基于智能制造的汽車等速傳動(dòng)軸裝配技術(shù)研究

岑灝

上海納鐵福傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司 上海市 201315

1 引言

智能制造是利用技術(shù)知識(shí)系統(tǒng)、生產(chǎn)制造系統(tǒng)工程以及機(jī)器人控制系統(tǒng)的集成，來(lái)對(duì)生產(chǎn)工人們的操作技術(shù)能力和研究專家的知識(shí)進(jìn)行建模，從而使智能機(jī)器能夠獨(dú)立自主實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)的目的。近年來(lái)，在國(guó)家政策的大力支持下，我國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷增加。《中國(guó)制造2025》明確提出以智能制造為主攻方向，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。汽車行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，“智能制造”在汽車領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)家大力發(fā)展智能制造具有標(biāo)志性的意義。

2 等速傳動(dòng)軸智能裝配技術(shù)現(xiàn)狀分析

等速傳動(dòng)軸是汽車驅(qū)動(dòng)的重要底盤零部件，用于連接輪轂及變速箱，其功能是在一定角度的條件下在動(dòng)力源和被驅(qū)動(dòng)件之間傳遞動(dòng)力。雖然“智能制造”技術(shù)已在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，但是目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)基于等速傳動(dòng)軸裝配的智能制造技術(shù)研究先例。

本研究采用了寬帶德?tīng)柗萍夹g(shù)，對(duì)20 位國(guó)內(nèi)外等速傳動(dòng)軸裝配專家進(jìn)行了信息調(diào)研。結(jié)果表明，目前等速傳動(dòng)軸裝配技術(shù)絕大部分還是基于人工手工裝配階段，只有少量的自動(dòng)化裝配先例。目前等速傳動(dòng)軸的裝配線節(jié)拍普遍在35s 至60s 之間，一條裝配線的人員配額在4 人至7 人之間。

等速傳動(dòng)軸裝配的核心工藝包括：護(hù)套夾箍裝配、三銷節(jié)壓裝、固定節(jié)壓入、固定節(jié)注油脂、移動(dòng)節(jié)裝配、移動(dòng)節(jié)注油脂、收緊整體式夾箍、綜合檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)20 位國(guó)內(nèi)外等速傳動(dòng)軸裝配專家進(jìn)行相關(guān)調(diào)研，結(jié)果表明：目前護(hù)套夾箍裝配、固定節(jié)壓入、固定節(jié)注油脂、移動(dòng)節(jié)裝配、移動(dòng)節(jié)注油脂、收緊整體式夾箍、綜合檢驗(yàn)等裝配工序已有了少量智能制造的經(jīng)驗(yàn)。而三銷節(jié)壓裝工序目前在國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有成功的先例（見(jiàn)表1）。

表1 等速傳動(dòng)軸裝配智能制造技術(shù)分析表

因此，開(kāi)發(fā)三銷節(jié)壓裝智能裝配技術(shù)是實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)軸總成智能裝配能力的關(guān)鍵技術(shù)。

3 三銷節(jié)壓裝裝配難點(diǎn)分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三銷節(jié)壓入過(guò)程的智能裝配，本研究使用了流程圖法對(duì)三銷節(jié)的壓入過(guò)程進(jìn)行了分解及分析。經(jīng)過(guò)分析，三銷節(jié)的壓入過(guò)程共分為：三銷節(jié)自動(dòng)上料、實(shí)軸自動(dòng)上料、卡簧自動(dòng)上料、三銷節(jié)自動(dòng)對(duì)花鍵及壓入、卡簧自動(dòng)壓入及檢測(cè)、分總成下料6個(gè)步驟（見(jiàn)圖1）。其中，三銷節(jié)自動(dòng)上料、實(shí)軸自動(dòng)上料、卡簧自動(dòng)上料、分總成下料功能已具備了智能裝配的經(jīng)驗(yàn)。三銷節(jié)自動(dòng)對(duì)花鍵及卡簧自動(dòng)壓入檢測(cè)技術(shù)目前尚無(wú)成功的先例。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將有助于實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)軸的智能裝配。

圖1 三銷節(jié)壓裝過(guò)程分析圖

4 三銷節(jié)自動(dòng)壓入技術(shù)研究

目前的汽車等速傳動(dòng)軸的裝配過(guò)程中，移動(dòng)節(jié)的三銷節(jié)壓入實(shí)軸采用的是手動(dòng)對(duì)花鍵后對(duì)三銷節(jié)進(jìn)行壓入的裝配過(guò)程。手工裝配的方式裝配節(jié)拍較慢且裝配過(guò)程不穩(wěn)定，不利于精益生產(chǎn)管理，同時(shí)也無(wú)法滿足智能制造的基本要求。因此，探索一種新的自動(dòng)裝配技術(shù)來(lái)取代手工裝配就成為了提高等速傳動(dòng)軸裝配效率實(shí)現(xiàn)智能裝配的關(guān)鍵因素之一。

4.1 三銷節(jié)壓入過(guò)程分析

本研究首先對(duì)手動(dòng)三銷節(jié)的壓入過(guò)程進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了對(duì)三銷節(jié)自動(dòng)壓入過(guò)程的實(shí)現(xiàn)軌跡：

首先，三銷節(jié)通過(guò)上料料道進(jìn)行輸送；其次，三銷節(jié)通過(guò)推送裝置推送到壓入位置；再次，三銷節(jié)在電缸的推動(dòng)下進(jìn)行下壓同時(shí)實(shí)軸轉(zhuǎn)動(dòng)完成對(duì)花鍵；最后，三銷節(jié)繼續(xù)下壓完成三銷節(jié)壓入裝過(guò)程。（見(jiàn)圖2）

圖2 三銷節(jié)壓入過(guò)程分析圖

4.2 三銷節(jié)壓入機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及壓入原理分析

基于3.1 對(duì)三銷節(jié)自動(dòng)壓入實(shí)現(xiàn)的過(guò)程分析，為了實(shí)現(xiàn)三銷節(jié)的自動(dòng)壓入，對(duì)三銷節(jié)及實(shí)軸進(jìn)行有效的定位是實(shí)現(xiàn)此裝配過(guò)程的關(guān)鍵因素。

在本研究中，在進(jìn)行自動(dòng)裝配三銷節(jié)時(shí)，三銷節(jié)上卡爪進(jìn)行夾持的同時(shí)在電缸的推動(dòng)下將三銷節(jié)進(jìn)行下壓。上卡爪依據(jù)三銷軸的外圓結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證在壓入過(guò)程中，三銷節(jié)無(wú)周向轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖3）。

圖3 三銷節(jié)壓入上卡爪結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)三銷節(jié)內(nèi)花鍵與實(shí)軸外花鍵的匹配及壓入，本研究采用三銷節(jié)固定實(shí)軸旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)三銷節(jié)壓入實(shí)軸的過(guò)程。

本研究中，為了對(duì)等速傳動(dòng)軸實(shí)軸進(jìn)行固定，采用中間抱緊機(jī)構(gòu)對(duì)實(shí)軸進(jìn)行定位。同時(shí)采用下卡爪的結(jié)構(gòu)形式夾持住等速傳動(dòng)軸的實(shí)軸的花鍵部，并在齒輪齒條的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)匹配內(nèi)外花鍵（見(jiàn)圖4），當(dāng)內(nèi)外花鍵匹配成功時(shí)則在上卡爪氣缸壓力的推動(dòng)下將三銷節(jié)壓裝在實(shí)軸外花鍵處，進(jìn)而完成自動(dòng)對(duì)花鍵裝配，實(shí)現(xiàn)三銷節(jié)對(duì)實(shí)軸的自動(dòng)壓入。

圖4 對(duì)花鍵機(jī)構(gòu)圖

由于壓裝精度的要求，實(shí)軸的定位定心對(duì)壓裝質(zhì)量具有重要的作用?；趯?shí)軸放置到位后的定位要求，本研究開(kāi)發(fā)了一套實(shí)軸壓裝組件機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖5），該機(jī)構(gòu)通過(guò)實(shí)軸頂針下壓壓緊實(shí)軸。組件中的球頭鎖緊銷拔出可以快速更換頂針和壓頭，滿足快速換型要求。同時(shí)，由于部分實(shí)軸尺寸較長(zhǎng)，壓緊過(guò)程中可能會(huì)由于剛性問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)軸彎曲。本研究開(kāi)發(fā)了一套夾爪定心機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖6），防止實(shí)軸軸向彎曲變形。該機(jī)構(gòu)通過(guò)平行氣爪抓緊實(shí)軸，有效防止了實(shí)軸彎曲。

圖5 壓裝組件結(jié)構(gòu)圖

圖6 夾爪定心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

4.3 三銷節(jié)壓入過(guò)程量化分析

基于三銷節(jié)壓入的工藝參數(shù)要求，需要對(duì)整個(gè)壓入過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)量化分析，以達(dá)到壓裝結(jié)果的判斷以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和追溯。通過(guò)伺服電缸及其相關(guān)集成軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集擬合，得到如下圖7 力-位移曲線。

圖7 壓入力-位移曲線圖

圖中包含壓入力判定以及保壓力判定，判定框即為壓入過(guò)程，也是研究整個(gè)三銷節(jié)自動(dòng)壓入的關(guān)鍵點(diǎn)，曲線上必須有任意一點(diǎn)在判定框內(nèi)，并且在壓入過(guò)程中任意一點(diǎn)不得超過(guò)判定框上限。當(dāng)壓裝到位時(shí)，由于工裝夾具和實(shí)軸端面貼合，伺服位置不再發(fā)生改變，此時(shí)力會(huì)陡然增加，已經(jīng)不包含花鍵配合力。結(jié)合擬合曲線可以分析得到各種不同質(zhì)量缺陷原因。

壓入力判定框?qū)挾葁 和取值則結(jié)合圖8三銷節(jié)壓入示意圖計(jì)算可得。

圖8 三銷節(jié)壓入示意圖

其中，TT 為三銷節(jié)厚度、ST 為花鍵有效長(zhǎng)度、N 為工裝夾具端面距實(shí)軸端面距離、T 為槽至實(shí)軸端面距離、h 為卡簧厚度、G 為壓裝完卡簧和槽之間間隙。

其中α1、α2、β1、β2……各尺寸公差，由公式（1）、（2）變形可得公式（3）、（4）：

最后可得判定框?qū)挾葁 的取值范圍為：

5 卡簧自動(dòng)壓入檢測(cè)技術(shù)研究

目前汽車等速傳動(dòng)軸總成裝配過(guò)程中三銷節(jié)端的卡簧裝配是通過(guò)手動(dòng)預(yù)壓卡簧以及壓入過(guò)程中工裝夾具的外套和內(nèi)套之間的位移變化、觸發(fā)光纖來(lái)達(dá)到檢測(cè)卡簧漏裝效果。這種方法人力負(fù)擔(dān)重、無(wú)法滿足智能制造的要求。為實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)軸智能裝配的能力。本研究旨在開(kāi)發(fā)一套全新的適合智能裝配卡簧自動(dòng)裝配及檢測(cè)技術(shù)。

5.1 卡簧自動(dòng)壓裝檢測(cè)工作流程分析

基于卡簧手動(dòng)壓裝檢測(cè)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于卡簧自動(dòng)壓裝及檢測(cè)本研究制定的流程為：實(shí)軸三銷節(jié)組件自動(dòng)上下料、卡簧自動(dòng)上下料、卡簧自動(dòng)壓入、卡簧自動(dòng)檢測(cè)、分總成下料（見(jiàn)圖9）。其中卡簧自動(dòng)壓入及自動(dòng)檢測(cè)是此過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套整合自動(dòng)壓裝及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)為一體的機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)智能裝配的關(guān)鍵。

圖9 卡簧自動(dòng)壓入檢測(cè)流程圖

5.2 卡簧自動(dòng)壓裝檢測(cè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

基于4.1 節(jié)，本研究開(kāi)發(fā)了一套卡簧自動(dòng)壓裝檢測(cè)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖10），這套機(jī)構(gòu)核心子機(jī)構(gòu)包括：卡簧引導(dǎo)體上料定位機(jī)構(gòu)、卡簧壓裝機(jī)構(gòu)以及卡簧防錯(cuò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

圖10 卡簧自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

卡簧引導(dǎo)體上料定位機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖11）主要是由卡簧引導(dǎo)體、卡簧引導(dǎo)體頂壓部分以及卡簧引導(dǎo)體夾緊部分構(gòu)成，主要作用是頂壓卡簧引導(dǎo)體并夾緊，起中轉(zhuǎn)作用，將送來(lái)的帶卡簧的卡簧引導(dǎo)體移載到待壓裝軸上。

圖11 卡簧引導(dǎo)體上料定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

卡簧壓裝機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖12）主要是由無(wú)極伸縮夾爪部分以及升降部分構(gòu)成；其作用是將卡簧引導(dǎo)體上的卡簧壓裝到軸的卡簧槽內(nèi)。

圖12 卡簧壓裝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

卡簧防錯(cuò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖13）主要是由位移尺，氣缸升降部分以及工裝部分構(gòu)成。其作用是通過(guò)位移尺上位移變化檢測(cè)卡簧有無(wú)漏裝。

圖13 卡簧防錯(cuò)檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖

基于上述結(jié)構(gòu)研究，卡簧引導(dǎo)體上料定位機(jī)構(gòu)先將卡簧引導(dǎo)體夾緊，移載到正確工位處，后續(xù)卡簧壓裝工位動(dòng)作，將卡簧壓裝到正確位置，壓裝成功后，進(jìn)行位移檢測(cè)，檢測(cè)卡簧漏裝和不到位。該機(jī)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)了卡簧壓裝及檢測(cè)的智能裝配。

6 研究效果分析

通過(guò)上述在手動(dòng)裝配線基礎(chǔ)上，對(duì)三銷節(jié)壓裝（含卡簧壓裝）的智能裝配技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。在等速傳動(dòng)軸上首次實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)裝配線的全自動(dòng)的裝配能力。

相比國(guó)內(nèi)外以往的等速傳動(dòng)軸裝配數(shù)據(jù)。新的全自動(dòng)的智能化裝配線的節(jié)拍可達(dá)到31s，優(yōu)于目前35s 的標(biāo)準(zhǔn)裝配線的節(jié)拍；同時(shí)操作的人數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)裝配線的4-7 人，降到2 人。

7 結(jié)論與展望

等速傳動(dòng)軸是汽車重要零部件，基于智能制造的裝配技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)智能制造的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。本研究?jī)H對(duì)等速傳動(dòng)軸智能裝配線的三銷節(jié)自動(dòng)壓裝技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)等速傳動(dòng)軸裝配線的布局，產(chǎn)能平衡還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。