發(fā)動機(jī)活塞環(huán)自動化裝配設(shè)備的研制

李明記，朱英輝，劉玉啟，安 靜

(濱州渤?；钊邢薰?研發(fā)部，山東 濱州 256602)

0 引言

目前發(fā)動機(jī)用活塞的密封還是靠活塞環(huán)來實(shí)現(xiàn)[1]，其中活塞環(huán)由油環(huán)、一道氣環(huán)和二道氣環(huán)組成?；钊h(huán)內(nèi)徑要小于活塞外徑，這樣在活塞環(huán)裝入活塞環(huán)槽時(shí)就需要將活塞環(huán)內(nèi)徑撐大，從而保證活塞頭部能夠進(jìn)入活塞環(huán)內(nèi)并且不能劃傷活塞外圓，同時(shí)活塞環(huán)內(nèi)徑撐大范圍應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，并且要求高的裝配質(zhì)量。當(dāng)前活塞環(huán)的裝配以手動裝配和半自動裝配為主[2]；部分全自動活塞環(huán)裝配設(shè)備由于其柔性差，不能適應(yīng)多品種活塞環(huán)裝配，因此沒有得到廣泛使用。手動裝配和半自動裝配生產(chǎn)效率低，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，因此滿足不了發(fā)動機(jī)節(jié)能降耗的需求。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和無人化工廠需要，適應(yīng)多品種的全自動化活塞環(huán)裝配設(shè)備的研發(fā)勢在必行，鑒于此，研發(fā)了一種高柔性汽油機(jī)全自動活塞環(huán)裝配設(shè)備，其解決了全自動活塞環(huán)裝配設(shè)備適應(yīng)多品種活塞環(huán)裝配的難題。

1 設(shè)備構(gòu)造

該設(shè)備采用彈入式活塞環(huán)裝配方式。其整體分為3大部分，上料部分、活塞環(huán)裝配部分和下料部分；其中上料部分由上料垛機(jī)和上料料道組成；活塞環(huán)裝配部分由組合式油環(huán)3個(gè)裝配工位(襯環(huán)、上刮片和下刮片)、氣環(huán)兩個(gè)工位、氣環(huán)裝配狀態(tài)檢測兩個(gè)工位和活塞環(huán)全檢測工位，共計(jì)8個(gè)工位；下料部分由進(jìn)給料道和分組料道組成，如圖1所示。其允許活塞裝配范圍為φ60 mm～φ100mm。

圖1 設(shè)備整體布局圖

該設(shè)備裝環(huán)部分有8個(gè)裝配及檢測工位[3]，3個(gè)上下料工位，共有9個(gè)周轉(zhuǎn)機(jī)械手進(jìn)行工位間物料周轉(zhuǎn)，其中，機(jī)械手1負(fù)責(zé)“上料工位與襯環(huán)裝配工位”周轉(zhuǎn)，機(jī)械手9負(fù)責(zé)“所有環(huán)檢測工位與合格品下料”和“所有環(huán)檢測工位與不良品下料工位”周轉(zhuǎn)，機(jī)械手運(yùn)行均采用氣缸驅(qū)動，其周轉(zhuǎn)機(jī)械手布局圖如圖2所示。

圖2 周轉(zhuǎn)機(jī)械手布局圖

襯環(huán)工位部分的裝配機(jī)構(gòu)[4]如圖3所示，它由活塞環(huán)儲料料倉、自動分離襯環(huán)的凸輪機(jī)構(gòu)、活塞環(huán)推料機(jī)構(gòu)、由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化而來的四爪撐環(huán)機(jī)構(gòu)和襯環(huán)開口分離機(jī)構(gòu)等組成，此工位能夠?qū)崿F(xiàn)鋼帶式活塞環(huán)的自動分環(huán)、推環(huán)、撐環(huán)和防止環(huán)開口搭接等功能。

圖3 襯環(huán)工位裝配機(jī)構(gòu)圖

刮片環(huán)工位[5-6](上、下刮片)部分裝配機(jī)構(gòu)如圖4所示，它由活塞環(huán)儲料料倉、活塞環(huán)推料機(jī)構(gòu)和四爪撐環(huán)機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)相對襯環(huán)工位要簡單些，其分環(huán)功能是靠料倉底面與推板間的間隙來實(shí)現(xiàn)的，此機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)儲料、推環(huán)和撐環(huán)的功能。

圖4 刮片環(huán)工位裝配機(jī)構(gòu)圖

氣環(huán)工位[5-6](一道氣環(huán)、二道氣環(huán))部分裝配機(jī)構(gòu)如圖5所示，它由活塞環(huán)儲料料倉、活塞環(huán)推料機(jī)構(gòu)和兩爪撐環(huán)機(jī)構(gòu)等組成[7]，其機(jī)構(gòu)中的撐環(huán)機(jī)構(gòu)為兩爪式，主要是根據(jù)氣環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，氣環(huán)開口要比油環(huán)部分的上下刮片開口寬很多，氣環(huán)的環(huán)厚度在1mm以上，同時(shí)氣環(huán)的強(qiáng)度和剛性都較刮片環(huán)要大很多。兩爪機(jī)構(gòu)撐環(huán)在受力和布局方面都要優(yōu)于四爪機(jī)構(gòu)，所以在氣環(huán)工位撐環(huán)部分優(yōu)先選用兩爪機(jī)構(gòu)。

圖5 氣環(huán)工位裝配機(jī)構(gòu)圖

活塞壓盤機(jī)構(gòu)是當(dāng)預(yù)安裝活塞環(huán)處于撐開機(jī)構(gòu)中等候安裝時(shí)，活塞壓盤機(jī)構(gòu)通過氣缸帶動導(dǎo)向桿，利用壓盤將活塞壓緊到安裝位置，使活塞環(huán)槽與活塞環(huán)對正，然后將活塞環(huán)裝入對應(yīng)的活塞環(huán)槽中，其上下運(yùn)動和擺動是依靠導(dǎo)向桿的凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的?；钊麎罕P機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 活塞壓盤機(jī)構(gòu)圖

氣環(huán)檢測工位是在氣環(huán)安裝到位后，經(jīng)過環(huán)推出氣缸將安裝好的活塞環(huán)推出至檢測窗口，通過視覺檢測相機(jī)進(jìn)行檢測，判斷活塞環(huán)安裝是否漏裝，安裝方向是否正常等，其機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7 氣環(huán)檢測工位機(jī)構(gòu)圖

全檢測工位[8]是在所有活塞環(huán)安裝完畢后，通過機(jī)械手將活塞放置在全檢測工位上，伺服電機(jī)帶動活塞旋轉(zhuǎn)一周，通過視覺檢測相機(jī)對活塞環(huán)的一周進(jìn)行檢測，檢測是否存在重疊、斷裂、錯(cuò)裝等情況，其機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖8 全檢測工位機(jī)構(gòu)圖

2 設(shè)備工作原理

全自動活塞環(huán)裝配設(shè)備采用步進(jìn)式方式，垛機(jī)負(fù)責(zé)活塞的上料工作；機(jī)械手負(fù)責(zé)活塞在各工位間的周轉(zhuǎn)工作，每一個(gè)機(jī)械手負(fù)責(zé)相鄰兩個(gè)工位的取活塞和放活塞兩種動作；最終活塞環(huán)裝配狀態(tài)由分組料道負(fù)責(zé)分組。此設(shè)備的工作原理及工作過程如圖9所示。

全自動活塞環(huán)裝配設(shè)備各工位的料倉采用內(nèi)徑定位和開口導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可以保證活塞環(huán)在下料的過程中不至于開口疊加導(dǎo)致推環(huán)機(jī)構(gòu)無法將活塞環(huán)推到位的情況。油環(huán)的內(nèi)撐機(jī)構(gòu)采用的是四桿機(jī)構(gòu)中曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化形式，其末端是用四爪來內(nèi)撐活塞環(huán)。氣環(huán)(一道氣環(huán)和二道氣環(huán))部分采用的是杠桿機(jī)構(gòu)形式，其末端是利用兩爪來撐活塞環(huán)的開口?；钊h(huán)檢測工位采用的是高可靠性和穩(wěn)定性的視覺檢測系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)是采用的西門子PLC。

圖9 全自動活塞環(huán)裝配設(shè)備工作原理圖

3 控制系統(tǒng)

全自動活塞環(huán)裝配設(shè)備的控制系統(tǒng)包括兩部分，活塞環(huán)裝配部分控制系統(tǒng)和垛機(jī)部分控制系統(tǒng)，其各構(gòu)成部分之間的信息傳輸方式如圖10所示。

圖10 各構(gòu)成部分間信息傳輸方式圖

活塞環(huán)裝配部分的裝配模式包括，手動模式、半自動模式、自動模式3種，這樣可以適合于不同用戶的需求。電氣控制部分采用的是SIEMENS S7_300PLC，采用觸摸屏人機(jī)交互界面，活塞環(huán)裝配部分操作界面如圖11所示。

圖11 活塞環(huán)裝配部分操作界面圖

活塞環(huán)裝配部分的動力主要由氣缸來提供，而氣缸的運(yùn)動方向由雙電控電磁閥來控制，其中以油環(huán)襯環(huán)工位為例，其四爪氣缸、撐環(huán)氣缸和壓緊氣缸采用雙作用氣缸來實(shí)現(xiàn)；導(dǎo)引上升氣缸和固定打開氣缸采用單作用氣缸來實(shí)現(xiàn)；除導(dǎo)引上升氣缸采用進(jìn)氣和排氣雙節(jié)流外，其余氣缸都是排氣節(jié)流。其氣動原理圖如圖12所示。

圖12 油環(huán)襯環(huán)工位氣動原理圖

整個(gè)設(shè)備在工作過程中，氣缸的工作狀態(tài)由磁性開關(guān)和接近開關(guān)的反饋信號來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且將反饋信號傳送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)信號狀態(tài)來控制氣缸動作或發(fā)出故障信號報(bào)警信息等。

對于整個(gè)設(shè)備的控制部分來說，機(jī)械手部分的控制相對較復(fù)雜些，它即需要9個(gè)機(jī)械手之間相互協(xié)調(diào)又需要相鄰機(jī)械手與對應(yīng)裝配工位之間相互協(xié)調(diào)，其中機(jī)械手1的自動狀態(tài)監(jiān)控人機(jī)交互界面如圖13所示。

圖13 機(jī)手1自動狀態(tài)監(jiān)控圖

在整個(gè)設(shè)備中上料垛機(jī)[9]部分執(zhí)行單獨(dú)的控制系統(tǒng)[10]，其控制系統(tǒng)采用西門子PLC控制，其中上料垛機(jī)系統(tǒng)操作界面如圖14所示。

圖14 上料垛機(jī)系統(tǒng)控制界面圖

4 視覺檢測系統(tǒng)

該設(shè)備采用了高檢測精度和高可靠性的視覺檢測系統(tǒng)[11]對活塞環(huán)的裝配狀態(tài)進(jìn)行檢測。其中活塞環(huán)的有無和是否斷裂是活塞環(huán)檢測技術(shù)要求的重點(diǎn)，也是所有環(huán)檢查的難點(diǎn)，因?yàn)樵谖宓拉h(huán)(如圖15所示)中有4種環(huán)是不一樣的，不具備統(tǒng)一的特征，在檢測的時(shí)候很難有一致的思路去解決各種環(huán)的各種需求。所以最后全檢測工位所使用的相機(jī)是不同于前兩道氣環(huán)檢測相機(jī)的，前兩道氣環(huán)檢測相機(jī)為面掃描相機(jī)，而最后全檢測工位所使用相機(jī)為線掃描相機(jī)。線掃描相機(jī)為CCD感光芯片上的點(diǎn)陣呈線狀分布的相機(jī)，其所成圖像為一維“線”圖像，也就是說線掃描相機(jī)一次拍出的圖像只是一條線，為了得到整個(gè)二維圖像，通常需要移動被測物體(本設(shè)備所采用的形式)或相機(jī)本身，同時(shí)不間斷拍照，與面掃描相機(jī)一次成像相比，線掃描相機(jī)需要多次成象后，將所成的“線”像拼成一幅完整的圖像。視覺檢測控制界面如圖16所示。

圖15 五道環(huán)環(huán)槽分布圖

圖16 視覺檢測控制界面圖

5 結(jié)論

該汽油機(jī)全自動活塞環(huán)裝配設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)不同外徑的活塞環(huán)裝配任務(wù)，在更換活塞產(chǎn)品時(shí)只需要更換部分工裝件就可以，其結(jié)構(gòu)相對緊湊，操作方便，自動化程度高，裝配節(jié)拍快，進(jìn)而降低了活塞環(huán)裝配成本，大幅度減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度，在裝配質(zhì)量和效率上有了大幅度提高，因而受到用戶的歡迎。