一體式三軸聯(lián)動復(fù)合型接管自動壓裝機的設(shè)計與實現(xiàn)

夏筱筠，趙維浩，閆美潤

（1.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽 110168；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

一體式三軸聯(lián)動復(fù)合型接管自動壓裝機的設(shè)計與實現(xiàn)

夏筱筠1，趙維浩2，閆美潤1

（1.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽 110168；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

本文介紹一種涉及汽車發(fā)動機制造行業(yè)，一體式三軸聯(lián)動復(fù)合型接管自動壓裝機的設(shè)計與實現(xiàn)，設(shè)計的一體式三軸聯(lián)動復(fù)合型接管自動壓裝機是一種一體式X、Y、Z空間坐標定位裝置聯(lián)合壓裝機構(gòu)同步工作的整機，該機構(gòu)針對兩種直型接管和兩種異形接管，能夠快速有效地完成復(fù)合式壓裝。

三軸聯(lián)動；復(fù)合型；自動壓裝機

1 背景

在機械制造行業(yè)里，過盈壓裝技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，尤其在汽車發(fā)動機制造工藝流程中具有不可替代的作用。在某些環(huán)節(jié)中，過盈壓裝技術(shù)可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。汽車行業(yè)應(yīng)用過盈壓裝技術(shù)的專用單機種類繁多，活塞銷壓裝機、氣門油封壓裝機、火花塞導(dǎo)管壓裝機、缸蓋水管接頭壓裝機、曲軸軸承壓裝機等普遍采用單軸定位單一型壓裝技術(shù)。

單軸定位單一型壓裝，技術(shù)特點：第一，單軸定位精準，耗費總節(jié)拍時間短，生產(chǎn)效率較高；第二，定位機構(gòu)承受壓裝反力固定，力學(xué)效應(yīng)簡單可控；第三，維護、保養(yǎng)方便，更換零部件時間短，操控性較強。

單軸定位單一型壓裝存在技術(shù)缺點亦然明晰：第一，針對工況單一，生產(chǎn)線多機型壓裝兼容性差，改進方法只可設(shè)置線體通過，并新增對應(yīng)機型的壓裝單機，無形中增加生產(chǎn)成本、延長了壓裝整體節(jié)拍，反而降低了生產(chǎn)效率；第二，單一型壓裝工裝唯一，針對同機型復(fù)合型工況，該技術(shù)束手無策，同機型復(fù)合型兼容性差，改進方法可配置附加機構(gòu)，最終導(dǎo)致延長了壓裝整體節(jié)拍，反而降低了生產(chǎn)效率；第三，線上單軸定位壓裝要求輸送線體停位精準，增加了線體部分的制造難度，若出現(xiàn)誤差，單軸定位不可修正定位，需要調(diào)整線體壓裝臺，日常維護、保養(yǎng)極不便利；線下單軸定位壓裝可降低線體部分制造難度，但由于工件需要下線操作，嚴重影響了壓裝節(jié)拍，操控性也變得繁重。

針對上述問題，本論文設(shè)計出一種以解決多機型復(fù)合型工況為目的的自動壓裝機。

2 機械設(shè)計

一體式三軸聯(lián)動復(fù)合型接管自動壓裝機如圖1所示，包括一體式三軸聯(lián)動定位結(jié)構(gòu)、復(fù)合型壓裝執(zhí)行結(jié)構(gòu)、反推執(zhí)行結(jié)構(gòu)、上限位結(jié)構(gòu)、線體頂升結(jié)構(gòu)、整體機身機構(gòu)的專用壓裝單機。

圖1 一體式三軸聯(lián)動復(fù)合型接管自動壓裝機示意圖

（1）一體式三軸聯(lián)動定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計。一體式三軸聯(lián)動定位結(jié)構(gòu)驅(qū)動為伺服定位驅(qū)動器，Y軸定位動作、X軸定位動作及Z軸定位動作重疊聯(lián)動，PLC并行運行，通過I/O控制模板采集反饋信號。I/O控制模板包括I/O同步串行總線接口電路、I/ O參數(shù)設(shè)定電路、輸出電平轉(zhuǎn)換電路、輸入電平轉(zhuǎn)換電路、I/O狀態(tài)指示電路及I/O控制模塊；X軸定位包括X軸驅(qū)動器、X軸直線系統(tǒng)、X軸到位檢測開關(guān)、X軸到位被檢；Y軸定位包括Y軸驅(qū)動器、Y軸直線系統(tǒng)、Y軸到位檢測開關(guān)、Y軸到位被檢；Z軸定位包括Z軸驅(qū)動器、Z軸直線系統(tǒng)、Z軸到位檢測開關(guān)、Z軸到位被檢。一體式三軸定位結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 一體式三軸定位結(jié)構(gòu)圖

（2）復(fù)合型壓裝執(zhí)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計。復(fù)合型壓裝執(zhí)行結(jié)構(gòu)壓裝單直管、三通類直管、彎頭類直管，包括推進定位珠、輔助定位銷、壓裝頭主體、三通類輔助支撐、彎頭類輔助支撐、高精度限程檢測系統(tǒng)。壓裝頭主體是一種復(fù)合型嵌入式結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯高強度自潤滑非金屬材料，防止本體與接管因動摩擦而產(chǎn)生劃痕。三通類輔助支撐是一種壓裝頭主體衍生附定位珠限位支管結(jié)構(gòu)，與壓裝頭一體模式，保證工作狀態(tài)定位朝向及精度。彎頭類輔助支撐是一種壓裝頭主體衍生附定位簧、定位滑托、定位端板結(jié)構(gòu)，與壓裝頭同一體模式，保證工作狀態(tài)定位朝向及精度，均衡擴散沖壓應(yīng)力應(yīng)變。高精度限程檢測系統(tǒng)一種壓裝頭主體衍生導(dǎo)向桿、限位頂塊、限位簧、高精度限位器總成，保證氣液增壓系統(tǒng)能及時終止在中間位置。

（3）反推執(zhí)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計。反推執(zhí)行結(jié)構(gòu)與一體式三軸聯(lián)動定位結(jié)構(gòu)構(gòu)成水平定位系統(tǒng)，包括主推驅(qū)動氣缸、主推導(dǎo)向直線系統(tǒng)、主推直線檢測系統(tǒng)、反頂鎖緊氣缸、反頂鎖緊直線系統(tǒng)、反頂鎖緊檢測系統(tǒng)，主推系統(tǒng)與鎖緊系統(tǒng)串行。

（4）上限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計。上限位結(jié)構(gòu)構(gòu)成垂直定位系統(tǒng)與線體頂升結(jié)構(gòu)構(gòu)成垂直定位系統(tǒng)，包括上到位多機型定位器、上限位支撐體、上限位支撐定位器。

（5）線體頂升結(jié)構(gòu)的設(shè)計。線體頂升結(jié)構(gòu)包括頂升驅(qū)動氣缸、頂升直線系統(tǒng)、頂升檢測系統(tǒng)、頂升鎖緊器、頂升鎖緊驅(qū)動器、頂升鎖緊弧線系統(tǒng)、頂升鎖緊檢測系統(tǒng)。

3 實現(xiàn)過程

本文設(shè)計一種一體式三軸聯(lián)動復(fù)合型接管自動壓裝機。實施采用PLC可編程控制器為電氣邏輯基礎(chǔ)，包括一體式三軸聯(lián)動定位結(jié)構(gòu)、復(fù)合型嵌入式壓裝執(zhí)行結(jié)構(gòu)、反推執(zhí)行結(jié)構(gòu)、上限位結(jié)構(gòu)、線體頂升結(jié)構(gòu)、整體機身機構(gòu)，如圖1所示。整體壓裝布置采用“Π”形式，左側(cè)一體式三軸聯(lián)動定位結(jié)構(gòu)、復(fù)合型嵌入式壓裝執(zhí)行結(jié)構(gòu)；右側(cè)反推執(zhí)行結(jié)構(gòu)；上側(cè)上限位結(jié)構(gòu)。

一體式三軸聯(lián)動定位結(jié)構(gòu)如圖2所示，三軸聯(lián)動通過PLC并行處理來完成。頂層Z軸定位包括Z軸驅(qū)動器、Z軸直線系統(tǒng)、Z軸到位檢測開關(guān)、Z軸到位被檢。Z軸坐標確定復(fù)合型嵌入式壓裝執(zhí)行結(jié)構(gòu)與工件本體距離，在執(zhí)行壓裝直接關(guān)聯(lián)壓入深度。下層Z軸隨動固定體，本層是四維梯度能量耗散模式關(guān)鍵部位，承上啟下的作用，XY二維力學(xué)效應(yīng)傳遞到此出現(xiàn)大梯度衰減，保護Z軸不會因壓裝受到大剪切應(yīng)力破壞，同時為XY軸運動提供良好的力學(xué)環(huán)境。再下層X軸驅(qū)動器、X軸直線系統(tǒng)、X軸到位檢測開關(guān)、X軸到位被檢，X軸直線系統(tǒng)使用雙穩(wěn)定行走機構(gòu)，穩(wěn)定消減Y軸翻轉(zhuǎn)扭矩，在執(zhí)行壓裝時確定橫向尺度，保證行走精度可達微米級。最下層Y軸驅(qū)動器、Y軸直線系統(tǒng)、Y軸到位檢測開關(guān)、Y軸到位被檢，采用單穩(wěn)定行走機構(gòu)抵抗上掀高壓力沖擊，單斜式直線系統(tǒng)支撐，提供線形應(yīng)力環(huán)境，可靠性和耐壓強度更高，在執(zhí)行壓裝時確定縱向尺度，同時保證行走精度可達微米級。三者通過I/O控制模板、主機總線模板并行處理，時間段內(nèi)幀頻可重疊，整個動作過程時間歷程簡短，極大提高了整體動作頻率，縮短單體工作節(jié)拍。

復(fù)合型嵌入式壓裝執(zhí)行結(jié)構(gòu)，前端執(zhí)行部件囊括了壓裝頭主體、推進定位珠、輔助定位銷、三通類輔助支撐、彎頭類輔助支撐、高精度限程檢測系統(tǒng)。

壓裝頭主體是四種接管而復(fù)合一體式結(jié)構(gòu)，包括壓裝單直管、三通類直管、彎頭類直管。壓裝頭主體內(nèi)襯高強度自潤滑非金屬材料，防止本體與接管因動摩擦而產(chǎn)生劃痕。三通類輔助支撐一種壓裝頭主體衍生附定位珠限位支管結(jié)構(gòu)，與壓裝頭一體模式，保證工作狀態(tài)定位朝向及精度。

彎頭類輔助支撐壓裝頭主體衍生附定位簧、定位滑托、定位端板結(jié)構(gòu)，與壓裝頭同一體模式，保證工作狀態(tài)定位朝向及精度，均衡擴散沖壓應(yīng)力應(yīng)變。高精度限程檢測系統(tǒng)壓裝頭主體衍生導(dǎo)向桿、限位頂塊、限位簧、高精度限位器總成，保證氣液增壓系統(tǒng)能及時終止在中間位置。高精度壓裝力實時檢測系統(tǒng)，以力學(xué)敏感元件為核心，實時將瞬時壓力傳入CPU并存儲在內(nèi)存，自動生成過程曲線，定時自動校對多曲線波動率，統(tǒng)計各項數(shù)據(jù)可選輸出模式導(dǎo)出至小型存儲器發(fā)送用戶終端。復(fù)合型嵌入式壓裝執(zhí)行結(jié)構(gòu)集雙輔助雙定位雙檢測渾然一體，優(yōu)良的系統(tǒng)兼容性和協(xié)調(diào)性，接管到位自動檢測執(zhí)行對應(yīng)工作流程。

反推執(zhí)行結(jié)構(gòu)與一體式三軸聯(lián)動結(jié)構(gòu)構(gòu)成整體水平定位，主推系統(tǒng)和鎖緊系統(tǒng)串行，主推系統(tǒng)包括驅(qū)動氣缸、主推導(dǎo)向直線系統(tǒng)、主推直線檢測系統(tǒng)，導(dǎo)向直線系統(tǒng)中采用直線擴展型導(dǎo)軸，階梯擴展口為鎖緊系統(tǒng)提供精準的楔形鎖緊位，壓裝工作執(zhí)行時，擴展型導(dǎo)軸將主推力傳遞至楔形鎖緊器，鎖緊器與背板產(chǎn)生的摩擦阻力、鎖緊氣缸合閘摩擦阻力二者合力阻滯鎖緊器反退，瞬時非線性沖擊衰減效應(yīng)。鎖緊系統(tǒng)包括鎖緊氣缸、反頂鎖緊直線系統(tǒng)、反頂鎖緊檢測系統(tǒng)，反頂鎖緊直線系統(tǒng)中采用雙自鎖緊楔形鎖緊器與主推擴展軸協(xié)同工作，瞬時耐沖擊性能優(yōu)越，時間段，力學(xué)效應(yīng)穩(wěn)定可靠。

上限位結(jié)構(gòu)上到位多機型定位器、上限位支撐體、上限位支撐定位器，與線體頂升結(jié)構(gòu)構(gòu)成整體垂直定位。上到位多機型定位器可為不同機型量身定制，抗壓強度高，耐沖擊性能好。上部支撐定位器以固定模式為優(yōu)選，也可采用氣動隨動定位模式，整體配合性協(xié)調(diào)，定位限位精度高。

4 結(jié)語

本設(shè)計由于采用以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點。（1）采用一體式三軸定位結(jié)構(gòu)，四維梯度能量耗散模式，應(yīng)力應(yīng)變逐級梯度衰減，有效保護工件本體，削弱反推結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)，增強了在抵抗高沖壓力工作狀態(tài)時系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性及安全性。

（2）采用一體式三軸定位聯(lián)動結(jié)構(gòu)，適用于多機型工作模式，無論工件直進姿態(tài)還是旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，均提供良好的系統(tǒng)兼容性，一機多用極大降低生產(chǎn)成本、節(jié)省了后期生產(chǎn)資金投入。

（3）采用一體式三軸定位聯(lián)動結(jié)構(gòu)，三軸互不干涉，重疊聯(lián)動工作，極大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了后期生產(chǎn)人力投入。

（4）采用復(fù)合型壓裝結(jié)構(gòu)，兼容單直管、三通類直管、彎頭類直管等綜合壓裝工況，復(fù)合型嵌入式為批量生產(chǎn)提供了強大的兼容平臺，一機多用效果極其明顯，不但降低了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)線效率，而且還節(jié)省了后期生產(chǎn)資金及人力投入。

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：A

：1671-0711（2017）06（上）-0114-03

項目編號：2015SYHZ0024。