機器人螺栓擰緊技術在發動機裝配的應用

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變，中國汽車總體市場需求量持續增長。各汽車生產企業力求實現為用戶定制不同標準的車型，與此同時隨著競爭的加劇，車型更新換代速度加快，汽車生產越來越具有品種多樣性的特點。發動機也是如此，各生產企業需要根據不同車型配備不同功率、不同扭矩、不同油耗的發動機。提高發動機生產線的柔性，使一條生產線具備可生產多款發動機的能力，可大大降低投資成本。因此，靈活多變的柔性生產線是未來發動機生產線的一個發展趨勢[1]。

裝配在發動機制造中占有很重要的地位，人力、物力、財力消耗很大。目前，機器人裝配作為一項新興工業技術在發動機裝配領域嶄露頭角[2]。機器人以其精度高、速度快、柔性大等特點，可廣泛應用于發動機零件裝配、自動涂膠、螺栓擰緊，如一汽集團2003年底建成的CA6DL柴油機柔性裝配線，采用ABB機器人對曲軸、油底殼進行自動裝配和缸體、缸蓋、前端蓋等結合面自動涂膠。

近年來，面向發動機裝配業的自動擰緊裝配線更是備受關注。目前，通過與國外公司進行廣泛的交流與技術合作，國內許多公司已掌握了國際先進的擰緊設備制造關鍵技術。這些新技術、新理念得到應用后，在發動機裝配領域可為用戶提供一批技術先進、性能可靠的產品，并為用戶節省了大量投資[3]。本文以SGMW發動機裝配線為例，介紹機器人在發動機螺栓擰緊上的應用。

1 機器人擰緊系統構成

SGMW發動機裝配線主要裝配兩大系列共10余款發動機，根據不同型號發動機前端蓋外形尺寸和擰緊要求對機器人擰緊設備進行設計制造，系統主要分為機器人主體、擰緊機構、頂升機構、壓緊機構、換型機構五個部分。

1.1 機器人主體

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

圖1 機器人總裝圖

1.2 擰緊機構

擰緊機構設計為機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，機器人可在垂直和水平方向移動以及旋轉角度，到達下一組擰緊螺栓位置。針對不同機型可設置不同路徑程序，以滿足不同機型的螺栓位置分布。擰緊機構設計圖如圖2所示。

圖2 擰緊機構設計圖

每組螺栓間距不同，可通過伺服電機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，伺服電機帶動另一根軸移動到所需位置。

圖3 擰緊機構變距示意圖

1.3 壓緊機構

壓緊機構的作用是為了保證每一臺發動機目標螺栓處于同一位置，本文壓緊機構采用從上往下壓緊方式，發動機到位后，壓緊機構通過氣缸帶動壓板下降，壓板上的壓塊壓緊發動機使其處于水平位置。壓緊機構如圖4所示。

圖4 壓緊機構示意圖

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

1.4 頂升機構

頂升機構是自動站常用機構之一，頂升機構將發動頂起起到定位的作用。采用的頂升機構示意圖如圖5所示，機構由氣缸控制升起和降落，升起時，頂升機構將導向銷插入到發動機托盤相應定位孔里，確定發動機到位準確。定位銷經過倒角處理避免升起時卡死托盤，位置傳感器感應頂升機構是否上升和下降到位，如感應到位則通過PLC發出指令進行下一個設定動作。

圖5 頂升機構示意圖

1.5 換型機構

生產線建造的發動機主要有1.2 L和1.5 L兩大類，前端蓋螺栓大小分別為M8和M6.系統設計為手動換套筒，當到位發動機型號發生改變時，PLC給出一個換套筒的報警信息，提醒員工對擰緊軸套筒進行更換。員工通過HMI面板操作后，機器人由設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。相比傳統的自動擰緊設備需要打開安全門進入圍欄，換型時間約2~3 min，本文的換型方式可節約時間90~150 s，見圖6.

圖6 換型機構示意圖

1.6 小結

本節對機器人擰緊系統幾大硬件部分進行了介紹，該系統在生產過程中運行穩定，一次下線合格率達99%以上，滿足生產產能要求，并能生產不同型號前端蓋差異較大的發動機，具有很高的生產柔性。

2 與多軸自動擰緊技術的比較

較常使用的自動擰緊設備為多軸自動擰緊設備，如圖7所示，設備主要包括：自動工位機架、安裝滑臺、頂升機構、直線導軌、PLC控制柜等。多軸自動擰緊設備可同時擰緊多顆螺栓，精度高，穩定性好，節拍短，控制系統可實現模塊化，抗干擾能力強，一般控制編程軟件簡單易懂，編程靈活，當擰緊出線錯誤或故障時，系統會發出報警信息并記錄自診斷結果，方便問題分析和維修處理。多軸自動擰緊設備具備上述優點的同時，也存在投資大，柔性低等問題。機器人自動擰緊技術和多軸自動擰緊技術優缺點對比如表1所示。

圖7 多軸自動擰緊設備

表1 不同擰緊設備優缺點對比

3 結束語

自動化、柔性化是發動機裝配線一個重要發展方向，裝配線的柔性生產能力成為評價裝配性能的重要指標。機器人擰緊技術的柔性和穩定性，使其在發動機裝配領域運用越來越多。當然，機器人擰緊也存在一些問題，如對裝配定位要求高，否則容易出現套筒對不準螺栓的問題，機器人攜帶擰緊軸數量較少，擰緊效率較低等，在機器人擰緊技術快速發展過程中，這些問題亟待解決[4]。

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

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

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

[4]孫學儉，于國輝.對世界工業機器人發展特點的分析[J].機器人技術與應用，2002，（3）：8-9.