機(jī)器人螺栓擰緊技術(shù)在發(fā)動機(jī)裝配的應(yīng)用

肖 海，譚健祥

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

隨著我國中層消費者的迅速增長以及汽車消費觀念的轉(zhuǎn)變，中國汽車總體市場需求量持續(xù)增長。各汽車生產(chǎn)企業(yè)力求實現(xiàn)為用戶定制不同標(biāo)準(zhǔn)的車型，與此同時隨著競爭的加劇，車型更新?lián)Q代速度加快，汽車生產(chǎn)越來越具有品種多樣性的特點。發(fā)動機(jī)也是如此，各生產(chǎn)企業(yè)需要根據(jù)不同車型配備不同功率、不同扭矩、不同油耗的發(fā)動機(jī)。提高發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的柔性，使一條生產(chǎn)線具備可生產(chǎn)多款發(fā)動機(jī)的能力，可大大降低投資成本。因此，靈活多變的柔性生產(chǎn)線是未來發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的一個發(fā)展趨勢[1]。

裝配在發(fā)動機(jī)制造中占有很重要的地位，人力、物力、財力消耗很大。目前，機(jī)器人裝配作為一項新興工業(yè)技術(shù)在發(fā)動機(jī)裝配領(lǐng)域嶄露頭角[2]。機(jī)器人以其精度高、速度快、柔性大等特點，可廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)零件裝配、自動涂膠、螺栓擰緊，如一汽集團(tuán)2003年底建成的CA6DL柴油機(jī)柔性裝配線，采用ABB機(jī)器人對曲軸、油底殼進(jìn)行自動裝配和缸體、缸蓋、前端蓋等結(jié)合面自動涂膠。

近年來，面向發(fā)動機(jī)裝配業(yè)的自動擰緊裝配線更是備受關(guān)注。目前，通過與國外公司進(jìn)行廣泛的交流與技術(shù)合作，國內(nèi)許多公司已掌握了國際先進(jìn)的擰緊設(shè)備制造關(guān)鍵技術(shù)。這些新技術(shù)、新理念得到應(yīng)用后，在發(fā)動機(jī)裝配領(lǐng)域可為用戶提供一批技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的產(chǎn)品，并為用戶節(jié)省了大量投資[3]。本文以SGMW發(fā)動機(jī)裝配線為例，介紹機(jī)器人在發(fā)動機(jī)螺栓擰緊上的應(yīng)用。

1 機(jī)器人擰緊系統(tǒng)構(gòu)成

SGMW發(fā)動機(jī)裝配線主要裝配兩大系列共10余款發(fā)動機(jī)，根據(jù)不同型號發(fā)動機(jī)前端蓋外形尺寸和擰緊要求對機(jī)器人擰緊設(shè)備進(jìn)行設(shè)計制造，系統(tǒng)主要分為機(jī)器人主體、擰緊機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、換型機(jī)構(gòu)五個部分。

1.1 機(jī)器人主體

從現(xiàn)場空間和穩(wěn)定性考慮，本文采用的機(jī)器人為ABB IRB6640，配以基層底座滿足機(jī)器人的擰緊高度，將機(jī)器人與換套筒支架、壓緊機(jī)構(gòu)固定為一體，以保證位置一致性，見圖1。

圖1 機(jī)器人總裝圖

1.2 擰緊機(jī)構(gòu)

擰緊機(jī)構(gòu)設(shè)計為機(jī)器人攜帶兩根擰緊軸，每次擰緊兩顆螺栓的方式。工作中，通過程序控制機(jī)器人，帶動擰緊軸移動到不同螺栓位置，完成一組螺栓擰緊后，機(jī)器人可在垂直和水平方向移動以及旋轉(zhuǎn)角度，到達(dá)下一組擰緊螺栓位置。針對不同機(jī)型可設(shè)置不同路徑程序，以滿足不同機(jī)型的螺栓位置分布。擰緊機(jī)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 擰緊機(jī)構(gòu)設(shè)計圖

每組螺栓間距不同，可通過伺服電機(jī)控制兩根擰緊軸距離的變換。如圖3所示，將一根擰緊軸固定在安裝板上，伺服電機(jī)帶動另一根軸移動到所需位置。

圖3 擰緊機(jī)構(gòu)變距示意圖

1.3 壓緊機(jī)構(gòu)

壓緊機(jī)構(gòu)的作用是為了保證每一臺發(fā)動機(jī)目標(biāo)螺栓處于同一位置，本文壓緊機(jī)構(gòu)采用從上往下壓緊方式，發(fā)動機(jī)到位后，壓緊機(jī)構(gòu)通過氣缸帶動壓板下降，壓板上的壓塊壓緊發(fā)動機(jī)使其處于水平位置。壓緊機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 壓緊機(jī)構(gòu)示意圖

生產(chǎn)線為不同機(jī)型混線生產(chǎn)，不同機(jī)型前端蓋外形有明顯的差異。壓緊機(jī)構(gòu)需保證和所有機(jī)型的前端蓋無干涉，并且有足夠的壓緊點。

1.4 頂升機(jī)構(gòu)

頂升機(jī)構(gòu)是自動站常用機(jī)構(gòu)之一，頂升機(jī)構(gòu)將發(fā)動頂起起到定位的作用。采用的頂升機(jī)構(gòu)示意圖如圖5所示，機(jī)構(gòu)由氣缸控制升起和降落，升起時，頂升機(jī)構(gòu)將導(dǎo)向銷插入到發(fā)動機(jī)托盤相應(yīng)定位孔里，確定發(fā)動機(jī)到位準(zhǔn)確。定位銷經(jīng)過倒角處理避免升起時卡死托盤，位置傳感器感應(yīng)頂升機(jī)構(gòu)是否上升和下降到位，如感應(yīng)到位則通過PLC發(fā)出指令進(jìn)行下一個設(shè)定動作。

圖5 頂升機(jī)構(gòu)示意圖

1.5 換型機(jī)構(gòu)

生產(chǎn)線建造的發(fā)動機(jī)主要有1.2 L和1.5 L兩大類，前端蓋螺栓大小分別為M8和M6.系統(tǒng)設(shè)計為手動換套筒，當(dāng)?shù)轿话l(fā)動機(jī)型號發(fā)生改變時，PLC給出一個換套筒的報警信息，提醒員工對擰緊軸套筒進(jìn)行更換。員工通過HMI面板操作后，機(jī)器人由設(shè)定好的程序控制移動到換套筒支架處，員工將套筒換下回位，整個動作30 s即可完成。相比傳統(tǒng)的自動擰緊設(shè)備需要打開安全門進(jìn)入圍欄，換型時間約2~3 min，本文的換型方式可節(jié)約時間90~150 s，見圖6.

圖6 換型機(jī)構(gòu)示意圖

1.6 小結(jié)

本節(jié)對機(jī)器人擰緊系統(tǒng)幾大硬件部分進(jìn)行了介紹，該系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中運行穩(wěn)定，一次下線合格率達(dá)99%以上，滿足生產(chǎn)產(chǎn)能要求，并能生產(chǎn)不同型號前端蓋差異較大的發(fā)動機(jī)，具有很高的生產(chǎn)柔性。

2 與多軸自動擰緊技術(shù)的比較

較常使用的自動擰緊設(shè)備為多軸自動擰緊設(shè)備，如圖7所示，設(shè)備主要包括：自動工位機(jī)架、安裝滑臺、頂升機(jī)構(gòu)、直線導(dǎo)軌、PLC控制柜等。多軸自動擰緊設(shè)備可同時擰緊多顆螺栓，精度高，穩(wěn)定性好，節(jié)拍短，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)模塊化，抗干擾能力強(qiáng)，一般控制編程軟件簡單易懂，編程靈活，當(dāng)擰緊出線錯誤或故障時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信息并記錄自診斷結(jié)果，方便問題分析和維修處理。多軸自動擰緊設(shè)備具備上述優(yōu)點的同時，也存在投資大，柔性低等問題。機(jī)器人自動擰緊技術(shù)和多軸自動擰緊技術(shù)優(yōu)缺點對比如表1所示。

圖7 多軸自動擰緊設(shè)備

表1 不同擰緊設(shè)備優(yōu)缺點對比

3 結(jié)束語

自動化、柔性化是發(fā)動機(jī)裝配線一個重要發(fā)展方向，裝配線的柔性生產(chǎn)能力成為評價裝配性能的重要指標(biāo)。機(jī)器人擰緊技術(shù)的柔性和穩(wěn)定性，使其在發(fā)動機(jī)裝配領(lǐng)域運用越來越多。當(dāng)然，機(jī)器人擰緊也存在一些問題，如對裝配定位要求高，否則容易出現(xiàn)套筒對不準(zhǔn)螺栓的問題，機(jī)器人攜帶擰緊軸數(shù)量較少，擰緊效率較低等，在機(jī)器人擰緊技術(shù)快速發(fā)展過程中，這些問題亟待解決[4]。

[1]金曉寧，鄭麗華.發(fā)動機(jī)裝配中的柔性機(jī)器人螺栓擰緊系統(tǒng)[J].機(jī)械工程與自動化，2006，（2）：75-77.

[2]董欣勝，張傳思，李 新.裝配機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2007，（8）：1-4.

[3]閆甲嬴，王德平，王洪川.自動擰緊技術(shù)在發(fā)動機(jī)裝配方面的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù)，2011，（5）：65-67.

[4]孫學(xué)儉，于國輝.對世界工業(yè)機(jī)器人發(fā)展特點的分析[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2002，（3）：8-9.