基于智能制造的汽車等速傳動軸裝配技術研究

岑灝

上海納鐵福傳動系統有限公司 上海市 201315

1 引言

智能制造是利用技術知識系統、生產制造系統工程以及機器人控制系統的集成，來對生產工人們的操作技術能力和研究專家的知識進行建模，從而使智能機器能夠獨立自主實現柔性生產的目的。近年來，在國家政策的大力支持下，我國智能制造裝備產業規模不斷增加。《中國制造2025》明確提出以智能制造為主攻方向，實現制造業轉型升級。汽車行業是國民經濟的支柱型產業，“智能制造”在汽車領域的實現對國家大力發展智能制造具有標志性的意義。

2 等速傳動軸智能裝配技術現狀分析

等速傳動軸是汽車驅動的重要底盤零部件，用于連接輪轂及變速箱，其功能是在一定角度的條件下在動力源和被驅動件之間傳遞動力。雖然“智能制造”技術已在全球范圍內蓬勃發展，但是目前國內外尚無基于等速傳動軸裝配的智能制造技術研究先例。

本研究采用了寬帶德爾菲技術，對20 位國內外等速傳動軸裝配專家進行了信息調研。結果表明，目前等速傳動軸裝配技術絕大部分還是基于人工手工裝配階段，只有少量的自動化裝配先例。目前等速傳動軸的裝配線節拍普遍在35s 至60s 之間，一條裝配線的人員配額在4 人至7 人之間。

等速傳動軸裝配的核心工藝包括：護套夾箍裝配、三銷節壓裝、固定節壓入、固定節注油脂、移動節裝配、移動節注油脂、收緊整體式夾箍、綜合檢驗。通過對20 位國內外等速傳動軸裝配專家進行相關調研，結果表明：目前護套夾箍裝配、固定節壓入、固定節注油脂、移動節裝配、移動節注油脂、收緊整體式夾箍、綜合檢驗等裝配工序已有了少量智能制造的經驗。而三銷節壓裝工序目前在國內外都還沒有成功的先例（見表1）。

表1 等速傳動軸裝配智能制造技術分析表

因此，開發三銷節壓裝智能裝配技術是實現等速傳動軸總成智能裝配能力的關鍵技術。

3 三銷節壓裝裝配難點分析

為了實現對三銷節壓入過程的智能裝配，本研究使用了流程圖法對三銷節的壓入過程進行了分解及分析。經過分析，三銷節的壓入過程共分為：三銷節自動上料、實軸自動上料、卡簧自動上料、三銷節自動對花鍵及壓入、卡簧自動壓入及檢測、分總成下料6個步驟（見圖1）。其中，三銷節自動上料、實軸自動上料、卡簧自動上料、分總成下料功能已具備了智能裝配的經驗。三銷節自動對花鍵及卡簧自動壓入檢測技術目前尚無成功的先例。因此，實現對這兩項技術的開發，將有助于實現等速傳動軸的智能裝配。

圖1 三銷節壓裝過程分析圖

4 三銷節自動壓入技術研究

目前的汽車等速傳動軸的裝配過程中，移動節的三銷節壓入實軸采用的是手動對花鍵后對三銷節進行壓入的裝配過程。手工裝配的方式裝配節拍較慢且裝配過程不穩定，不利于精益生產管理，同時也無法滿足智能制造的基本要求。因此，探索一種新的自動裝配技術來取代手工裝配就成為了提高等速傳動軸裝配效率實現智能裝配的關鍵因素之一。

4.1 三銷節壓入過程分析

本研究首先對手動三銷節的壓入過程進行分析。在此基礎上開發了對三銷節自動壓入過程的實現軌跡：

首先，三銷節通過上料料道進行輸送；其次，三銷節通過推送裝置推送到壓入位置；再次，三銷節在電缸的推動下進行下壓同時實軸轉動完成對花鍵；最后，三銷節繼續下壓完成三銷節壓入裝過程。（見圖2）

圖2 三銷節壓入過程分析圖

4.2 三銷節壓入機械結構設計及壓入原理分析

基于3.1 對三銷節自動壓入實現的過程分析，為了實現三銷節的自動壓入，對三銷節及實軸進行有效的定位是實現此裝配過程的關鍵因素。

在本研究中，在進行自動裝配三銷節時，三銷節上卡爪進行夾持的同時在電缸的推動下將三銷節進行下壓。上卡爪依據三銷軸的外圓結構進行設計，保證在壓入過程中，三銷節無周向轉動（如圖3）。

圖3 三銷節壓入上卡爪結構圖

為了實現三銷節內花鍵與實軸外花鍵的匹配及壓入，本研究采用三銷節固定實軸旋轉的方式實現三銷節壓入實軸的過程。

本研究中，為了對等速傳動軸實軸進行固定，采用中間抱緊機構對實軸進行定位。同時采用下卡爪的結構形式夾持住等速傳動軸的實軸的花鍵部，并在齒輪齒條的帶動下進行旋轉匹配內外花鍵（見圖4），當內外花鍵匹配成功時則在上卡爪氣缸壓力的推動下將三銷節壓裝在實軸外花鍵處，進而完成自動對花鍵裝配，實現三銷節對實軸的自動壓入。

圖4 對花鍵機構圖

由于壓裝精度的要求，實軸的定位定心對壓裝質量具有重要的作用。基于實軸放置到位后的定位要求，本研究開發了一套實軸壓裝組件機構（見圖5），該機構通過實軸頂針下壓壓緊實軸。組件中的球頭鎖緊銷拔出可以快速更換頂針和壓頭，滿足快速換型要求。同時，由于部分實軸尺寸較長，壓緊過程中可能會由于剛性問題導致實軸彎曲。本研究開發了一套夾爪定心機構（見圖6），防止實軸軸向彎曲變形。該機構通過平行氣爪抓緊實軸，有效防止了實軸彎曲。

圖5 壓裝組件結構圖

圖6 夾爪定心機構結構圖

4.3 三銷節壓入過程量化分析

基于三銷節壓入的工藝參數要求，需要對整個壓入過程進行數據量化分析，以達到壓裝結果的判斷以及數據的存儲和追溯。通過伺服電缸及其相關集成軟件對數據進行采集擬合，得到如下圖7 力-位移曲線。

圖7 壓入力-位移曲線圖

圖中包含壓入力判定以及保壓力判定，判定框即為壓入過程，也是研究整個三銷節自動壓入的關鍵點，曲線上必須有任意一點在判定框內，并且在壓入過程中任意一點不得超過判定框上限。當壓裝到位時，由于工裝夾具和實軸端面貼合，伺服位置不再發生改變，此時力會陡然增加，已經不包含花鍵配合力。結合擬合曲線可以分析得到各種不同質量缺陷原因。

壓入力判定框寬度w 和取值則結合圖8三銷節壓入示意圖計算可得。

圖8 三銷節壓入示意圖

其中，TT 為三銷節厚度、ST 為花鍵有效長度、N 為工裝夾具端面距實軸端面距離、T 為槽至實軸端面距離、h 為卡簧厚度、G 為壓裝完卡簧和槽之間間隙。

其中α1、α2、β1、β2……各尺寸公差，由公式（1）、（2）變形可得公式（3）、（4）：

最后可得判定框寬度w 的取值范圍為：

5 卡簧自動壓入檢測技術研究

目前汽車等速傳動軸總成裝配過程中三銷節端的卡簧裝配是通過手動預壓卡簧以及壓入過程中工裝夾具的外套和內套之間的位移變化、觸發光纖來達到檢測卡簧漏裝效果。這種方法人力負擔重、無法滿足智能制造的要求。為實現等速傳動軸智能裝配的能力。本研究旨在開發一套全新的適合智能裝配卡簧自動裝配及檢測技術。

5.1 卡簧自動壓裝檢測工作流程分析

基于卡簧手動壓裝檢測技術的經驗，對于卡簧自動壓裝及檢測本研究制定的流程為：實軸三銷節組件自動上下料、卡簧自動上下料、卡簧自動壓入、卡簧自動檢測、分總成下料（見圖9）。其中卡簧自動壓入及自動檢測是此過程的關鍵技術，開發一套整合自動壓裝及自動檢測技術為一體的機構是實現智能裝配的關鍵。

圖9 卡簧自動壓入檢測流程圖

5.2 卡簧自動壓裝檢測機構結構分析

基于4.1 節，本研究開發了一套卡簧自動壓裝檢測機構（見圖10），這套機構核心子機構包括：卡簧引導體上料定位機構、卡簧壓裝機構以及卡簧防錯檢測機構。

圖10 卡簧自動檢測機構結構圖

卡簧引導體上料定位機構（見圖11）主要是由卡簧引導體、卡簧引導體頂壓部分以及卡簧引導體夾緊部分構成，主要作用是頂壓卡簧引導體并夾緊，起中轉作用，將送來的帶卡簧的卡簧引導體移載到待壓裝軸上。

圖11 卡簧引導體上料定位機構結構圖

卡簧壓裝機構（見圖12）主要是由無極伸縮夾爪部分以及升降部分構成；其作用是將卡簧引導體上的卡簧壓裝到軸的卡簧槽內。

圖12 卡簧壓裝機構結構圖

卡簧防錯檢測機構（見圖13）主要是由位移尺，氣缸升降部分以及工裝部分構成。其作用是通過位移尺上位移變化檢測卡簧有無漏裝。

圖13 卡簧防錯檢測結構圖

基于上述結構研究，卡簧引導體上料定位機構先將卡簧引導體夾緊，移載到正確工位處，后續卡簧壓裝工位動作，將卡簧壓裝到正確位置，壓裝成功后，進行位移檢測，檢測卡簧漏裝和不到位。該機構有效實現了卡簧壓裝及檢測的智能裝配。

6 研究效果分析

通過上述在手動裝配線基礎上，對三銷節壓裝（含卡簧壓裝）的智能裝配技術的研究和開發。在等速傳動軸上首次實現了標準裝配線的全自動的裝配能力。

相比國內外以往的等速傳動軸裝配數據。新的全自動的智能化裝配線的節拍可達到31s，優于目前35s 的標準裝配線的節拍；同時操作的人數較標準裝配線的4-7 人，降到2 人。

7 結論與展望

等速傳動軸是汽車重要零部件，基于智能制造的裝配技術的實現對企業智能制造的實現具有重要意義。本研究僅對等速傳動軸智能裝配線的三銷節自動壓裝技術進行了研究，對等速傳動軸裝配線的布局，產能平衡還需進行進一步的研究。