可以看出，在自動化程度上可以優(yōu)化來減少生產(chǎn)線上的人力成本，以及生產(chǎn)線要滿足節(jié)拍的要求在該工位平行分線，造成設(shè)備成本上的增加。從壓裝合格率來看，可以盡可能的減少壓裝過程中尺寸鏈環(huán)節(jié)，選擇精度更高的驅(qū)動裝置來保證壓裝的合格率。

為了滿足缸蓋的自動化生產(chǎn)，控制成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，滿足合格率要求。對原來的鎖片壓裝工位，優(yōu)化了布線，并且在該區(qū)域用一個機(jī)器人替代操作人工，實現(xiàn)自動物料搬運。將原先的半自動化工位轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的智能自動化工位。并不再用平行布局的輸送線，采用輥道直線段直接輸送缸蓋完成。圖5所示的6臺設(shè)備能滿足兩種機(jī)型的壓裝工位，都采用了離線自動化壓裝。這種布局方案，使得輸送線更加緊湊，減少輸送線的段數(shù)，布局更加精簡，這樣在控制策略以及機(jī)械環(huán)節(jié)上都比原來有了更良好的擴(kuò)展和定位精確度的提高。

圖5 鎖片壓機(jī)布局模擬圖

從圖5中的自動化改造鎖片壓機(jī)布局和模擬圖，來分析該種布局的壓裝完成過程，以及該輸送的優(yōu)勢。布局圖中自動化工位采用了機(jī)器人從缸蓋搬運點A將缸蓋放置到離線自動化壓裝機(jī)的工作臺上，壓裝機(jī)開始壓裝鎖片，此時托盤流入缸蓋放置點B同時機(jī)器人將抓取下一個進(jìn)入缸蓋搬運點A的缸蓋，放置到離線壓裝機(jī)的工作臺上。此時機(jī)器人在缸蓋搬運點A抓取一缸蓋到離線壓裝機(jī)處等待，待壓裝結(jié)束后，抓取前一臺缸蓋，然后放置新抓取的缸蓋到離線壓裝機(jī)的工作臺上，再放置壓裝好的缸蓋到缸蓋放置點B的托盤上從而完成一個循環(huán)。后續(xù)缸蓋重復(fù)此循環(huán)完成離線壓裝搬運到線上的該工位的自動化裝配產(chǎn)線。該方式通過托盤上的RFID記錄發(fā)動機(jī)的機(jī)型，進(jìn)入工位讀取RFID上的信息，機(jī)器人可以根據(jù)該信息，清晰的將機(jī)型辨別從而搬運到事先布局好的離線壓裝裝置中完成正確機(jī)型的壓裝。該布局也使得產(chǎn)線在該段運行更簡潔清晰，不用形成兩岔道，而在壓裝完成后再匯合，這樣可能會減少托盤的堆積。

從壓裝設(shè)備上分析，根據(jù)經(jīng)驗在優(yōu)化方面考慮到減少壓裝過程中的尺寸鏈對壓裝精度的影響，將翻轉(zhuǎn)和壓裝工序離線操作，直接用機(jī)器人將缸蓋從托盤上取出，隨即搬入到離線工作臺上，這樣去除了壓裝過程中托盤定位精度影響。原來的設(shè)備其驅(qū)動裝置都采用氣缸，穩(wěn)定性不是非常理想，在該離線壓裝機(jī)上，為了避免氣缸加擋塊的定位方式所產(chǎn)生的誤差，圖6中設(shè)計壓裝頭機(jī)構(gòu)下壓環(huán)節(jié)設(shè)計為伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠配直線導(dǎo)軌的形式，來保證壓裝位置的精度。將離線工作臺中翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改用伺服電機(jī)帶編碼器來保證角度翻轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。缸蓋的翻轉(zhuǎn)先由伺服電機(jī)翻轉(zhuǎn)到進(jìn)氣側(cè)氣門垂直輥道的方向，靠伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)軸，在該自動設(shè)備完成進(jìn)氣側(cè)的壓裝循環(huán)后，伺服電機(jī)再反向翻轉(zhuǎn)到排氣側(cè)垂直輥道方向，選用伺服電機(jī)的正翻轉(zhuǎn)和反翻轉(zhuǎn)都能較精確的保證翻轉(zhuǎn)角度，也為壓裝合格率奠定了基礎(chǔ)。這樣一臺設(shè)備可以完成進(jìn)排氣側(cè)自動壓裝。一條輸送線兩個自動化壓裝設(shè)備來保證該工位的節(jié)拍要求。

圖6 改進(jìn)后缺蓋翻轉(zhuǎn)裝置

原來的鎖片壓裝設(shè)備中，由人工上料座圈，為了滿足機(jī)器人來搬運缸蓋，使壓裝過程全自動化，須將座圈改用自動上料的形式，通過震料盤將座圈直接輸送到座圈工裝板上，由氣缸將工裝板推入壓頭吸附座圈點。在自動上料裝置中，又設(shè)計了兩個自動震料盤來滿足座圈的自動上料，從而實現(xiàn)該工位的全自動化。

經(jīng)過鎖片工位的自動化改進(jìn)設(shè)計，以及上述介紹的動力裝置的改進(jìn)，設(shè)置離線工作臺來直接定位缸蓋，減少托盤產(chǎn)生的精度誤差，生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)的過程中，合格率和壓裝質(zhì)量有了較明顯的提升，從而達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計要求。

隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)的不斷擴(kuò)張和產(chǎn)能要求的不斷投高，未來生產(chǎn)線上的自動化程度將大大增加，本文中介紹的發(fā)動機(jī)裝配線上的鎖片壓機(jī)工位自動化改造也是今后自動化產(chǎn)線上的一個必然趨勢。