許道憲

（廣州市嘉特斯機(jī)電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的關(guān)鍵零件之一，其加工工藝復(fù)雜，精度要求高，它的加工質(zhì)量和精度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的整體性能。在生產(chǎn)制造過(guò)程中，由于種種原因，氣缸蓋的實(shí)際變形往往會(huì)超過(guò)產(chǎn)品的允許變形量，嚴(yán)重影響了氣缸蓋的質(zhì)量，甚至導(dǎo)致了出現(xiàn)廢品缸蓋。

傳統(tǒng)壓裝設(shè)備只能針對(duì)單一型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行壓裝，生產(chǎn)效率低，且無(wú)法在機(jī)加、裝配過(guò)程中實(shí)現(xiàn)壓裝精度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)加、裝配多機(jī)型柔性共線生產(chǎn)質(zhì)量，且使用的液壓裝置容易泄漏，造成環(huán)境污染。在此背景下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋智能壓裝技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，大大提升了壓裝設(shè)備的節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保水平，促進(jìn)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能化制造的發(fā)展，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量穩(wěn)定性。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋導(dǎo)管、座圈智能化壓裝裝置總體構(gòu)架

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋導(dǎo)管、座圈壓裝裝置（圖1）總體組成有缸蓋輸送系統(tǒng)、缸蓋定位系統(tǒng)、壓裝系統(tǒng)、上料系統(tǒng)和座圈冷卻系統(tǒng)。工件通過(guò)缸蓋輸送系統(tǒng)進(jìn)入噴油機(jī)構(gòu)進(jìn)行缸蓋定位，進(jìn)入上料系統(tǒng)后通過(guò)機(jī)器人進(jìn)入壓裝系統(tǒng)，最后進(jìn)入冷卻系統(tǒng)。

圖1 缸蓋導(dǎo)管、座圈智能化壓裝裝置整體圖

工作流程：工件通過(guò)自動(dòng)輥道進(jìn)入上料輸送線→機(jī)種識(shí)別→進(jìn)入噴油機(jī)構(gòu)→缸蓋定位并舉升→噴油機(jī)構(gòu)對(duì)缸蓋的導(dǎo)管/座圈孔進(jìn)行噴霧→缸蓋下降→機(jī)種識(shí)別→上料工位定位并舉升→機(jī)器人抓取缸蓋進(jìn)入壓裝工位→機(jī)器人帶夾具翻轉(zhuǎn)13.9°→進(jìn)氣座圈上料→進(jìn)氣座圈壓裝→進(jìn)氣導(dǎo)管上料→進(jìn)氣導(dǎo)管壓裝→機(jī)器人帶夾具翻轉(zhuǎn)13.9°→排氣座圈上料→排氣座圈壓裝→排氣導(dǎo)管上料→排氣導(dǎo)管壓裝→夾具回原位→機(jī)器人帶夾具缸蓋回原→機(jī)器人把缸蓋放入下料工位→缸蓋下降→缸蓋通過(guò)機(jī)動(dòng)輥道進(jìn)入下一機(jī)床。

（1）在通過(guò)機(jī)器人裝料的安裝工位中給不同的氣缸蓋類型自動(dòng)裝配進(jìn)氣座圈、排氣座圈和氣門導(dǎo)向裝置。通過(guò)輸送裝置給安裝工位供應(yīng)用于安裝任務(wù)的各種安裝件。機(jī)器人抓取工件，并將其保持在安裝工位的壓入裝置中。

（2）通過(guò)智能傳感器和機(jī)器人的融合，滿足柔性化生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)缸蓋氣門導(dǎo)管、氣門座圈的精確定位，保證恒定、安全的壓裝控制，實(shí)現(xiàn)壓裝高質(zhì)量及可視化人機(jī)界面，隨時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓裝的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

（3）通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定各種工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)變量和信息，實(shí)現(xiàn)壓裝參數(shù)儲(chǔ)存等智能化判斷，使各參數(shù)可在系統(tǒng)中追溯。

（4）采用現(xiàn)場(chǎng)總線使整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度達(dá)到1.5 Mb/s，伺服驅(qū)動(dòng)控制使系統(tǒng)重復(fù)定位達(dá)到0.03 mm，為高精度、高效率的壓裝奠定了基礎(chǔ)。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋導(dǎo)管、座圈智能化壓裝裝置的設(shè)計(jì)組成

2.1 機(jī)座滑臺(tái)機(jī)構(gòu)

主要由Q235A鋼板焊接后機(jī)加而成，為框架機(jī)構(gòu)。組成機(jī)構(gòu)之間采用定位銷定位、螺栓連接，整體簡(jiǎn)單、美觀，定位精準(zhǔn)，剛性好，組件和零件可以單獨(dú)拆卸，方便檢修和保養(yǎng)。

2.2 導(dǎo)管座圈上料機(jī)構(gòu)

主要由導(dǎo)管送料機(jī)構(gòu)、座圈正反識(shí)別機(jī)構(gòu)、座圈送料機(jī)構(gòu)和氣缸組成。氣缸采用SMC產(chǎn)品，整體結(jié)構(gòu)緊湊、合理，進(jìn)排氣導(dǎo)管和座圈選料同時(shí)工作并分開，保障上料緊湊且正確，節(jié)約了時(shí)間。

2.3 缸蓋翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

主要由機(jī)器人+夾爪夾緊裝置、翻轉(zhuǎn)氣缸、導(dǎo)向滑軌組成，夾緊裝置保證缸蓋夾緊后在移載和翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中不會(huì)脫落，翻轉(zhuǎn)角度由機(jī)器人提供缸蓋翻轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力，夾持和翻轉(zhuǎn)到位后有開關(guān)感應(yīng)，保證每個(gè)動(dòng)作的位置檢測(cè)及整體機(jī)構(gòu)的互鎖。

2.4 平衡式壓裝機(jī)構(gòu)

（1）壓裝過(guò)程中控制系統(tǒng)發(fā)出指令將上部導(dǎo)管壓裝單元向下移動(dòng)接觸到缸蓋，抬起下部座圈壓裝單元將座圈裝入上料夾具中，上料夾具自動(dòng)打開，電動(dòng)缸抬起夾具并壓裝座圈。

（2）控制系統(tǒng)判斷上述動(dòng)作完成，控制導(dǎo)管壓頭解鎖，壓頭下降并壓裝座圈，結(jié)束壓裝。

（3）控制系統(tǒng)發(fā)出指令，缸蓋向前移動(dòng)一個(gè)工位，并將座圈送入上壓頭，重復(fù)上述工序完成導(dǎo)管、座圈壓裝。工件在壓裝過(guò)程中由控制系統(tǒng)進(jìn)行壓裝位移和壓力的智能調(diào)節(jié)。

平衡壓裝機(jī)構(gòu)將壓裝力轉(zhuǎn)化為作用于缸蓋上的內(nèi)力，避免了工件壓裝過(guò)程中被壓變形，能夠使座圈與缸蓋底孔達(dá)到完全貼合的程度，每個(gè)壓裝裝置都有一個(gè)自動(dòng)平衡力單元來(lái)自動(dòng)平衡壓裝力。

2.5 防護(hù)組件

主要由鋁型材、60×60方管及鋼絲網(wǎng)組成，用于保證設(shè)備被隔離，方便操作員操作，保障了操作員的安全，人機(jī)工程合理高效。

由于環(huán)境溫度的變化和機(jī)器人或機(jī)器部件在運(yùn)行時(shí)變熱會(huì)產(chǎn)生微小膨脹，如果工件位置錯(cuò)誤，會(huì)在壓入過(guò)程中導(dǎo)致?lián)p壞。環(huán)境溫度的變化也可能導(dǎo)致機(jī)器部件長(zhǎng)度發(fā)生變化。所以采用常溫壓裝，氣門導(dǎo)管、閥座底孔里必須涂入規(guī)定型號(hào)的油，并采用激光傳感器進(jìn)行測(cè)距和溫度補(bǔ)償。

3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋導(dǎo)管、座圈智能化壓裝裝置的智能控制原理

（1）PLC控制系統(tǒng)：在氣門導(dǎo)向裝置和氣門座圈壓入操作前，檢查機(jī)器人抓手上工件的位置，可以通過(guò)PLC程序進(jìn)行偏置修正。系統(tǒng)控制器采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC，由于設(shè)備工位較多，I/O信號(hào)分散在各個(gè)工位，系統(tǒng)采用基于Profibus總線的分布式I/O控制方式。設(shè)備HMI選用SIEMENS公司最新推出的多功能操作屏幕MP277，該屏為10寸64K色液晶顯示屏，顯示區(qū)域大，顏色豐富，通過(guò)屏上功能按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作。MP277提供完整的設(shè)備故障及報(bào)警信息，便于操作人員盡快找到故障；集成DP接口，通過(guò)該接口可以方便地集成到Profibus總線網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)總線和PLC完成數(shù)據(jù)通訊。

（2）交互信息：氣門導(dǎo)向裝置和氣門座圈壓頭配備壓力傳感器，荷重計(jì)采用全球知名的日本KYOWA（共和）公司產(chǎn)品，位移傳感器為日本基恩士公司產(chǎn)品，采用研華P-MMX系列工控機(jī)將數(shù)據(jù)描述成動(dòng)態(tài)曲線圖形與輸入電脈沖波形，壓裝時(shí)有壓力檢測(cè)監(jiān)控，能實(shí)現(xiàn)各個(gè)壓力點(diǎn)動(dòng)態(tài)曲線圖與各個(gè)壓入深度上下限的參數(shù)設(shè)定、編輯與顯示，壓入過(guò)程中發(fā)生故障、壓力不合格時(shí)報(bào)警；壓頭便于更換且壓力可調(diào)，整個(gè)壓裝行程在一定范圍內(nèi)可調(diào)，并能實(shí)時(shí)進(jìn)行壓力曲線監(jiān)控（圖2）。縮空氣中斷時(shí)，控制運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)單元通過(guò)受控氣動(dòng)止回閥閉鎖壓縮空氣。通過(guò)有針對(duì)性地給受控止回閥排氣，可以在能源斷開時(shí)進(jìn)行移動(dòng)。排氣前應(yīng)采取機(jī)械措施確保氣缸安全，避免其意外移動(dòng)。

圖2 壓力、位移監(jiān)控

圖3 自鎖式氣動(dòng)單元

（5）采用FANUC公司的機(jī)器人來(lái)搬運(yùn)工件和附具。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋導(dǎo)管、座圈的智能化壓裝技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了研究，運(yùn)用人機(jī)界面及現(xiàn)代化傳感器等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了壓裝過(guò)程的智能化控制及柔性化操作，提高了壓裝精度和產(chǎn)品質(zhì)量，并可為此類壓裝裝置的進(jìn)一步改善提供技術(shù)支持。

[1]李曉燕.機(jī)器人力位置控制方法研究與應(yīng)用[D].保定：河北大學(xué)，2011.

[2]吳衛(wèi)東.數(shù)控系統(tǒng)多通道控制技術(shù)的開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[3]葉暉.工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用案例精析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4]崔欣哲.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線設(shè)備可靠性分析與評(píng)估[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[5]魏峰.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工專用機(jī)床的設(shè)計(jì)與研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[6]馬瑞嘉.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋裝配技術(shù)研究及工藝過(guò)程優(yōu)化[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[7]孫紅飛.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋冷卻水道流場(chǎng)及冷卻特性的分析研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[8]顧齊芳.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋細(xì)長(zhǎng)凸輪孔在加工中心上的精加工[J].現(xiàn)代零部件，2011（8）：36-37.

（3）氣動(dòng)液壓系統(tǒng)：液壓元件采用油研產(chǎn)品，氣動(dòng)元件采用SMC產(chǎn)品。

（4）控制運(yùn)動(dòng)的自鎖式氣動(dòng)單元（圖3）：在設(shè)備內(nèi)部，當(dāng)壓