平衡軸熱壓裝配設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)

【摘 要】近幾年，隨著汽車(chē)行業(yè)市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，越來(lái)越多的高質(zhì)量、高水平的自動(dòng)化裝配與檢測(cè)設(shè)備被研發(fā)出來(lái)，應(yīng)用于汽車(chē)零部件的制造過(guò)程中，從而達(dá)到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的。本文重點(diǎn)闡述了一臺(tái)用于某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)平衡軸組件自動(dòng)裝配與檢測(cè)的全自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)。該設(shè)備自動(dòng)化程度高，操作維護(hù)方便，可大大提高效率，減少成本，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量及一致性。

【關(guān)鍵詞】平衡軸；自動(dòng)；裝配單元；控制

1.平衡軸的作用及結(jié)構(gòu)說(shuō)明

平衡軸簡(jiǎn)單說(shuō)是一個(gè)裝有偏心重塊并隨曲軸同步旋轉(zhuǎn)的軸，利用偏心重塊所產(chǎn)生的反向振動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好的平衡效果，降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。本設(shè)備所生產(chǎn)的某型號(hào)平衡軸主要包括如下部分：

平衡軸組件包含：平衡軸、鋁套、鏈輪、墊片四個(gè)部分組成（如圖1示）。

2.裝配工藝要求

（1）鋁套、墊片與平衡軸為間隙配合，由人工手動(dòng)放入。

（2）鏈輪與平衡軸為過(guò)贏配合，要求將鏈輪加熱至160℃后壓配裝入，壓入過(guò)程要求有壓入力及壓入行程的監(jiān)控信息。

（3）鏈輪壓入后要求鏈輪與平衡軸重心平面的夾角為26.8°±0.5°。

（4）壓配結(jié)束后要求零件溫度要冷卻至50℃以下，便于人工下料及包裝。

（5）壓入鏈輪后鋁套與平衡軸之間的軸向竄動(dòng)量為0.25mm～0.5mm。

3.設(shè)備技術(shù)方案及工藝流程設(shè)計(jì)

3.1工作站生產(chǎn)節(jié)拍：30秒

3.2工作站工藝流程

3.3工作站布置圖

3.4設(shè)備組成及結(jié)構(gòu)

☆總成裝配單元：

采用八工位分度轉(zhuǎn)臺(tái)形式工作站，平衡軸鏈輪通過(guò)傳送帶傳輸，機(jī)械手自動(dòng)上料，通過(guò)伺服旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)角向定位，加熱后，由伺服移載機(jī)械手送到壓裝位置，并通過(guò)伺服壓裝機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)齒輪/鏈輪的壓裝。

冷卻裝置采用壓縮空氣向工件快速吹風(fēng)進(jìn)行冷卻，為確保冷卻效果，設(shè)備在三個(gè)工位同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行吹氣冷卻。檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用氣缸及直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)帶動(dòng)位移傳感器對(duì)套筒軸向間隙進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)備配置TELESIS激光打標(biāo)機(jī)在工件表面打印標(biāo)記。

☆控制系統(tǒng)：

采用德國(guó)西門(mén)子PLC控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程，配備聲、光報(bào)警裝置；人機(jī)界面選用德國(guó)西門(mén)子OP操作屏，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)試操作及數(shù)據(jù)輸入。

電氣控制設(shè)計(jì)自動(dòng)和手動(dòng)控制程序。具有完善、可靠的聯(lián)鎖、互鎖及安全保護(hù)、停電狀態(tài)保持功能。

☆氣控系統(tǒng)：

元器件采用德國(guó)Festo產(chǎn)品。氣源接口處設(shè)空氣過(guò)濾器（氣動(dòng)三聯(lián)件），控制器由閥島組成。

4.重點(diǎn)工藝的解決方案

4.1鏈輪角度定向方案

為保證鏈輪與平衡軸壓裝后角度滿足工藝要求（26.8°±0.5°），且鏈輪在人工上料工位上料時(shí)操作人員的上料姿態(tài)是隨機(jī)的，因此鏈輪在移載至壓裝工位前需要將鏈輪上的機(jī)械識(shí)別特征自動(dòng)調(diào)整到對(duì)應(yīng)位置，本設(shè)備采用一套視覺(jué)系統(tǒng)和一套伺服系統(tǒng)合并使用，來(lái)完成此功能。

PLC與伺服控制器采用Profibus-DP總線控制形式，視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與PLC通訊，視覺(jué)系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的工作流程如下：

步驟一：控制機(jī)械手將鏈輪從傳輸線移載至伺服電機(jī)上的工裝。

步驟二：視覺(jué)系統(tǒng)拍照計(jì)算出標(biāo)記點(diǎn)與目標(biāo)位置之間夾角。

步驟三：根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)提供的夾角，PLC計(jì)算出伺服所需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，控制伺服轉(zhuǎn)動(dòng)。

步驟四：視覺(jué)系統(tǒng)重新拍照計(jì)算與目標(biāo)角度的差值，如超出公差重復(fù)步驟三，如在公差范圍內(nèi)執(zhí)行下一步驟。

步驟五：將鏈輪抓到加熱工位內(nèi)。

4.2鏈輪壓裝方案

鏈輪與平衡軸上沒(méi)有設(shè)計(jì)壓裝導(dǎo)入用的倒角，因此在壓裝前，對(duì)鏈輪與平衡軸的中心對(duì)正精度要求很高。同時(shí)，在鏈輪移載過(guò)程以及壓裝過(guò)程中，鏈輪的角度需要保證沒(méi)有偏移，這對(duì)工程設(shè)計(jì)增加了一定的難度，體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

a.轉(zhuǎn)盤(pán)工位的分度器誤差無(wú)法滿足壓裝的對(duì)中精度要求。

b.鏈輪在視覺(jué)工位將角度定向完成后，后續(xù)需要完成加熱、移載、壓裝等多個(gè)移動(dòng)環(huán)節(jié)，角度需要保證不發(fā)生偏移。

c.壓裝過(guò)程中需要監(jiān)控壓力、位移、壓裝時(shí)間等生產(chǎn)信息。

為了解決上述問(wèn)題，本方案采取了如下措施：

a.為排除轉(zhuǎn)盤(pán)到位后由分度器誤差產(chǎn)生的平衡軸定位誤差，在壓裝工位下方增設(shè)了二次舉升定位機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)盤(pán)分離，與壓機(jī)框架安裝為一體，能夠充分保證托盤(pán)定位精度，確保平衡軸對(duì)中位置準(zhǔn)確。

b.在移載機(jī)械手、加熱座、壓頭機(jī)構(gòu)上，均設(shè)計(jì)了定位銷(xiāo)或定位鎖死機(jī)構(gòu)，使鏈輪在移載過(guò)程中角度始終處于鎖死狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，影響壓裝質(zhì)量。

c.壓裝機(jī)構(gòu)采用了伺服壓機(jī)的方案，伺服壓機(jī)可以精準(zhǔn)控制壓裝深度和壓裝力，并可以記錄壓裝過(guò)程的全部追溯信息。同時(shí)可以通過(guò)設(shè)定壓裝力閥值、壓裝位移閥值、壓裝時(shí)間閥值來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備報(bào)警和保護(hù)功能。

5.研發(fā)總結(jié)

平衡軸熱壓裝配設(shè)備目前已經(jīng)交付國(guó)內(nèi)某知名汽車(chē)零部件生產(chǎn)商用于批量生產(chǎn)，實(shí)際生產(chǎn)使用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定、可靠，壓裝精度及檢測(cè)數(shù)據(jù)均完全符合工件圖紙及工藝要求。設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍為28秒，全設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行只需要一名操作人員即可，且由于具有良好的人機(jī)界面，對(duì)操作人員進(jìn)行基本的使用培訓(xùn)即可完全掌握設(shè)備操作方法。同時(shí)，鑒于原型號(hào)平衡軸的成功試生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)二次研發(fā)及改造，該設(shè)備目前已能夠兼容國(guó)內(nèi)三大汽車(chē)品牌的平衡軸產(chǎn)品，生產(chǎn)換型通過(guò)快換承載工件的托盤(pán)及電腦切換生產(chǎn)工件的型號(hào)即可，換型時(shí)間僅需10分鐘。為使用方帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。