吳連偉，張德君，李文博，代志勇，喬華強

（濰柴動力股份有限公司一號工廠，山東 濰坊 261061）

1 前言

目前，國內(nèi)發(fā)動機缸蓋氣門彈簧及鎖夾座的裝配大多依靠人工安裝，人工裝配極易受到主觀因素的影響，特別是一些外形、顏色相差不大的零件，在裝配時很容易出現(xiàn)錯裝、漏裝等質(zhì)量隱患。H系列發(fā)動機配氣機構使用進、排氣兩種彈簧，長度相差4.4mm（如圖1所示）。現(xiàn)場采用人工裝配方式，先裝配12根進氣彈簧，再裝配12根排氣彈簧，最后裝配24個彈簧鎖夾座，重復作業(yè)48次，存在問題如下：（1）作業(yè)節(jié)拍長：進、排氣彈簧及鎖夾座裝配需要2人協(xié)同作業(yè)，超出生產(chǎn)線節(jié)拍13%；（2）質(zhì)量風險高：存在因進、排氣裝反導致的漏氣量超標質(zhì)量隱患，故障隱患率0.02%。

圖1 零件尺寸

針對以上問題，自主設計開發(fā)發(fā)動機氣門彈簧及鎖夾座全自動裝配單元，降低裝配誤差和人工成本，提高裝配效率，消滅裝配瓶頸，提升產(chǎn)線過程保障能力。

2 氣門彈簧及鎖夾座作用

氣門彈簧位于氣缸蓋與氣門桿尾端彈簧座之間。氣門彈簧的功用是保證氣門關閉時能緊密地與氣門座或氣門座圈貼合，并克服在氣門開啟時配氣機構產(chǎn)生的慣性力，使傳動件始終受凸輪控制而不相互脫離。作為內(nèi)燃機的關鍵零部件，其廣泛應用于汽車及內(nèi)燃機制造業(yè)，其作用是控制發(fā)動機的進氣和排氣。氣門彈簧在工作中承受高頻交變載荷，往往造成疲勞損壞,而氣門彈簧斷裂會造成內(nèi)燃機的重大事故。

氣門彈簧鎖夾座通過氣門鎖夾與氣門固定在一起，當進（排）氣門需要打開時，凸輪軸通過挺柱、推桿將動力傳輸?shù)綋u臂，搖臂通過進（排）氣門橋?qū)毫κ┘釉谶M（排）氣門上座上，使進（排）氣門打開；當進（排）氣門需要關閉時，推桿下移，進（排）氣門在進（排）氣門彈簧的作用下關閉。

本論文主要闡述自主設計開發(fā)一套氣門彈簧及鎖夾座全自動裝配單元，并對其技術原理及性能指標進行論述，詳細說明裝配單元的創(chuàng)新性和技術特點。

3 技術原理、性能指標

本單元主要是對WP9H/WP10H/WP10.5H機型全系列缸蓋實現(xiàn)彈簧及鎖夾座全自動裝配，裝配要求是利用6只氣動夾爪分2次從自動排序機構抓取6根彈簧及鎖夾座，然后移動到缸蓋彈簧及鎖夾座組件安裝孔位置，準確無誤地將彈簧及鎖夾座組合件放在安裝孔氣門桿上，重復4個循環(huán)，最終完成24個氣門彈簧及鎖夾座組件的自動裝配（如圖2、圖3所示）。為滿足最終彈簧及鎖夾座全自動裝配的精度及速度要求，該單元具備以下功能。

圖2 彈簧及鎖夾座全自動裝配效果

圖3 發(fā)動機彈簧及鎖夾座自動裝配圖

（1）頂升機構：當工件被擋停后，頂升機構可以頂起缸蓋，使缸蓋與輸送線體脫離，并通過缸蓋主副定位銷完成精確定位。

（2）自動上料：為使本單元全自動和快速上料功能，配置彈簧及鎖夾座全自動上料機構，并根據(jù)機械手抓取需求，完成進、排氣彈簧及鎖夾座部件裝配，并輸送至待抓取料位。

（3）自動裝配：通過三軸自動抓取機構，可以使彈簧及鎖夾座快速準確安裝到缸蓋安裝孔中。

（4）自動檢測：當自動上料機構提供不合格工件時，具備自動檢測不合格彈簧和鎖夾座功能。

綜合以上所需功能及裝配要求，需要在具有積放功能輸送輥道上實現(xiàn)缸蓋柔性輸送、擋停、舉升定位，等待彈簧及鎖夾座組合件裝入。與此同時，自動上料機構源源不斷為夾爪提供彈簧及鎖夾座組合件，氣動夾爪在抓取組合件后在伺服電機控制的橫移、升降裝置帶動下準確無誤地把彈簧及鎖夾座組合件放置到缸蓋安裝孔中，最后頂升機構下降，把裝配完成的缸蓋放置到輥道上，停止器放行到下一工序。

4 技術創(chuàng)新性與先進性

（1）設計柔性輸送機構、頂升定位機構，實現(xiàn)缸蓋精確定位。缸蓋輸送機構借用原輥道，改進摩擦輪結構，增加阻擋氣缸，設計缸蓋頂升定位機構，實現(xiàn)缸蓋柔性輸送、擋停、舉升定位，等待彈簧及鎖夾座組合件裝入。

整體工作流程（如圖4所示）：當輸送線上的缸蓋被擋停后，頂升氣缸得到信號，1-抬起氣缸豎直頂起帶動4-抬起導桿完成升降，同時8-缸蓋定位銷插入到缸蓋主副定位銷內(nèi)，完成XY軸方向定位，4-抬起檢測機構檢測抬起氣缸是否到位，到位后2-橫移氣缸移動，通過伸縮帶動3-橫移定位機構完成精確定位，保證缸蓋Z軸高度完全一致，另設置6套可調(diào)氣門頂緊機構，保證工作過程中氣門不出現(xiàn)脫落，裝配完成后，重復以上動作頂升機構回到原位。

圖4 升定位機構簡圖

（2）適應產(chǎn)品特征的排序機構設計，實現(xiàn)物料的自動排序組裝。彈簧及鎖夾座自動上料機構（如圖5所示），包括主體框架、皮帶式上料機構、圓震送料機構、彈簧直線機構、彈簧放料機構、檢測傳感器等，該部分主要是為桁架機械手源源不斷提供彈簧及鎖夾座組合件。伺服滑臺由FESTO電缸驅(qū)動，每次接6個彈簧和6個上座，并送至伺服抓手取料位置；料斗容量保證0.5h供給,料斗具備缺料報警功能。

圖5 彈簧及鎖夾座自動上料機構圖

自動上料機構整體動作流程如下：

①人工往料倉內(nèi)加入彈簧及鎖夾（如圖6所示），1-進氣彈簧皮帶式料倉把工件推送彈簧及鎖夾座圓振料機構上，當裝在料倉上的缺料檢測開關，檢測到1-進氣彈簧皮帶式料倉內(nèi)部缺料時，發(fā)出信號，提示操作者及時補料，1-進氣彈簧皮帶式料倉通過氣缸反復動作將彈簧及鎖夾座推送至圓振機構。

圖6 彈簧及鎖夾座自動上料機構三維圖

②2-進氣彈簧圓振送料機構通過識別區(qū)域?qū)椈苫蜴i夾座進行調(diào)姿排序，1列送出，豎直狀態(tài)為合格物料，可正常通過，裝在圓振上的料缺開關檢測到軌道上缺料，則通知皮帶式料倉或料斗送料，2-進氣彈簧圓振通過振動動作將彈簧及鎖夾座推送至直線送料機構。

③7-彈簧直振送料機構把從圓振送過來的進氣、排氣彈簧依次從料道送出，2列出料，1列進氣彈簧，1列排氣彈簧，裝在7-彈簧直振送料機構上的料滿檢測開關滿料時，則通知振動盤停止送料，7-彈簧直振送料機構把工件推送到彈簧放料機構上。

④8-鎖夾座直振送料機構把從圓振送過來的料依次從料道送出，經(jīng)分料后2列出料，料滿檢測開關檢測料滿時，振動盤停止供料，鎖夾座直線送料機構把工件送到8-鎖夾座直振送料機構上。

⑤彈簧到達10-彈簧放料機構后，頂料氣缸下頂料默認伸出，上頂料默認伸出狀態(tài)，氣缸到位檢測到下頂料伸出，氣缸上頂料縮回，彈簧到位檢測到到料時，缺料檢測開關檢測到料時，上頂料伸出，當伺服電缸到位后，氣缸下頂料縮回，缺料檢測開關檢測缺料時，氣缸下頂料伸出，重復以上動作，彈簧逐個送至伺服分料機構，一共3組，當3組放滿，皮帶式料倉、彈簧圓振機構、彈簧直振機構和放料機構均停止工作，等缺料時再工作（如圖7所示）。

圖7 彈簧放料機構

⑥鎖夾座到達放料機構后，擋料氣缸和氣爪默認縮回，氣缸到位檢測到擋料氣缸到位后，氣爪伸出，當料氣缸到位檢測到氣缸縮回時，氣爪縮回，重復以上動作，鎖夾座逐個送至伺服分料機構，一共3組，當3組放滿，料倉、鎖夾座圓振機構、鎖夾座直振機構和放料機構均停止工作，等缺料時再工作（如圖8所示）。

圖8 鎖夾座放料機構

⑦9-伺服接料機構伺服電缸默認原始位置，彈簧到位檢測缺料，電缸相應移動位置伺服，分料機構將彈簧及鎖夾座組合件移送至機構末端機械手抓取位置（如圖9所示）。

圖9 伺服接料機構

（3）設計三軸自動抓取機構，實現(xiàn)彈簧及鎖夾座全自動裝配。桁架抓取機構（如圖10所示），包括桁架導軌、X/Y/Z三軸伺服模組、抓手組件等組成，為保證節(jié)拍要求，模組運功的設計利用精度較高的齒形同步帶、導軌滑塊的結構設計，氣動夾爪在抓取組合件后在伺服電機控制的橫移、升降裝置準確無誤地把彈簧及鎖夾座組合件放置到缸蓋安裝孔中，最后頂升機構下降，把裝配完成的缸蓋放置到輥道上，停止器放行到下一工序。

圖10 桁架機構及機械手結構三維圖

自動抓取機構工作原理：1-伺服電機通過2-減速機帶動4-齒形帶旋轉(zhuǎn)，與滑塊連接的模組隨之移動，X/Y/Z伺服模組到指定位置后，對應的傳感器發(fā)出信號，8-排氣氣爪開始抓取彈簧及鎖夾座組合件，升降13-Z軸伺服模組帶動8-排氣氣爪上升至原位位置，11-X/12-Y軸模組依次移動到達進氣取料位置后，對應的傳感器發(fā)出信號，升降13-Z軸伺服模組帶動7-近氣氣爪到達取料位置，7進氣氣爪開始抓取彈簧及鎖夾座組合件后，升降13-Z軸伺服模組帶動7進氣氣爪上升至原位位置，11-X/12-Y軸模組依次移動到放料位置后，升降13-Z軸伺服模組帶動7進氣氣爪/8-排氣氣爪下降至放料位置，7進氣氣爪/8-排氣氣爪松開，將彈簧組件放置到缸蓋上位置1，往返前面取料動作流程4次后，完成裝配（如圖11所示）。

圖11 桁架抓取機構圖

5 設計全自動裝配單元控制系統(tǒng)

本項目設計開發(fā)全自動裝配裝置控制面板造型美觀，功能齊全，上方彩色觸摸屏采用西門子TO170A觸摸屏，組態(tài)軟件ProtooI6.0。該系統(tǒng)有多個操作界面，界面之間的互換可以通過上方按鈕切換，下方配置多個按鈕開關及一個總電源開關，以便一些緊急控制及手動控制。觸摸屏上可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的手動控制，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括報警信息、診斷信息和主要信號的通斷。

在觸摸屏下方所設計的按鈕開關的各個功能及介紹如下（如圖12所示）。

圖12 HMI按鈕

（1）控制電源：鑰匙開關旋轉(zhuǎn)至右側(cè)，PLZ安全繼電器控制電源接通，為上電做好準備。

（2）電源指示：控制電源接通指示燈常亮。

（3）運行準備：安全門，急停按鈕未被按下則按下進入上電狀態(tài)，指示燈常，若有故障會在屏幕上顯示檢查排除確認。

（4）手動/自動：用于切換設備工作運行模式。

（5）循環(huán)啟動：自動模式且無故障狀態(tài)下按下循環(huán)啟動按鈕，循環(huán)啟動指示燈常亮，自動進行回原點，回原點完成，原點指示燈點亮，等待雙手啟動，按照程序的設定自動運行。

（6）回原點：用于手動模式下設備返回原點，包括伺服控制系統(tǒng)的原點和氣動元件的原點，回原點完成且原點指示燈常亮。

（7）故障復位(帶燈)：用于復位設備的故障，有故障時紅色故障指示燈常亮。

（8）急停：用于系統(tǒng)緊急停車。

（9）循環(huán)停止：工位在自動循環(huán)狀態(tài)時，按下循環(huán)停止按鈕，工位停止運行。

（10）緊急停止：工位在自動循環(huán)狀態(tài)時，按下立即停止按鈕，工位立刻停止，等待重新運行準備，循環(huán)啟動按下。

（11）燈測試/消音：①按下按鈕塔燈點亮，蜂鳴器鳴叫，②在故障未消除的狀態(tài)下可消除蜂鳴器鳴叫，故障消失時復位按鈕確認后鳴叫自動消失。

單元控制面板上的控制方式有手動和自動。設備自動、手動或維修動作時，均需上電后才能執(zhí)行。如果需要手動點動執(zhí)行機構，需要手動工作模式時，在觸摸屏“手動界面”下根據(jù)HMI上提示動作進行操作。操作流程依次是：工作模式在手動或自動，按下回原點按鈕，自動回原點，如無故障狀態(tài)下，回原點很快完成，原點指示燈亮。

6 結語

自主設計開發(fā)的全自動裝配單元，包含控制系統(tǒng)、缸蓋頂升定位機構、缸蓋彈簧及鎖夾座自動上料、自動抓取機構、自動檢測機構等結構。利用FESTO電動伺服滑臺搭建三軸伺服桁架機構，機械手一次同時安裝六缸單個氣門的彈簧、鎖夾座，通過伺服變距功能，進、排氣彈簧及上座自動排序后輸送至取料位（組合件）。其中柔性輸送機構和頂升定位機構，實現(xiàn)缸蓋精確定位。適應產(chǎn)品結構特征的自動排序機構，可實現(xiàn)物料的自動排序組裝。三軸自動抓取機構，實現(xiàn)彈簧及鎖夾座全自動裝配，并具備檢測功能，防止進排氣彈簧出現(xiàn)混裝。

全自動裝配單元的設計及應用，提升工序作業(yè)時間11S，裝試綜合返工率降為0PPM。同時，全自動裝配單元中用到的柔性輸送、自動抓取、自動排序、智能檢測等技術可應用于生產(chǎn)線智能化、數(shù)字化改造工程。