平衡軸熱壓裝配設備的研發與設計

【摘 要】近幾年，隨著汽車行業市場需求的不斷擴大，我國汽車工業發展勢頭強勁，越來越多的高質量、高水平的自動化裝配與檢測設備被研發出來，應用于汽車零部件的制造過程中，從而達到增加產量、提高質量、降低消耗、確保安全等目的。本文重點闡述了一臺用于某型號發動機平衡軸組件自動裝配與檢測的全自動化設備的研發與設計。該設備自動化程度高，操作維護方便，可大大提高效率，減少成本，保證產品的生產質量及一致性。

【關鍵詞】平衡軸；自動；裝配單元；控制

1.平衡軸的作用及結構說明

平衡軸簡單說是一個裝有偏心重塊并隨曲軸同步旋轉的軸，利用偏心重塊所產生的反向振動力，使發動機獲得良好的平衡效果，降低發動機振動。本設備所生產的某型號平衡軸主要包括如下部分：

平衡軸組件包含：平衡軸、鋁套、鏈輪、墊片四個部分組成（如圖1示）。

2.裝配工藝要求

（1）鋁套、墊片與平衡軸為間隙配合，由人工手動放入。

（2）鏈輪與平衡軸為過贏配合，要求將鏈輪加熱至160℃后壓配裝入，壓入過程要求有壓入力及壓入行程的監控信息。

（3）鏈輪壓入后要求鏈輪與平衡軸重心平面的夾角為26.8°±0.5°。

（4）壓配結束后要求零件溫度要冷卻至50℃以下，便于人工下料及包裝。

（5）壓入鏈輪后鋁套與平衡軸之間的軸向竄動量為0.25mm～0.5mm。

3.設備技術方案及工藝流程設計

3.1工作站生產節拍：30秒

3.2工作站工藝流程

3.3工作站布置圖

3.4設備組成及結構

☆總成裝配單元：

采用八工位分度轉臺形式工作站，平衡軸鏈輪通過傳送帶傳輸，機械手自動上料，通過伺服旋轉機構及視覺系統實現角向定位，加熱后，由伺服移載機械手送到壓裝位置，并通過伺服壓裝機構實現齒輪/鏈輪的壓裝。

冷卻裝置采用壓縮空氣向工件快速吹風進行冷卻，為確保冷卻效果，設備在三個工位同時對工件進行吹氣冷卻。檢測機構采用氣缸及直線導向機構帶動位移傳感器對套筒軸向間隙進行檢測。設備配置TELESIS激光打標機在工件表面打印標記。

☆控制系統：

采用德國西門子PLC控制整個系統的動作過程，配備聲、光報警裝置；人機界面選用德國西門子OP操作屏，用于實時監控、調試操作及數據輸入。

電氣控制設計自動和手動控制程序。具有完善、可靠的聯鎖、互鎖及安全保護、停電狀態保持功能。

☆氣控系統：

元器件采用德國Festo產品。氣源接口處設空氣過濾器（氣動三聯件），控制器由閥島組成。

4.重點工藝的解決方案

4.1鏈輪角度定向方案

為保證鏈輪與平衡軸壓裝后角度滿足工藝要求（26.8°±0.5°），且鏈輪在人工上料工位上料時操作人員的上料姿態是隨機的，因此鏈輪在移載至壓裝工位前需要將鏈輪上的機械識別特征自動調整到對應位置，本設備采用一套視覺系統和一套伺服系統合并使用，來完成此功能。

PLC與伺服控制器采用Profibus-DP總線控制形式，視覺系統通過以太網與PLC通訊，視覺系統與伺服系統的工作流程如下：

步驟一：控制機械手將鏈輪從傳輸線移載至伺服電機上的工裝。

步驟二：視覺系統拍照計算出標記點與目標位置之間夾角。

步驟三：根據視覺系統提供的夾角，PLC計算出伺服所需要轉動的角度，控制伺服轉動。

步驟四：視覺系統重新拍照計算與目標角度的差值，如超出公差重復步驟三，如在公差范圍內執行下一步驟。

步驟五：將鏈輪抓到加熱工位內。

4.2鏈輪壓裝方案

鏈輪與平衡軸上沒有設計壓裝導入用的倒角，因此在壓裝前，對鏈輪與平衡軸的中心對正精度要求很高。同時，在鏈輪移載過程以及壓裝過程中，鏈輪的角度需要保證沒有偏移，這對工程設計增加了一定的難度，體現在幾個方面：

a.轉盤工位的分度器誤差無法滿足壓裝的對中精度要求。

b.鏈輪在視覺工位將角度定向完成后，后續需要完成加熱、移載、壓裝等多個移動環節，角度需要保證不發生偏移。

c.壓裝過程中需要監控壓力、位移、壓裝時間等生產信息。

為了解決上述問題，本方案采取了如下措施：

a.為排除轉盤到位后由分度器誤差產生的平衡軸定位誤差，在壓裝工位下方增設了二次舉升定位機構，該機構與轉盤分離，與壓機框架安裝為一體，能夠充分保證托盤定位精度，確保平衡軸對中位置準確。

b.在移載機械手、加熱座、壓頭機構上，均設計了定位銷或定位鎖死機構，使鏈輪在移載過程中角度始終處于鎖死狀態，不會發生角度偏轉，影響壓裝質量。

c.壓裝機構采用了伺服壓機的方案，伺服壓機可以精準控制壓裝深度和壓裝力，并可以記錄壓裝過程的全部追溯信息。同時可以通過設定壓裝力閥值、壓裝位移閥值、壓裝時間閥值來實現設備報警和保護功能。

5.研發總結

平衡軸熱壓裝配設備目前已經交付國內某知名汽車零部件生產商用于批量生產，實際生產使用驗證了設計方案穩定、可靠，壓裝精度及檢測數據均完全符合工件圖紙及工藝要求。設備生產節拍為28秒，全設備生產運行只需要一名操作人員即可，且由于具有良好的人機界面，對操作人員進行基本的使用培訓即可完全掌握設備操作方法。同時，鑒于原型號平衡軸的成功試生產，經過二次研發及改造，該設備目前已能夠兼容國內三大汽車品牌的平衡軸產品，生產換型通過快換承載工件的托盤及電腦切換生產工件的型號即可，換型時間僅需10分鐘。為使用方帶來了巨大的經濟效益。