竭盡超　梁忠耀

摘 要：在發(fā)動機缸蓋加工過程中，需要通過絲堵對缸蓋水道進行密封裝配，以保證發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的正常運行。在絲堵的裝配工藝中，行業(yè)內(nèi)多采用人工預裝或通過排序機排序后再自動裝配的方式，人工預裝存在自動化率低的問題，而通過排序機排序則有導致絲堵碰傷、附著的螺紋膠損傷等質(zhì)量風險。本文介紹的缸蓋絲堵自動擰緊設(shè)備通過視覺系統(tǒng)定位，配合真空吸附柔性抓取機構(gòu)，再通過中轉(zhuǎn)裝置進行絲堵方向轉(zhuǎn)化，最終使用薄壁彈性夾爪夾緊絲堵擰緊的方案，從根本上提升絲堵裝配工藝的自動化率并降低質(zhì)量風險。

關(guān)鍵詞：絲堵螺栓 自動擰緊 視覺系統(tǒng) 真空吸附

Engine Automatic Plug Bolts Tighten Equipment Based on Visual Design and Development

Jie Jinchao Liang Zhongyao

Abstract：In the process of engine cylinder head processing， it is necessary to seal and assemble the cylinder head channel through screw block to ensure the normal operation of engine cooling system. In the assembly process of wire plug， the industry mostly adopts the way of manual pre-assembly or automatic assembly after sorting by sorting machine. Manual pre-assembly has the problem of low automation rate， while sorting by sorting machine may lead to the quality risk of wire plug collision and damage of attached thread glue. The automatic screw tightening equipment of cylinder head introduced in this paper is positioned by the visual system， combined with the vacuum adsorption flexible grasping mechanism， and then the direction of screw plugging is transformed by the transfer device. Finally， the scheme of clamping screw tightening with thin-wall elastic gripper is adopted to fundamentally improve the automation rate of the screw plugging assembly process and reduce the quality risk.

Key words：plug bolt， automatic tighten， visual system application， vac-sorb

1 引言

缸蓋是發(fā)動機的重要組成部分，其安裝在缸體上并與缸體密封形成燃燒室。燃燒室作為化學能轉(zhuǎn)變的地點，承受極大的熱負荷，所以需要在缸蓋內(nèi)部鑄造有冷卻水套，通過水循環(huán)將做功后的余熱帶走，而水套密封多采用絲堵或悶蓋來。本文是對絲堵自動裝配的工藝設(shè)備研究與應用。

本文自動裝配的絲堵如圖1所示，M22的螺紋表面附著有密封膠，并且在絲堵螺帽底部設(shè)計有軟性密封帶，作用是對水道進行密封，保證發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的運行。

在絲堵裝配工藝中，行業(yè)內(nèi)多采用通過排序機排序或人工預裝后再自動裝配的方式，通過排序機排序有導致絲堵碰傷、附著的螺紋膠損傷等質(zhì)量風險，而人工預裝除存在自動化率低的問題外?；谝陨显颍O(shè)計開發(fā)無質(zhì)量風險的發(fā)動機絲堵螺栓自動擰緊設(shè)備。

2 設(shè)計規(guī)劃

2.1 工藝流程

經(jīng)過多角度方案評估，設(shè)計工藝流程如圖2所示。

2.2 節(jié)拍分解

設(shè)備運行分為輸送輥道的動作及機器人擰緊動作兩部分，兩部分同時進行，詳細步驟如表1，節(jié)拍59秒。

3 設(shè)備機構(gòu)設(shè)計

該設(shè)備由絲堵平臺、機器人抓手兩部分機構(gòu)組成。

3.1 絲堵平臺部分

如圖3所示，絲堵平臺由絲堵存放平臺和中轉(zhuǎn)區(qū)組成。

3.1.1 絲堵存放平臺設(shè)計

絲堵存放平臺由平臺推拉板、底座支架等組成。

（1）平臺推拉板：使用固定的擋塊，保證每盒絲堵都放置在固定位置，便于攝像頭進行視覺探測，確定絲堵個體的坐標位置。并且使絲堵平鋪數(shù)量達到576個，滿足加工288個缸蓋的數(shù)量，從而保證每次投料可以運行一個班次以上。（2）底座支架：其地腳采用可調(diào)高度的設(shè)計，便于在不同的場地保證水平。且在底座支架中心位置留有空余空間，可將機器人工作區(qū)、人員操作區(qū)使用防護網(wǎng)分隔開。

3.1.2 中轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計

中轉(zhuǎn)區(qū)由銅制平臺片、中轉(zhuǎn)區(qū)底座支架、中轉(zhuǎn)區(qū)斜臺、延長平臺、絲堵在位傳感器等組成。

（1）銅制平臺片：與絲堵直接接觸，選用銅合金制保證絲堵密封面質(zhì)量;（2）中轉(zhuǎn)區(qū)底座支架：采用特殊的三瓣式設(shè)計，可與特制的絲堵薄壁抓手配合使用;（3）中轉(zhuǎn)區(qū)斜臺：裝置采用傾斜放置，可使絲堵在重力的控制下，每次落位的位置一致;（4）延長平臺：固定在底座支架上，起到將中轉(zhuǎn)區(qū)延長出底座支架的作用，避免機器人帶動抓手在中轉(zhuǎn)區(qū)取放料、取料過程中，與底座支架等發(fā)生干涉;（5）絲堵在位傳感器：選用感應距離4mm的傳感器，用于確定絲堵落位狀態(tài)。

3.2 機器人抓手部分

如圖4所示，機器人抓手由機器人、擰緊軸、固定支架、視覺系統(tǒng)、真空吸附系統(tǒng)、擰緊軸套、薄壁抓手等部分組成。

（1）機器人選型：計算抓手重量約20KG，選取負載重量、臂展長度合適的機器人;（2）擰緊軸選型：擰緊頭彈性壓縮量≥20mm，并具備轉(zhuǎn)速控制功能;（3）固定支架：可以在其上安裝擰緊軸、視覺系統(tǒng)、真空吸附裝置，并保證在實現(xiàn)各功能時不與缸蓋輥道、絲堵平臺等干涉，支架厚度、強度可以滿足扭矩要求;（4）視覺系統(tǒng)：軟件通過OPENCV自主開發(fā)，硬件選用工業(yè)相機;（5）真空吸附系統(tǒng)：絲堵M22，其底面直徑18mm，自主開發(fā)的視覺系統(tǒng)平均誤差經(jīng)過測試最大為單方向4mm，選擇吸盤10mm吸盤（PFG-10），可以在兼容視覺誤差的情況下，準確吸附絲堵，吸盤材質(zhì)選擇丁腈橡膠有較好的耐磨性;（6）擰緊軸套：采用柱體彈簧構(gòu)造，可通過機器人運動產(chǎn)生壓縮量，保證預擰緊時給絲堵壓緊壓力;（7）薄壁抓手：采用彈簧鋼制造的三個均布彈簧片夾緊，可以實現(xiàn)在狹小的空間內(nèi)進行擰緊，抓手采用鏤空設(shè)計可與中轉(zhuǎn)區(qū)進行配合并抓取絲堵。

4 程序完善

通過實際運行檢驗，逐步完善程序邏輯功能，降低設(shè)備故障率，如下：

（1）料層邏輯判斷功能：只使用測距傳感器判斷絲堵所在層數(shù)存有一定偏差，補充通過視覺和邏輯判定絲堵所在層數(shù)，保證層數(shù)正確，從而提升吸盤取料的準確性;（2）隔板多次吸附功能：每層絲堵裝完后，機器人將帶動真空吸附對隔板吸起并放入隔板存放區(qū)，而絲堵來料包裝中的隔板如果因卡住而導致吸不起來，設(shè)備將停止運行，影響設(shè)備故障率，基于該情況，利用視覺系統(tǒng)判斷是否存在真空吸附失效，如失效可以進行3次真空吸附嘗試，如仍不合格可以直接轉(zhuǎn)至下一盒絲堵重新開始;（3）一鍵人工換料功能：每次更換絲堵需要手動操作的動作過多，設(shè)置一鍵人工換料的固定程序方便員工操作，并提高效率;（4）中轉(zhuǎn)區(qū)缺料的自動填料功能：設(shè)備重啟后，設(shè)備邏輯狀態(tài)可能會丟失，出現(xiàn)設(shè)備報警或節(jié)拍浪費，設(shè)置程序當中轉(zhuǎn)區(qū)沒有絲堵的情況時優(yōu)先對中轉(zhuǎn)區(qū)進行補料。

5 設(shè)計特點及可推廣性

（1）本設(shè)備設(shè)計采用的薄壁夾爪，使用特殊的彈簧片在兼容中轉(zhuǎn)區(qū)轉(zhuǎn)換的情況下夾定絲堵，而非行業(yè)內(nèi)普遍應用的磁性夾取，避免了磁化帶來的質(zhì)量風險的同時，實現(xiàn)了在狹小空間的擰緊動作;（2）本設(shè)備采用真空吸附方式配合視覺系統(tǒng)定位的方式進行零件抓取，真空吸附的兼容性、可操作性極強，可抓取零件的種類十分多樣化，提升該方案應用擴展性;（3）對于視覺系統(tǒng)的應用，行業(yè)內(nèi)多采用視覺系統(tǒng)固定在被拍攝工件上方，而本設(shè)備為保證每盒絲堵的3層深度都能夠被清晰拍照，將視覺系統(tǒng)集成在機器人抓手上，為后續(xù)的視覺應用擴展提供可能;（4）本設(shè)備采用利用中轉(zhuǎn)區(qū)進行抓取轉(zhuǎn)化的設(shè)計，為視覺定位配合柔性抓取提供一種新的設(shè)計思路。

6 結(jié)語

（1）缸蓋水道絲堵密封對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要，而水道絲堵自動擰緊工藝，行業(yè)內(nèi)多為通過排序機自動上料再進行擰緊的方式，而排序機的兩種主流設(shè)計分別是搓板式和震動送料式，兩種主流排序機都會對絲堵的螺紋、密封膠產(chǎn)生一定的破壞，引起質(zhì)量風險。本文設(shè)備將視覺定位系統(tǒng)應用在其中，并通過真空吸附系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)裝置、彈性夾爪等完成絲堵的自動預緊，從而完全消除對絲堵破壞的質(zhì)量風險。

（2）缸蓋絲堵自動預緊設(shè)備的開發(fā)，具有創(chuàng)新性及可推廣性，如采用真空吸附方式的柔性抓取、采用彈簧片設(shè)計的薄壁夾爪可在狹小空間內(nèi)完成擰緊、采用機器人帶動視覺系統(tǒng)定位拍照、采用中轉(zhuǎn)裝置完成零件的抓手轉(zhuǎn)換等，為柔性擰緊的設(shè)計提供新思路。

參考文獻：

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