汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋智能化壓裝裝置的設(shè)計(jì)

劉 楠 ，陶學(xué)恒，王慧慧，王學(xué)俊，蘆金石，曾振華，劉德云

(1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034 ; 2.大連現(xiàn)代輔機(jī)開(kāi)發(fā)制造有限公司，遼寧 大連 116600)

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汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋智能化壓裝裝置的設(shè)計(jì)

劉 楠1，陶學(xué)恒1，王慧慧1，王學(xué)俊1，蘆金石1，曾振華2，劉德云2

(1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034 ; 2.大連現(xiàn)代輔機(jī)開(kāi)發(fā)制造有限公司，遼寧 大連 116600)

文章主要針對(duì)傳統(tǒng)壓裝機(jī)生產(chǎn)效率低，壓裝精度低等問(wèn)題，開(kāi)展了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋智能化壓裝裝置系統(tǒng)的研究。在缸蓋導(dǎo)管閥座智能化壓裝裝置設(shè)計(jì)的總體構(gòu)思下，完成了壓裝機(jī)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；利用現(xiàn)代傳感、數(shù)字控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓裝過(guò)程的智能化調(diào)節(jié)和控制要求；其壓裝機(jī)構(gòu)中的C型壓裝平衡裝置的引入，提高了壓裝的精度和產(chǎn)品的質(zhì)量。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)；缸蓋；平衡式壓裝機(jī)構(gòu)；導(dǎo)管閥座；智能控制；

0 引言

智能裝備是具有感知、分析、推理、決策和控制功能的制造裝備的統(tǒng)稱(chēng)，它是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能化技術(shù)在裝備產(chǎn)品上的集成和融合，體現(xiàn)了制造業(yè)的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求。傳統(tǒng)壓裝設(shè)備，一臺(tái)設(shè)備只能針對(duì)一種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行壓裝，無(wú)法進(jìn)行多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管和閥座的混線生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)效率，制約了企業(yè)的發(fā)展；且壓裝機(jī)精度無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量；使用的液壓裝置容易泄露，對(duì)環(huán)境造成惡劣影響。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋智能裝備及系統(tǒng)的研發(fā)，大大提升了壓裝裝備節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保水平，促進(jìn)了汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)智能化制造，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量穩(wěn)定性，從而保證了汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低排放，高效能，對(duì)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)，尤其發(fā)動(dòng)機(jī)輔助裝備制造業(yè)的技術(shù)升級(jí)具有典范作用[7]。

1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋智能化壓裝裝置總體構(gòu)架

圖1 壓裝機(jī)壓裝工位圖

缸蓋導(dǎo)管閥座壓裝機(jī)的總體組成有缸蓋輸送系統(tǒng)，缸蓋定位，壓裝系統(tǒng)，上料系統(tǒng)和閥座冷卻系統(tǒng)。整個(gè)壓裝裝置通過(guò)機(jī)動(dòng)輥道將缸蓋輸送到各個(gè)工位進(jìn)行壓裝；采用燃燒室面2定位銷(xiāo)對(duì)缸蓋進(jìn)行定位；采用一套C型壓裝機(jī)構(gòu)壓裝導(dǎo)管閥座；用彈道上料方式進(jìn)行全自動(dòng)上料；采用液氮對(duì)閥座進(jìn)行冷卻[5-6]。

壓裝機(jī)壓裝工位圖(如圖1)，其工位的描述如下：

ST01：通過(guò)動(dòng)力輥道實(shí)現(xiàn)對(duì)缸蓋的上料。所有定位銷(xiāo)返回，停止器下降，擺桿旋入卡住工件，帶著缸蓋向前移動(dòng)。

ST02：缸蓋進(jìn)到ST02工位，所有的定位銷(xiāo)抬起，停止器上升，上料處導(dǎo)軌下降，擺桿旋出，并向后移動(dòng)。將上部導(dǎo)管壓裝單元向下移動(dòng)接觸到缸蓋，抬起下部閥座壓裝單元將閥座裝入上料夾具中，打開(kāi)上料夾具，抬起C型夾具并壓裝閥座；導(dǎo)管壓頭解鎖，壓頭下降并壓裝導(dǎo)管，結(jié)束壓裝，壓頭解鎖。

ST03： 壓裝機(jī)缸蓋排氣門(mén)閥座和導(dǎo)管(排氣導(dǎo)管1 種，與進(jìn)氣導(dǎo)管相同，排氣閥座1 種)的壓裝，方法同上。

ST04 ：缸蓋向前移動(dòng)一個(gè)工位，同時(shí)將導(dǎo)管和閥座移動(dòng)到上料位置，擺桿將缸蓋移出工位，完成缸蓋下料(如圖2所示)。

壓裝機(jī)智能化控制的總體構(gòu)思：利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行識(shí)別，滿足柔性化生產(chǎn)；通過(guò)多傳感器的信系融合和數(shù)控技術(shù)，完成位置和速度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管和閥座孔的精確定位，保證恒定、安全的壓裝力控制，實(shí)現(xiàn)壓裝的高質(zhì)量性；可視化人機(jī)界面，隨時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓裝的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

圖2 壓裝機(jī)整體平面簡(jiǎn)圖

2 缸蓋導(dǎo)管閥座智能化壓裝機(jī)構(gòu)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 缸蓋導(dǎo)管閥座壓裝機(jī)壓裝機(jī)構(gòu)的組成及原理

壓裝機(jī)構(gòu)由電子伺服壓力機(jī)，氣液增壓抱死系統(tǒng)，導(dǎo)管壓臂，導(dǎo)向套，C型框架等組成，其機(jī)構(gòu)裝置簡(jiǎn)圖(如圖3)。

1.電子伺服壓力機(jī)2.氣液增壓抱死系統(tǒng)3.導(dǎo)管壓臂4.導(dǎo)向套5.缸蓋6.從下部壓裝閥座7.機(jī)械死擋8.C型框架9.豎直滑臺(tái)10.彈簧

圖3 壓裝機(jī)構(gòu)裝置簡(jiǎn)圖

C型平衡式壓裝機(jī)構(gòu)的主要組成機(jī)構(gòu)及其功能介紹如下：

(1)電子伺服壓力機(jī)：實(shí)現(xiàn)精確壓力和位移全閉環(huán)控制的高精度特性； 相比傳統(tǒng)氣動(dòng)、液壓壓力機(jī)，節(jié)能效果達(dá)80%以上，且更加環(huán)保、安全；壓裝力與位移全過(guò)程曲線圖可以顯示在液晶顯示觸摸屏上。

(2)氣液增壓：結(jié)合氣缸和油缸優(yōu)點(diǎn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)的，液壓油與壓縮空氣嚴(yán)格隔離，缸內(nèi)的活塞桿接觸工作件后自動(dòng)啟程，動(dòng)作速度快，且較氣壓傳動(dòng)穩(wěn)定，缸體裝置簡(jiǎn)單，出力調(diào)整容易，相同條件下可達(dá)到油壓機(jī)之高出力，能耗低。

(3)C型框架：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。它的整體框架式結(jié)構(gòu)由于將上、下橫梁與立柱直接鑄或焊為一個(gè)整體，取消了螺紋聯(lián)接，徹底避免了長(zhǎng)期載荷作用下螺母會(huì)松動(dòng)的缺陷，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)一般均選用較小的許用應(yīng)力以限制機(jī)身的變形，保證了機(jī)架具有較高的剛度。

(4)導(dǎo)向套：利用導(dǎo)向套對(duì)壓入零件的橫向自由度加以約束，使壓入零件的中心線與被壓入零件的中心線不發(fā)生傾斜，以起到對(duì)壓入零件的導(dǎo)向作用；將壓力垂直作用在被導(dǎo)向套限制其橫向自由度的壓入零件上，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓入零件的壓入裝配，有效的提高了壓入裝配過(guò)程中的產(chǎn)品合格率、保證了裝配質(zhì)量。

(5)滑臺(tái)和擋鐵：滑臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)重復(fù)往返運(yùn)動(dòng)；擋鐵用于防止機(jī)器動(dòng)作過(guò)位。

C型平衡式壓裝機(jī)構(gòu)裝置的工作原理是:

① 壓裝過(guò)程中控制系統(tǒng)給電缸發(fā)出命令，首先將上部導(dǎo)管壓裝單元向下移動(dòng)接觸到缸蓋，抬起下部閥座壓裝單元將閥座裝入上料夾具中，上料夾具自動(dòng)打開(kāi)，電缸抬起“C”型夾具并壓裝閥座；

② 控制系統(tǒng)判斷上述動(dòng)作完成，控制導(dǎo)管壓頭解鎖，壓頭下降并壓裝導(dǎo)管，結(jié)束壓裝；

③ 控制系統(tǒng)發(fā)出指令，缸蓋向前移動(dòng)一個(gè)工位，同時(shí)將導(dǎo)管送入上壓頭，依次重復(fù)以上工序完成其它氣門(mén)閥座和導(dǎo)管壓裝。工件在壓裝過(guò)程中由控制系統(tǒng)進(jìn)行壓裝位移和壓力的智能調(diào)節(jié)。

該壓裝機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)在于采用了平衡壓入法，就是將壓裝力轉(zhuǎn)化為作用于缸蓋上的內(nèi)力，避免了工件壓裝過(guò)程中被壓變形，能夠使閥座與缸蓋底孔達(dá)到完全貼合的程度。每個(gè)壓裝裝置都配置一套自動(dòng)平衡反力單元，能夠自動(dòng)平衡壓裝力。

2.2 壓裝過(guò)程的智能控制原理

整套壓裝動(dòng)作的控制系統(tǒng)，主要由PLC、伺服電動(dòng)缸、傳感器、機(jī)器視覺(jué)、光柵尺和觸摸屏等組成，控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

(1)PLC[8]:整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，在這里選用的是西門(mén)子 SIMATIC S7-300-CPU317-2DP PLC，方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，大大減少了對(duì)人機(jī)對(duì)話的編程要求；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件。

(2)伺服電動(dòng)機(jī)[10]：閉環(huán)伺服控制，控制精度達(dá)到0.01mm；精密控制推力，增加壓力傳感器，控制精度可達(dá)1%；很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動(dòng)控制。

(3)傳感器[2]：對(duì)力和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)以力——位移關(guān)系曲線呈現(xiàn)實(shí)際反饋值。

(4)機(jī)器視覺(jué)：機(jī)器視覺(jué)主要用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品把圖像抓取到，然后將該圖像傳送至處理單元，通過(guò)數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來(lái)進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

(5)光柵尺：檢測(cè)伺服電機(jī)所帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最終位置，并將檢測(cè)值送回伺服驅(qū)動(dòng)器，以便形成位置閉環(huán)控制，完成精確定位任務(wù)。

(6)觸摸屏：發(fā)出控制指令、設(shè)定目標(biāo)位置值、設(shè)置給定壓力、顯示實(shí)際位置、顯示實(shí)際壓力、切換控制方式(位置控制/壓力控制)等。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

該控制系統(tǒng)的智能控制原理是：

PLC進(jìn)行邏輯處理后向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出位置和壓力指令，其中位置指令包括導(dǎo)管孔位置、閥座孔位置、導(dǎo)管壓人位置和閥座壓入位置。伺服驅(qū)動(dòng)器接受PLC發(fā)出的位置指令及壓力指令后，控制伺服電機(jī)完成相應(yīng)的定位控制和壓力控制。隨著動(dòng)作的進(jìn)行，利用光柵尺檢測(cè)伺服電機(jī)所帶執(zhí)行結(jié)構(gòu)的最終位置，利用壓力傳感器檢測(cè)工件實(shí)際所受到的壓力，并將檢測(cè)值反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器和PLC，進(jìn)行位置和壓力的PID閉環(huán)運(yùn)算，最終完成精確的定位任務(wù)和恒定的壓力控制[3-4,9]。

2.3 壓裝過(guò)程的主要技術(shù)實(shí)施方法

該系統(tǒng)的壓裝過(guò)程所采用的技術(shù)方法主要有：

(1)傳感器技術(shù)：利用機(jī)器視覺(jué)傳感器對(duì)壓裝對(duì)象進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果反饋給中央控制系統(tǒng)后，自動(dòng)選擇匹配的壓裝程序完成生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋壓裝的混線生產(chǎn)。采用壓力傳感器，在對(duì)零部件進(jìn)行精密壓裝過(guò)程中，檢測(cè)工件實(shí)際所受到的力，并將檢測(cè)值送回PLC，由PLC進(jìn)行力的PID閉環(huán)運(yùn)算，并進(jìn)而控制伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒定的壓力控制[2，9]。

(2)西門(mén)子 SIMATIC S7-300-CPU317-2DP PLC： 其CPU 317-2 DP 是具有大容量程序存儲(chǔ)器。 PLC首先對(duì)伺服系統(tǒng)發(fā)出位置和壓力指令，通過(guò)多傳感器信息融合，完成位置、轉(zhuǎn)矩、速度三種模式的PID全閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而執(zhí)行精確的缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管孔和閥座孔定位任務(wù)，保證恒定、安全的壓裝力控制。

(3)LCD跟蹤顯示整個(gè)壓裝過(guò)程：人機(jī)界面可視化，隨時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，能分別進(jìn)入調(diào)整界面、運(yùn)行界面，并實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)工藝參數(shù)。在壓裝過(guò)程中實(shí)現(xiàn)壓裝參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋和存儲(chǔ)，使生產(chǎn)過(guò)程具有可追溯性。

3 缸蓋導(dǎo)管閥座壓裝機(jī)構(gòu)智能化的實(shí)現(xiàn)

智能控制的實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定各種工藝參數(shù)，如Part Type、Push Type等，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)變量和信息，實(shí)現(xiàn)了壓裝參數(shù)的存儲(chǔ)和壓裝質(zhì)量的智能化判斷，使其參數(shù)具有可追溯性，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。

圖5 人機(jī)界面

(2)采用現(xiàn)場(chǎng)總線使整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度達(dá)到1.5Mbps，伺服驅(qū)動(dòng)控制使系統(tǒng)重復(fù)定位精度達(dá)到0.02mm，為壓裝質(zhì)量的高精度、高效率的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

(3)壓力控制模式的實(shí)現(xiàn)，使壓裝質(zhì)量得以保證。將圖4中的位置/壓力選擇開(kāi)關(guān)連接到PLC上的壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出上，用壓力調(diào)節(jié)器的輸出作為電機(jī)的力矩限幅,以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)壓力控制；當(dāng)操作人員發(fā)出擠壓指令后，伺服電動(dòng)機(jī)首先以較快速度運(yùn)轉(zhuǎn)，使壓力機(jī)接近受壓工件；然后伺服電機(jī)以速度方式向前運(yùn)行(較低的速度設(shè)定值),當(dāng)碰上工件后,由于實(shí)際速度接近于零,而給定速度沒(méi)變,電機(jī)就會(huì)以設(shè)定的壓力擠壓工件；完成施壓定位后，快速回到初始零位。

(4)從PLC存儲(chǔ)區(qū)讀取力和位移值，通過(guò)時(shí)間檢索可以查看數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)工件力和位移值，利用Congfiguration Software的繪圖功能制作出力——位移曲線，可以知道任意位置的力，使得對(duì)壓裝工藝的判斷得以實(shí)現(xiàn)，也實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過(guò)程的監(jiān)控和追溯性，完成了壓裝機(jī)智能化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析、計(jì)算、呈現(xiàn)和存儲(chǔ)。

利用數(shù)控技術(shù)和現(xiàn)代化傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)施柔性化生產(chǎn)過(guò)程的控制，使得缸蓋導(dǎo)管閥座壓裝裝配過(guò)程實(shí)現(xiàn)PID全閉環(huán)調(diào)節(jié)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管孔與閥座孔的精確定位及壓裝力的恒定控制，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線導(dǎo)管與閥座高精度、高效率、高穩(wěn)定性和智能化的壓裝要求。見(jiàn)表1。

表1 加工精度對(duì)照表

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文在分析了缸蓋導(dǎo)管閥座智能化壓裝機(jī)構(gòu)裝置的壓裝原理的基礎(chǔ)上，完成了對(duì)其壓裝機(jī)構(gòu)裝置的設(shè)計(jì)；并運(yùn)用PLC和現(xiàn)代化傳感器技術(shù)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)其壓裝過(guò)程的智能化控制，以易于實(shí)現(xiàn)壓裝生產(chǎn)過(guò)程的柔性化，提高壓裝的精度和產(chǎn)品的質(zhì)量，并為此類(lèi)壓裝裝置的進(jìn)一步研發(fā)提供了技術(shù)支持。

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(編輯 李秀敏)

Design on Intelligent Pressing Device for Automotive Engine Cylinder Head

LIU Nan1,TAO Xue-heng1,WANG Hui-hui1,WANG Xue-jun1,LU Jin-shi1,ZENG Zhen-hua2,LIU De-yun2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Dalian Polytechnic University,Dalian Liaoning 116034,China; 2. Dalian Modern Auxiliary Machinery Manufacturing Co. Ltd.,Dalian Liaoning 116600,China)

For solving the problem of low production efficiency and low precision press-fit, the intelligent pressing device system of automotive engine cylinder head was discussed in this paper . Under the concept of intelligent pressing device designing for cylinder head catheter and valve seat, it has completed structural design on pressure mechanism device; according to the modern sensor, digital control technology etc., it realized the intelligent adjustment of pressing process and control requirements, and the precision press-fit and production quality are enhanced by C-type press-fit balancing device.

automotive engine; cylinder head;pressure balance mechanism; catheter and valve seat ; intelligent control;

1001-2265(2014)01-0139-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.039

2013-05-06；

2013-05-17

劉楠(1989—)，女，大連工業(yè)大學(xué)碩士研究生，從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論的研究，(E-mail)15942854360@163.com;通訊作者：陶學(xué)恒(1963—)，男，大連工業(yè)大學(xué)教授，博士，從事輕工機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)的研究。

TH162;TG65

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