發動機主軸承蓋螺栓擰緊機的柔性化生產分析

劉 洪

（廣州市嘉特斯機電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

作為汽車的動力心臟，一臺合格的汽油或柴油發動機要持續不斷地輸出動力，將每一次活塞運動轉換為機械傳動，就少不了曲軸的轉動實現動力輸出，因此曲軸的配合間隙和螺栓固定至關重要。

每一個主軸承蓋螺栓是否擰緊合格都關系到汽車動力輸出是否正常，而隨著汽車車型的增加，因為成本高以及人員、產房設備、產能問題，又不能每款發動機都單獨使用一條獨立的生產線生產，因此混線生產不可避免，于是一臺對應多機種的發動機主軸承蓋螺栓擰緊機為適應不同位置的螺栓就必須能實現變距。為了保障變距的順利和準確性，就少不了先進的伺服系統。同時，擰緊每一顆螺栓的動力也由簡單的扭力輸出變為伺服擰緊軸，具有先進的扭力和角度控制功能，并能將擰緊數據傳輸給工控機存儲，再由工控機上傳給整個生產系統管理服務器，以便對每一臺發動機的每一個螺栓數據進行實時跟蹤。

1 設備結構

基于柔性化生產，發動機主軸承蓋螺栓擰緊機主要構成包括設備基體、變距機構、擰緊系統、電氣控制系統等。設備采用龍門式主框架結構（跨生產線），包括龍門式本體平臺、工件舉升定位機構、工件插銷定位機構、設備防護機構及其他配件等。要求設備基體所有的安全門必須安裝安全門鎖。

2 變距機構

舉升定位機構及插銷定位機構采用氣缸驅動，采用直線導軌的形式；其余所有變距機構采用伺服電機+絲桿+直線導軌的形式實現。擰緊機6支擰緊軸分為IN、EX兩側擰緊變距機構（圖1），每側各3支擰緊軸，3支擰緊軸可沿X軸方向（線體流動方向）同步變距（兩側軸與曲軸中心的距離保持相等）。要求各擰緊軸能實現Y方向（水平面、垂直于線體方向）單獨變距，同時所有擰緊軸能實現Z軸方向（豎直方向）整體變距。

3 擰緊系統

設備安裝有6套（不含擰緊系統備件）擰緊系統（圖2），每套擰緊系統均包含擰緊軸、控制器、通信電纜、電源、永久擰緊系統軟件使用權限及其他擰緊系統正常運行所需部件。

擰緊系統技術要求如下：

（1）擰緊軸精度要求：力矩為±3%N·m，角度為±1°，CPK值要求達到需方規格值范圍（≥1.33）。

圖1 伺服變距機構

圖2 擰緊機總體布局圖

（2）擰緊軸能實現正、反轉扭矩控制，并具備角度控制功能。

（3）擰緊軸帶有擰緊數據（扭矩值、角度值）輸出端口，具備對擰緊數據進行存儲的功能，預設計算機聯網接口。

（4）擰緊軸套筒單元：包括套筒快速接頭，數量為8套。

4 電氣控制系統

主要包括電柜（配備空調）、PLC控制系統、控制面板（由觸摸屏和控制箱構成）、狀態顯示面板、安全器件、條形碼掃描系統、工控機、RFID系統等，要求如下：

（1）PLC I/O端口預留兩個以上的擴展槽；

（2）PLC與其他裝置（如觸摸屏）的通信不能占用CPU本體自帶通信口，并預留至少一個空余以太網絡接口；

（3）PLC系統與擰緊系統通過CC-LINK進行通信連接；

（4）設備電氣控制系統統一安裝在控制電柜內，電柜要求配置散熱空調，柜內配有AC 220 V兩孔及三孔電源插座，方便筆記本電腦等外部用電設備使用，并有筆記本支架、文件盒；

（5）配備工控機，擰緊結果數據通過擰緊系統在工控機顯示，并形成數據文件、故障代碼文件等，文件以“aezzc”命名，一個文件容量大小為100M，當文件滿100M時，自動生成下一個文件，文件名在后面加1，即“aezzc1”，再下一文件即“aezzc2”，以此類推，所有擰緊數據要求永久性保存。

5 電氣控制/擰緊數據管理系統技術要求

（1）設備帶有自動掃描槍，工件到位后對發動機號碼進行掃描，然后保存發動機號碼及其對應的擰緊結果，以便追溯管理（以Excel格式的報表保存，內容形式：日期+時間+發動機號碼+擰緊數據+判斷結果），保存文件的名稱遵循規定要求。

（2）設備帶有RFID數據串口及讀取設備，數據傳輸統一采用CC-LINK形式，配置RFID讀取頭、數據傳輸、數據存儲等硬件，設備出廠時該功能必須達到能實現使用RFID硬件完成發動機號碼信息自動讀取并與擰緊結果數據配套存儲到系統追溯管理數據庫中的要求。

（3）設備能監控所有信號狀態，發生報警時記錄故障類型，在人機界面能查詢最近10次報警記錄，在工控機中能查詢所有的歷史報警記錄，所有報警信息（報警時間、報警類型、異常信號、報警時長等）以Excel格式存儲在工控機中。

6 機型識別要求

（1）機型對比識別：舉升定位機構上設有機種檢測機構，采用4個接近開關的組合檢測各機種基準夾具凹凸位，以實現區分。

（2）防錯功能要求：根據零件外形差異，設置機型區分防錯功能。

7 單次循環動作

前工位上料并檢測托盤姿態→工件到位并檢測工件有無→氣缸舉升托盤脫離輥道→氣缸驅動插銷壓緊滑臺機構下降，定位基準夾具→機種識別（檢測基準夾具凹凸位并根據工件外形差異區分機種）→根據機型，自動切換擰緊軸的X、Y向間距→同時擰緊機構Z向伺服電機驅動擰緊機構下降到位→擰緊軸依次擰緊主軸承蓋螺栓→擰緊機構上升，自動切換擰緊軸的Y向間距→同時Z向擰緊機構再次下降到位→擰緊軸再次擰緊主軸承蓋螺栓→擰緊OK，擰緊機構上升，插銷壓緊滑臺機構上升，阻擋氣缸放行，工件進入下一工位；擰緊NG，自動報警，阻擋氣缸放行，工件進入返修工位進行返修→下一循環。

8 結語

放眼當前，主軸承蓋擰緊機正由半自動設備向全自動設備邁進，本文所述設備滿足小于35 s/臺的節拍要求，但要做到無螺栓無預擰且滿足節拍要求，就要設計十軸主軸承蓋螺栓擰緊機，并追加螺栓自動上料機，以實現對應多機種的全自動伺服變距柔性化生產，并做到全程無人操作。在生產批量大、多機種混線生產的背景下，全面實現生產的無人化、自動化、智能化、柔性化，符合工業4.0的發展要求，故而在一次性投資許可的情況下，采用主軸承蓋螺栓擰緊機正是大勢所趨。