汽車發動機缸蓋導管、座圈智能柔性化壓裝技術的研究與應用

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

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

傳統壓裝設備只能針對單一型號的發動機缸蓋進行壓裝，生產效率低，且無法在機加、裝配過程中實現壓裝精度的實時檢測和控制，嚴重影響了發動機機加、裝配多機型柔性共線生產質量，且使用的液壓裝置容易泄漏，造成環境污染。在此背景下，汽車發動機缸蓋智能壓裝技術的研發和應用，大大提升了壓裝設備的節能、節材、環保水平，促進了汽車發動機智能化制造的發展，保證了發動機質量穩定性。

1 汽車發動機缸蓋導管、座圈智能化壓裝裝置總體構架

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

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→缸蓋定位并舉升→噴油機構對缸蓋的導管/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，滿足柔性化生產需求，實現缸蓋氣門導管、氣門座圈的精確定位，保證恒定、安全的壓裝控制，實現壓裝高質量及可視化人機界面，隨時監控運行狀態，實現壓裝的實時監測和控制。

（3）通過人機界面設定各種工藝參數，實時監控各個變量和信息，實現壓裝參數儲存等智能化判斷，使各參數可在系統中追溯。

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

2 汽車發動機缸蓋導管、座圈智能化壓裝裝置的設計組成

2.1 機座滑臺機構

主要由Q235A鋼板焊接后機加而成，為框架機構。組成機構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。

2.2 導管座圈上料機構

主要由導管送料機構、座圈正反識別機構、座圈送料機構和氣缸組成。氣缸采用SMC產品，整體結構緊湊、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，節約了時間。

2.3 缸蓋翻轉機構

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

2.4 平衡式壓裝機構

（1）壓裝過程中控制系統發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，結束壓裝。

（3）控制系統發出指令，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進行壓裝位移和壓力的智能調節。

平衡壓裝機構將壓裝力轉化為作用于缸蓋上的內力，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方管及鋼絲網組成，用于保證設備被隔離，方便操作員操作，保障了操作員的安全，人機工程合理高效。

由于環境溫度的變化和機器人或機器部件在運行時變熱會產生微小膨脹，如果工件位置錯誤，會在壓入過程中導致損壞。環境溫度的變化也可能導致機器部件長度發生變化。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：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。系統控制器采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC，由于設備工位較多，I/O信號分散在各個工位，系統采用基于Profibus總線的分布式I/O控制方式。設備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，顯示區域大，顏色豐富，通過屏上功能按鍵實現對設備的操作。MP277提供完整的設備故障及報警信息，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總線網絡中，通過總線和PLC完成數據通訊。

（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）公司產品，位移傳感器為日本基恩士公司產品，采用研華P-MMX系列工控機將數據描述成動態曲線圖形與輸入電脈沖波形，壓裝時有壓力檢測監控，能實現各個壓力點動態曲線圖與各個壓入深度上下限的參數設定、編輯與顯示，壓入過程中發生故障、壓力不合格時報警；壓頭便于更換且壓力可調，整個壓裝行程在一定范圍內可調，并能實時進行壓力曲線監控（圖2）。縮空氣中斷時，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 結語

本文對發動機缸蓋導管、座圈的智能化壓裝技術及其應用進行了研究，運用人機界面及現代化傳感器等技術手段，實現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品質量，并可為此類壓裝裝置的進一步改善提供技術支持。

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（3）氣動液壓系統：液壓元件采用油研產品，氣動元件采用SMC產品。

（4）控制運動的自鎖式氣動單元（圖3）：在設備內部，當壓