凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置設(shè)計(jì)及分析*

白茂綜，楊繼新，陶學(xué)恒，王慧慧，曾振華，王海洋

（1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼守大連 116034；2.大連現(xiàn)代輔機(jī)開發(fā)制造有限公司，遼守大連 116045）

凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置設(shè)計(jì)及分析*

白茂綜1，楊繼新1，陶學(xué)恒1，王慧慧1，曾振華2，王海洋2

（1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼守大連 116034；2.大連現(xiàn)代輔機(jī)開發(fā)制造有限公司，遼守大連 116045）

針對(duì)車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)的自動(dòng)化裝配問題，依據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)線的工藝原理與要求，分析了擰緊、打標(biāo)機(jī)構(gòu)裝置自動(dòng)變位的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并完成了車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)的自動(dòng)化裝配過程，可提高生產(chǎn)效率。并針對(duì)擰緊與打標(biāo)裝置的不同結(jié)構(gòu)要求，運(yùn)用SolidWorks對(duì)其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析，確保了設(shè)計(jì)方案的可行性。

發(fā)動(dòng)機(jī)；凸輪軸瓦蓋；擰緊；打標(biāo)；可視化設(shè)計(jì)

0 引言

車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置主要應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)裝配線，實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪軸瓦蓋螺栓的擰緊與打標(biāo)。整個(gè)裝置按工件輸送方向主要包括：上料工位、定位套預(yù)裝和壓裝工位、瓦蓋和螺栓預(yù)裝工位、瓦蓋和螺栓擰緊裝配工位、自動(dòng)打標(biāo)工位、下料工位。其中凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)工位結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，也最為關(guān)鍵。

目前，大部分汽車生產(chǎn)廠家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸瓦蓋的裝配和擰緊還不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配，有的甚至還是純?nèi)斯げ僮鳎@樣就大大降低了生產(chǎn)效率，不適宜大批量生產(chǎn)。本文提出了一套凸輪軸瓦蓋裝配的自動(dòng)化生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)方案，用兩個(gè)擰緊頭來實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪軸瓦蓋螺栓的自動(dòng)擰緊，用一個(gè)打標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪軸瓦蓋的自動(dòng)打標(biāo)。該方案與傳統(tǒng)的裝配相比，不僅提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也提高了裝配的準(zhǔn)確性。由于本裝置水平滑臺(tái)采用水平伺服變位滑臺(tái)，可以滿足不同發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸瓦蓋不同間距的裝配要求，而且裝配精度高。裝置的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在保證裝配功能完成的同時(shí)有效的節(jié)省了生產(chǎn)成本。

1 凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置的功能及工作原理

本文所述車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)裝配線凸輪軸瓦蓋的裝配。螺栓擰緊與打標(biāo)裝置由一套水平伺服變位滑臺(tái)（X軸）、一套豎直氣動(dòng)滑臺(tái)（Y軸）、一套Z向滑臺(tái)、兩套豎直氣動(dòng)抬起滑臺(tái)、兩套夾具、兩個(gè)擰緊頭、一臺(tái)打標(biāo)機(jī)等主要結(jié)構(gòu)組成。主要完成缸蓋6個(gè)凸輪軸瓦蓋12個(gè)固定螺栓的擰緊和6個(gè)凸輪軸瓦蓋的打標(biāo)。裝置的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖

車用凸輪軸瓦蓋擰緊裝置工作過程：原始位置，豎直驅(qū)動(dòng)氣缸伸出→兩個(gè)自動(dòng)擰緊螺栓裝置進(jìn)給到位→兩個(gè)自動(dòng)擰緊螺栓運(yùn)行，將兩個(gè)螺栓擰入前端瓦蓋并達(dá)到指定力矩→豎直驅(qū)動(dòng)氣缸縮回將擰緊頭帶回原位→伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)水平伺服滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定位置→豎直驅(qū)動(dòng)氣缸伸出→兩個(gè)自動(dòng)擰緊螺栓運(yùn)行，將2個(gè)螺栓擰入中間瓦蓋并達(dá)到指定力矩→豎直驅(qū)動(dòng)氣缸縮回將擰緊頭帶回原位，2個(gè)螺栓完成擰緊，水平伺服滑臺(tái)和Z向滑臺(tái)相繼運(yùn)動(dòng)，依次將12個(gè)螺栓擰緊到位，裝置功能完成。

車用凸輪軸瓦蓋打標(biāo)裝置工作過程：原始位置，打標(biāo)頭伸出→氣動(dòng)打標(biāo)針完成打標(biāo)→打標(biāo)頭收回→電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)打標(biāo)頭水平橫向移動(dòng)到指定位置→打標(biāo)頭伸出→氣動(dòng)打標(biāo)針完成打標(biāo)→打標(biāo)頭收回→電機(jī)帶動(dòng)水平滑臺(tái)和Z向滑臺(tái)移動(dòng)，依次完成6個(gè)瓦蓋的打標(biāo)。

2 凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置主要組成部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置主要實(shí)現(xiàn)瓦蓋螺栓的擰緊和瓦蓋的打標(biāo)，根據(jù)裝置功能主要分為凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊裝置和瓦蓋打標(biāo)裝置。其中所涉及的技術(shù)領(lǐng)域主要包括：伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)定位技術(shù)、自動(dòng)擰緊技術(shù)、自動(dòng)打標(biāo)技術(shù)等。通過不同技術(shù)的應(yīng)用與融合，實(shí)現(xiàn)車用凸輪軸瓦蓋不同位置螺栓的擰緊和瓦蓋打標(biāo)的功能，從而提高裝配的生產(chǎn)效率。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊需要完成對(duì)工件的準(zhǔn)確定位和擰緊頭的準(zhǔn)確移動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)工件的定位，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套定位夾緊裝置，采用位置開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的準(zhǔn)確定位，在夾具裝置的頂部分別采用兩個(gè)平面接觸定位塊和兩個(gè)圓錐形接觸定位銷，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的定位與夾緊。當(dāng)工件沿輥道到達(dá)指定位置，位置開關(guān)啟動(dòng)，氣動(dòng)氣缸伸出，夾具抬起并準(zhǔn)確捕捉元件相應(yīng)位置，工件被進(jìn)一步抬起到相應(yīng)位置，進(jìn)而進(jìn)行下一步工作。定位及夾具裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括：背板、氣缸座、氣缸（帶桿端螺母）、接桿、壓蓋、支架、吊板、滑臺(tái)、位置開關(guān)、支撐座、銅墊塊、壓塊、圓柱定位銷等。定位及夾具裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 定位及夾具裝置結(jié)構(gòu)圖

按照擰緊頭移動(dòng)的工藝要求，本設(shè)計(jì)采用3個(gè)不同方向的滑臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，由于擰緊頭需要對(duì)不同位置的螺栓實(shí)現(xiàn)擰緊，水平方向移動(dòng)的間距不同，而且精度要求準(zhǔn)確，考慮到設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)成本問題，采用一套水平伺服驅(qū)動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)擰緊頭的水平移動(dòng)，其核心結(jié)構(gòu)包括伺服電機(jī)和滾珠絲杠等。擰緊頭的豎直和Z向移動(dòng)，由于這2個(gè)方向的移動(dòng)都有固定距離，可以采用氣動(dòng)裝置和液壓裝置來實(shí)現(xiàn)，考慮到液壓裝置的成本較高和維護(hù)方面的問題，本裝置采用兩個(gè)氣缸來帶動(dòng)擰緊頭在豎直和Z向的移動(dòng)。擰緊機(jī)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 擰緊機(jī)裝置結(jié)構(gòu)圖

打標(biāo)裝置用來實(shí)現(xiàn)凸輪軸瓦蓋的打標(biāo)，根據(jù)工作要求，設(shè)計(jì)出一個(gè)打標(biāo)機(jī)裝置，由打標(biāo)機(jī)內(nèi)部電機(jī)實(shí)現(xiàn)打標(biāo)頭的橫向、縱向、Z向移動(dòng)，打標(biāo)頭采用針式氣動(dòng)打標(biāo)，完成打標(biāo)工作。打標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 打標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)圖

3 部分傳動(dòng)、支撐件的有限元分析

本文利用SolidWorks SimulationXpress進(jìn)行有限元分析，判斷目前設(shè)計(jì)的零件能否承受實(shí)際工作環(huán)境下的載荷、應(yīng)力、應(yīng)變等。本文主要對(duì)3個(gè)環(huán)節(jié)的主要零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析。

3.1 銅墊塊的壓應(yīng)力分析

銅墊塊主要用來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的定位和抬起，它主要承受發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的壓力。在SolidWorks SimulationXpress中定義它的相關(guān)屬性主要是材料屬性，進(jìn)而得到它的應(yīng)力應(yīng)變圖，如圖5、圖6所示。

圖5 銅墊塊應(yīng)力圖

圖6 銅墊塊應(yīng)變圖

根據(jù)設(shè)計(jì)需要銅墊塊所受的壓力值為650N，由所得到的應(yīng)力應(yīng)變圖可知工件所受的最小應(yīng)力值為1.55721N/m2，最大應(yīng)力值為1100.43N/m2，工件所受的最大應(yīng)力值在豎直平面與水平平面相交處，此處存在加工工藝倒角，所受應(yīng)力范圍在材料承受范圍內(nèi)，滿足承載要求。

3.2 擰緊軸的靜力學(xué)分析

擰緊軸主要實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊的功能，它主要受擰緊力作用，在這里主要分析的扭轉(zhuǎn)變形，包括應(yīng)力、應(yīng)變和位移。圖7、圖8、圖9分別為應(yīng)力、應(yīng)變和位移圖。

圖7 擰緊軸應(yīng)力圖

圖8 擰緊軸應(yīng)變圖

圖9 擰緊軸位移圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求給擰緊軸施加的擰緊力為100N，由圖得到分析結(jié)果為：最小應(yīng)變5.24071e-016，最大應(yīng)變0.0231309，工件的最大扭轉(zhuǎn)位移為0.501191mm由圖9可知，最大扭轉(zhuǎn)位移出現(xiàn)在扭桿段頭的長(zhǎng)方體四個(gè)尖角位置，根據(jù)實(shí)際要求此處采用工藝圓角來保證裝配需要，滿足轉(zhuǎn)矩要求。

3.3 滾珠絲杠的疲勞分析

滾珠絲杠主要實(shí)現(xiàn)水平滑臺(tái)的橫向移動(dòng)（X軸方向），這里主要對(duì)它進(jìn)行疲勞分析，得到疲勞S—N曲線和生命圖解如圖10、圖11所示。

圖10 疲勞S—N曲線

圖11 滾珠絲杠的生命圖解圖

由分析可知滾珠絲杠的最大應(yīng)力值為2081MPa，而材料的屈服極限為1831MPa，最大應(yīng)力值大于屈服極限值，但在接觸的過程中接觸區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，接觸面積也隨之增大，使得接觸應(yīng)力瞬間降到材料的屈服強(qiáng)度內(nèi)，故短時(shí)間內(nèi)的屈服不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，長(zhǎng)期則可能導(dǎo)致疲勞損傷、剝落。

4 結(jié)論

本文針對(duì)車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)的自動(dòng)化裝配問題，依據(jù)車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置以及柔性自動(dòng)化裝配的工作原理，分析了擰緊、打標(biāo)裝置自動(dòng)變位的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置的主要結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)裝置的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析，符合設(shè)計(jì)要求。

車用凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標(biāo)裝置能夠滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大規(guī)模、大批量的生產(chǎn)要求，可應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸瓦蓋裝配的自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，節(jié)約生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率，從而為生產(chǎn)企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造條件。

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（編輯 趙蓉）

Design and Analysis of Tightening Bolt and Marking Device for Camshaft’s Cover

BAIMao-dong1，YANG Ji-xin1，TAO Xue-heng1，WANG Hui-hui1，ZENG Zhen-hua2，WANG Hai-yang2
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Dalian Polytechnic University，Dalian Liaoning 116034，China；2.Dalian Modern Auxiliary Machinery Manufacturing Co.Ltd.，Dalian Liaoning 116600，China）

To solve the automatic assembly problem that how to realize bolts’tightening and marking for camshaft’s cover automatically，and according to the process principles and requirements of the assembly line for automotive engine，firstly the key points of design that how the tightening and marking device transforms station are given，and then the main structure design of the tightening bolt and marking device for automotive camshaft’s cover is finished.The design realizes the automated assembly process，and the device improves production efficiency.In addition，for different structural requirements，the finite element analysis of its key components is made with SolidWorks，to ensure the feasibility of the design.

engine；camshaft’s cover；tightening；marking；visual design

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）04-0135-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.036

2014-07-26；

2014-09-01

遼寧省科技廳基金資助項(xiàng)目（201102009）；遼寧省教育廳基金資助項(xiàng)目（LR2013023，，2009A086，20061214，05L071）；大連市科技局基金資助項(xiàng)目（2011A17GX075，2010A16GX087，2005A10GX104，2003A1GX172）；三維曲面造型設(shè)計(jì)應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2014026003）

白茂東（1989—），男，山東棗莊人，大連工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化，（E-mail）405835622@qq. com。