基于柴油機機體生產線挺桿孔加工設備自動化改造項目研究

摘要：某柴油機廠機體線的生產設備，是上世紀九十年代，由公司自制研發的專機，其中鉆頂桿孔的工序是手動完成。為了提高生產效率，消除工作中的安全隱患，考慮對此工序，進行自動化改造。通過對設備齒輪齒條及手動插銷機構進行改造，優化氣缸驅動完成系列動作。電氣方面增加到位檢測感應開關，修改PLC程序，實現設備的自動執行。單機自動化完成后，工件輸送也同時得到了優化，提高生產效率，降低作業人員勞動負荷。因此，針對該設備的自動化改造，對企業的經濟效益具有非常重要的實用意義。

關鍵詞：自動化;鉆模桿結構;鏜模桿結構;PLC控制

1.研究背景

某柴油機廠機體線的生產設備，是上世紀九十年代，由公司自制研發的專機，其中鉆頂桿孔的工序是通過手動完成。這種鉆孔方式，每一個動作，都需要人手動操作，人工體力消耗大，生產效率低，并且具有極大的安全隱患。鉆頂桿孔的工序的定位方式是人工手動定位，生產時，由操作人員手動將機體搖進和搖出鏜模孔，通過齒輪齒條傳動來運輸柴油機體到加工位置，然后進行手動插銷定位。整個生產過程，動作繁瑣，對人工要求高，設備鉆孔時間不到半分鐘，而人工定位操作等輔助工序需要四五分鐘，生產效率極低，大大影響后續工序的生產效率。為了提升挺桿孔加工設備的勞動效率，降低勞動強度，提高生產效率，決定對該設備操控結構進行自動化改造。

2.研究內容

設備改造方向主要有以下幾個方面：①通過使用先進的機械、電氣、計算機等方面的技術，根據企業需求對設備原有的一些構件進行改裝或者新增機械電氣部件，提高設備自動化程度，降低人工需求;②通過對設備進行局部的更新、改造，提高設備生產效率和擴大設備的工藝性能;③將通用設備改造成企業定制化專用設備，滿足企業的定制化要求，提高設備性能和生產效率;④改進設備環保系統，改善勞動條件，實現清潔生產，提高設備安全可靠性;⑤改進設備結構系統，降低原材料及能源消耗，提升企業整體現代化水平和核心競爭力。

機體線的生產設備，是針對本柴油機加工的專用生產線，除了人工操作復雜，工作效率低，其他機械結構還能滿足當前柴油機加工的需要。因此，利用舊設備改造再創新，不僅投資少、時間短、見效快，還會比購置新設備能帶來更大的經濟效益。

本項目主要是重點就齒輪齒條機構傳動方式、鉆模桿結構及定位、鏜模桿結構、插銷定位等關鍵問題進了設計研究和改進，以便實現鉆模桿移動、插銷定位的自動控制，從而達到設備自動化改造的目的。主要研究內容如下：

（1）鉆模桿結構及定位的自動化設計

定位的目的是使工件在夾具中相對于機床、刀具占有確定的正確位置。定位元件的設計應該滿足以下要求：與工件相適應的精度;足夠的剛度，不允許受力后發生變形;要有耐磨性，以便在使用中保持精度。鉆孔過程中常用的定位元件有圓柱銷、錐銷和圓柱芯軸。本工序的加工過程中，定位采用的就是圓柱銷孔結構。

由于定位銷孔制造誤差的影響， 在實際的小批量制造過程中， 經常出現組裝偏斜現象， 嚴重影響了產品質量及生產進度。因此，考慮增加凸輪軸定位導向芯桿機構，凸輪軸的后端具有凸輪軸內孔，定位導向機構為導向芯桿，凸輪軸的另一端具有端面，沿該端面的周向均勻設有若干磁鐵座孔，端面的中心設有呈階梯形的銷孔;這種定位導向機構可保證凸輪軸的定位導向機構能快速，準確，可靠的定位，從而減少組裝偏斜現象。

（2）鏜模桿結構設計

當前鏜模桿為機械定位插銷結構，每次加工定位需要人工拔插插銷，人工操作誤差較大，工作效率也低，可以增加增加氣缸/傳感器等電氣元件，自動定位插銷，將原先手動方式變為氣動，實現PLC電氣控制的一鍵啟動功能。

（3）齒輪齒條機構傳動方式設計

由于機床結構限制，工件定位夾緊后需人工驅動齒輪齒條機構將凸輪軸定位芯桿穿入氣缸體及夾具模板導向孔并完成插銷動作，加工完成后執行拔銷、退桿工作，存在動作重復、勞動強度大的問題。可以在電氣方面增加到位檢測感應開關，修改PLC程序，實現設備的自動執行。

目前，用于生產的設備還是上世紀九十年代由該公司自制的專機，分為鉆孔、擴孔、孔口倒角、鉸孔4個工序。由于機體結構緊湊，機床在設計時采用了凸輪軸定位導向芯桿機構，能構穩定的保證挺桿孔的位置度。但是因結構限制，工件定位夾緊后需人工驅動齒輪齒條機構將凸輪軸定位芯桿穿入氣缸體及夾具模板導向孔并完成插銷動作，加工完成后執行拔銷、退桿工作，存在動作重復、勞動強度大的問題。

本項目通過對設備齒輪齒條及手動插銷機構進行改造，優化氣缸驅動完成系列動作。電氣方面增加到位檢測感應開關，修改PLC程序，實現設備的自動執行。單機自動化完成后，工件輸送也同時得到了優化，提高生產效率，降低作業人員勞動負荷。因此，針對該設備的自動化改造，對企業的經濟效益具有非常重要的實用意義。

3.本項目的創新點

本次項目的創新點有以下幾點：

（1）對原有設備的局部結構鉆鋌桿進行自動化改造，通過加入電氣元件，實現鉆模桿移動及位置的自動化控制，增加設備的自動化程度，提高生產效率。

（2）改進設備的鏜模桿結構，增加氣缸/傳感器等電氣元件，自動定位插銷，將原先手動方式變為氣動，實現PLC電氣控制的一鍵啟動功能，大幅度降低操作人員的勞動強度。由于不再需要手動操作工位，可將輥道進行連接，摒棄了原有設備的單梁吊車上料，提高了安全操作系數，簡化了操作流程，降低了循環工序節拍。

（3）優化設備的齒輪傳動方式，將傳統的機械傳統改為電氣傳動方式，到達生產的自動化，節省勞動力，提高生產精度及效率。

4.本項目的成果

老舊設備自動化改造完成后，預期生產效率提高了30%，作業人員勞動負荷率降低50%。并取得以下方面的成果：

（1）對鉆模桿結構及定位的自動化設計，減少組裝偏斜現象，提高鉆孔的質量。

（2）通過改進鏜模桿結構和齒輪齒條機構傳動方式設計，將手動拔插插銷定位結構，轉化為氣缸加電氣控制，實現了設備的自動執行，減少人工操作的危險性，提高勞動效率作業人員勞動負荷率降低50%。

整套設備完成后自動化水平較高，制造及其維護方便，可為企業每年生產成本15萬元以上，更有利于提高應用企業的管理水平和效益，社會效益和經濟效益顯著。具有良好的應用前景。

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作者簡介：董征蓮（1981.05-），女， 山東濰坊， 漢，碩士，講師，研究方向：機械制造與自動化

山東交通職業學院 山東 濰坊 261200