汽車發(fā)動機缸蓋導管、座圈智能柔性化壓裝技術(shù)的研究與應用

許道憲

（廣州市嘉特斯機電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

發(fā)動機是汽車的心臟，而缸蓋是發(fā)動機中結(jié)構(gòu)非常復雜的關(guān)鍵零件之一，其加工工藝復雜，精度要求高，它的加工質(zhì)量和精度直接影響發(fā)動機工作的整體性能。在生產(chǎn)制造過程中，由于種種原因，氣缸蓋的實際變形往往會超過產(chǎn)品的允許變形量，嚴重影響了氣缸蓋的質(zhì)量，甚至導致了出現(xiàn)廢品缸蓋。

傳統(tǒng)壓裝設(shè)備只能針對單一型號的發(fā)動機缸蓋進行壓裝，生產(chǎn)效率低，且無法在機加、裝配過程中實現(xiàn)壓裝精度的實時檢測和控制，嚴重影響了發(fā)動機機加、裝配多機型柔性共線生產(chǎn)質(zhì)量，且使用的液壓裝置容易泄漏，造成環(huán)境污染。在此背景下，汽車發(fā)動機缸蓋智能壓裝技術(shù)的研發(fā)和應用，大大提升了壓裝設(shè)備的節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保水平，促進了汽車發(fā)動機智能化制造的發(fā)展，保證了發(fā)動機質(zhì)量穩(wěn)定性。

1 汽車發(fā)動機缸蓋導管、座圈智能化壓裝裝置總體構(gòu)架

汽車發(fā)動機缸蓋導管、座圈壓裝裝置（圖1）總體組成有缸蓋輸送系統(tǒng)、缸蓋定位系統(tǒng)、壓裝系統(tǒng)、上料系統(tǒng)和座圈冷卻系統(tǒng)。工件通過缸蓋輸送系統(tǒng)進入噴油機構(gòu)進行缸蓋定位，進入上料系統(tǒng)后通過機器人進入壓裝系統(tǒng)，最后進入冷卻系統(tǒng)。

圖1 缸蓋導管、座圈智能化壓裝裝置整體圖

工作流程：工件通過自動輥道進入上料輸送線→機種識別→進入噴油機構(gòu)→缸蓋定位并舉升→噴油機構(gòu)對缸蓋的導管/座圈孔進行噴霧→缸蓋下降→機種識別→上料工位定位并舉升→機器人抓取缸蓋進入壓裝工位→機器人帶夾具翻轉(zhuǎn)13.9°→進氣座圈上料→進氣座圈壓裝→進氣導管上料→進氣導管壓裝→機器人帶夾具翻轉(zhuǎn)13.9°→排氣座圈上料→排氣座圈壓裝→排氣導管上料→排氣導管壓裝→夾具回原位→機器人帶夾具缸蓋回原→機器人把缸蓋放入下料工位→缸蓋下降→缸蓋通過機動輥道進入下一機床。

（1）在通過機器人裝料的安裝工位中給不同的氣缸蓋類型自動裝配進氣座圈、排氣座圈和氣門導向裝置。通過輸送裝置給安裝工位供應用于安裝任務(wù)的各種安裝件。機器人抓取工件，并將其保持在安裝工位的壓入裝置中。

（2）通過智能傳感器和機器人的融合，滿足柔性化生產(chǎn)需求，實現(xiàn)缸蓋氣門導管、氣門座圈的精確定位，保證恒定、安全的壓裝控制，實現(xiàn)壓裝高質(zhì)量及可視化人機界面，隨時監(jiān)控運行狀態(tài)，實現(xiàn)壓裝的實時監(jiān)測和控制。

（3）通過人機界面設(shè)定各種工藝參數(shù)，實時監(jiān)控各個變量和信息，實現(xiàn)壓裝參數(shù)儲存等智能化判斷，使各參數(shù)可在系統(tǒng)中追溯。

（4）采用現(xiàn)場總線使整個系統(tǒng)響應速度達到1.5 Mb/s，伺服驅(qū)動控制使系統(tǒng)重復定位達到0.03 mm，為高精度、高效率的壓裝奠定了基礎(chǔ)。

2 汽車發(fā)動機缸蓋導管、座圈智能化壓裝裝置的設(shè)計組成

2.1 機座滑臺機構(gòu)

主要由Q235A鋼板焊接后機加而成，為框架機構(gòu)。組成機構(gòu)之間采用定位銷定位、螺栓連接，整體簡單、美觀，定位精準，剛性好，組件和零件可以單獨拆卸，方便檢修和保養(yǎng)。

2.2 導管座圈上料機構(gòu)

主要由導管送料機構(gòu)、座圈正反識別機構(gòu)、座圈送料機構(gòu)和氣缸組成。氣缸采用SMC產(chǎn)品，整體結(jié)構(gòu)緊湊、合理，進排氣導管和座圈選料同時工作并分開，保障上料緊湊且正確，節(jié)約了時間。

2.3 缸蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

主要由機器人+夾爪夾緊裝置、翻轉(zhuǎn)氣缸、導向滑軌組成，夾緊裝置保證缸蓋夾緊后在移載和翻轉(zhuǎn)的過程中不會脫落，翻轉(zhuǎn)角度由機器人提供缸蓋翻轉(zhuǎn)時的動力，夾持和翻轉(zhuǎn)到位后有開關(guān)感應，保證每個動作的位置檢測及整體機構(gòu)的互鎖。

2.4 平衡式壓裝機構(gòu)

（1）壓裝過程中控制系統(tǒng)發(fā)出指令將上部導管壓裝單元向下移動接觸到缸蓋，抬起下部座圈壓裝單元將座圈裝入上料夾具中，上料夾具自動打開，電動缸抬起夾具并壓裝座圈。

（2）控制系統(tǒng)判斷上述動作完成，控制導管壓頭解鎖，壓頭下降并壓裝座圈，結(jié)束壓裝。

（3）控制系統(tǒng)發(fā)出指令，缸蓋向前移動一個工位，并將座圈送入上壓頭，重復上述工序完成導管、座圈壓裝。工件在壓裝過程中由控制系統(tǒng)進行壓裝位移和壓力的智能調(diào)節(jié)。

平衡壓裝機構(gòu)將壓裝力轉(zhuǎn)化為作用于缸蓋上的內(nèi)力，避免了工件壓裝過程中被壓變形，能夠使座圈與缸蓋底孔達到完全貼合的程度，每個壓裝裝置都有一個自動平衡力單元來自動平衡壓裝力。

2.5 防護組件

主要由鋁型材、60×60方管及鋼絲網(wǎng)組成，用于保證設(shè)備被隔離，方便操作員操作，保障了操作員的安全，人機工程合理高效。

由于環(huán)境溫度的變化和機器人或機器部件在運行時變熱會產(chǎn)生微小膨脹，如果工件位置錯誤，會在壓入過程中導致?lián)p壞。環(huán)境溫度的變化也可能導致機器部件長度發(fā)生變化。所以采用常溫壓裝，氣門導管、閥座底孔里必須涂入規(guī)定型號的油，并采用激光傳感器進行測距和溫度補償。

3 汽車發(fā)動機缸蓋導管、座圈智能化壓裝裝置的智能控制原理

（1）PLC控制系統(tǒng)：在氣門導向裝置和氣門座圈壓入操作前，檢查機器人抓手上工件的位置，可以通過PLC程序進行偏置修正。系統(tǒng)控制器采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC，由于設(shè)備工位較多，I/O信號分散在各個工位，系統(tǒng)采用基于Profibus總線的分布式I/O控制方式。設(shè)備HMI選用SIEMENS公司最新推出的多功能操作屏幕MP277，該屏為10寸64K色液晶顯示屏，顯示區(qū)域大，顏色豐富，通過屏上功能按鍵實現(xiàn)對設(shè)備的操作。MP277提供完整的設(shè)備故障及報警信息，便于操作人員盡快找到故障；集成DP接口，通過該接口可以方便地集成到Profibus總線網(wǎng)絡(luò)中，通過總線和PLC完成數(shù)據(jù)通訊。

（2）交互信息：氣門導向裝置和氣門座圈壓頭配備壓力傳感器，荷重計采用全球知名的日本KYOWA（共和）公司產(chǎn)品，位移傳感器為日本基恩士公司產(chǎn)品，采用研華P-MMX系列工控機將數(shù)據(jù)描述成動態(tài)曲線圖形與輸入電脈沖波形，壓裝時有壓力檢測監(jiān)控，能實現(xiàn)各個壓力點動態(tài)曲線圖與各個壓入深度上下限的參數(shù)設(shè)定、編輯與顯示，壓入過程中發(fā)生故障、壓力不合格時報警；壓頭便于更換且壓力可調(diào)，整個壓裝行程在一定范圍內(nèi)可調(diào)，并能實時進行壓力曲線監(jiān)控（圖2）?？s空氣中斷時，控制運動的氣動單元通過受控氣動止回閥閉鎖壓縮空氣。通過有針對性地給受控止回閥排氣，可以在能源斷開時進行移動。排氣前應采取機械措施確保氣缸安全，避免其意外移動。

圖2 壓力、位移監(jiān)控

圖3 自鎖式氣動單元

（5）采用FANUC公司的機器人來搬運工件和附具。

4 結(jié)語

本文對發(fā)動機缸蓋導管、座圈的智能化壓裝技術(shù)及其應用進行了研究，運用人機界面及現(xiàn)代化傳感器等技術(shù)手段，實現(xiàn)了壓裝過程的智能化控制及柔性化操作，提高了壓裝精度和產(chǎn)品質(zhì)量，并可為此類壓裝裝置的進一步改善提供技術(shù)支持。

[1]李曉燕.機器人力位置控制方法研究與應用[D].保定：河北大學，2011.

[2]吳衛(wèi)東.數(shù)控系統(tǒng)多通道控制技術(shù)的開發(fā)[D].武漢：華中科技大學，2011.

[3]葉暉.工業(yè)機器人典型應用案例精析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[4]崔欣哲.發(fā)動機缸蓋生產(chǎn)線設(shè)備可靠性分析與評估[D].大連：大連理工大學，2013.

[5]魏峰.汽車發(fā)動機缸蓋加工專用機床的設(shè)計與研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[6]馬瑞嘉.發(fā)動機缸蓋裝配技術(shù)研究及工藝過程優(yōu)化[D].長春：吉林大學，2011.

[7]孫紅飛.發(fā)動機缸蓋冷卻水道流場及冷卻特性的分析研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[8]顧齊芳.發(fā)動機缸蓋細長凸輪孔在加工中心上的精加工[J].現(xiàn)代零部件，2011（8）：36-37.

（3）氣動液壓系統(tǒng)：液壓元件采用油研產(chǎn)品，氣動元件采用SMC產(chǎn)品。

（4）控制運動的自鎖式氣動單元（圖3）：在設(shè)備內(nèi)部，當壓