發(fā)動(dòng)機(jī)活塞油環(huán)刮片自動(dòng)裝配機(jī)的研制

吳嘉明

(南京工程學(xué)院康尼機(jī)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，南京 211167)

0 引言

活塞是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件，工作時(shí)活塞由曲軸帶動(dòng)在氣缸孔內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，配以氣門(mén)相應(yīng)動(dòng)作完成進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣循環(huán)，使發(fā)動(dòng)機(jī)得以實(shí)現(xiàn)將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?；钊c氣缸孔之間并非直接而是靠活塞環(huán)接觸，通?；钊h(huán)由兩道氣環(huán)和三片式油環(huán)組成，其中氣環(huán)承擔(dān)與氣缸壁之間的密封，防止燃燒室漏氣而動(dòng)力不足，同時(shí)起到支撐與導(dǎo)熱作用，油環(huán)則阻隔潤(rùn)滑油竄入燃燒室，防止產(chǎn)生燒機(jī)油現(xiàn)象[1]。

活塞環(huán)的正確安裝是其功能正常發(fā)揮的保證，人工安裝刮片效率低，刮片撐開(kāi)后變形不可控且易刮傷活塞表面。已有一種自動(dòng)裝配裝置將一組刮片疊放套在變徑筒上由伺服驅(qū)動(dòng)撥叉步進(jìn)送料，這種方法一次只能裝一片，需經(jīng)兩個(gè)工位操作才能完成上下刮片安裝，而且刮片變形會(huì)明顯影響裝配合格率，因此需要開(kāi)發(fā)能同時(shí)安裝兩刮片的自動(dòng)裝配機(jī)來(lái)解決效率和質(zhì)量問(wèn)題[2-4]。

1 裝配要求分析

(1)裝配工序

1.活塞 2.刮片 3.隔環(huán) 4.刮片 5.氣環(huán) 6.氣環(huán)圖1 活塞環(huán)局部圖

活塞環(huán)裝配工序按順序包括油環(huán)隔環(huán)、上、下刮片、氣環(huán)1、2這5個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。油環(huán)采用3片組合式，中間一片起支撐作用的隔環(huán)已在活塞槽內(nèi)先行裝好，再上下各裝一片刮片。刮片是不銹鋼材質(zhì)帶缺口的圓環(huán)片，厚度0.4 mm、截面寬2 mm，裝配完成后刮片在槽內(nèi)可以自如平移，此時(shí)的刮片外徑大于缸孔直徑，后續(xù)再用工裝正常裝入缸孔，更換與活塞尺寸相關(guān)的零件可以復(fù)制出適應(yīng)不同規(guī)格活塞環(huán)的裝配機(jī)。

根據(jù)其阻隔潤(rùn)滑油的功能需要上下刮片缺口朝向呈180°方向[5]，在裝配過(guò)程中刮片缺口需周向定位；活塞放入方向也需用活塞頂部形狀周向定位，以保證刮片開(kāi)口與活塞的角度[6]。

(2)難點(diǎn)分析

活塞環(huán)氣環(huán)為耐磨鑄鐵材料，厚度1.2 mm左右，漲開(kāi)時(shí)不易產(chǎn)生扭曲，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配難度較小[7]；相比而言油環(huán)刮片厚度薄，漲開(kāi)后會(huì)產(chǎn)生彈性變形扭曲，使得刮片平面度由正常狀態(tài)的0.04 mm增大到0.4～0.5 mm，遠(yuǎn)大于油環(huán)槽0.05 mm的裝配間隙，刮片回彈時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確卡進(jìn)油環(huán)槽內(nèi)，裝配可靠性難以保證，因此控制刮片變形問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的關(guān)鍵所在，定位模塊的設(shè)置很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

(3)尺寸分析

分別從活塞軸向、徑向和周向3個(gè)方向分析：

圖2 油環(huán)尺寸精度

2)兩刮片由同一安裝模塊的漲爪撐開(kāi)，撐開(kāi)前刮片在送料最終位置應(yīng)上下一致保持同軸，在送料過(guò)程中動(dòng)作保持平穩(wěn)，不能有前后竄動(dòng)現(xiàn)象。

3)根據(jù)要求上下刮片缺口方向需相差180°，兩刮片需從相對(duì)方向同時(shí)送至安裝位置，在送料過(guò)程中保持姿態(tài)不變。

2 設(shè)備總體方案及模塊配置

(1)裝配條件

已裝好隔環(huán)的待裝活塞間隔放置在周轉(zhuǎn)工位上，由人工手動(dòng)裝料；刮片以500片為一個(gè)供貨單位整齊疊套在紙筒上，刮片缺口方向一致，方便人工快速放入帶刮片缺口定位長(zhǎng)鍵的左右料筒，可供連續(xù)裝配500件活塞之用。工作時(shí)刮片采用氣動(dòng)自動(dòng)送料，實(shí)現(xiàn)刮片環(huán)的自動(dòng)裝配。裝配機(jī)工作節(jié)拍7 s/件，每小時(shí)可裝514套活塞，供128套發(fā)動(dòng)機(jī)用，能滿(mǎn)足用戶(hù)生產(chǎn)綱領(lǐng)需求。

(2)工作循環(huán)

開(kāi)始時(shí)(從取走上個(gè)活塞起)刮片料筒上最下面刮片與送料工作面接觸并處于送料位，前后定位模塊由氣缸沿直線(xiàn)導(dǎo)軌推至工作位，左右送料氣缸將刮片從料筒推送進(jìn)定位模塊軌道，安裝模塊用氣缸升起，左右送料模塊退回原位，四點(diǎn)氣爪同時(shí)漲開(kāi)上下刮片讓出活塞位置，人工按要求方向放入活塞，安裝模塊氣爪回縮并下沉使刮片收縮滑進(jìn)油環(huán)槽內(nèi)，定位模塊后退，取出活塞進(jìn)入下一循環(huán)。所有動(dòng)作均由位置開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)，保證整套動(dòng)作準(zhǔn)確有序[9-10]。

(3)模塊配置

轉(zhuǎn)配機(jī)主要模塊如圖3所示。

1.工作臺(tái)底板 2.料筒 3.送料模塊 4.安裝模塊 5.定位模塊

1)料筒：上下刮片分左右料筒裝料，料筒形狀和刮片供貨用紙筒相仿，具備刮片缺口定向功能，保證刮片能快速疊放，根據(jù)刮片的形狀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的裝料料筒，使刮片能準(zhǔn)確順暢落至送料位置，并匹配送料模塊的精度要求。

2)送料模塊：送料模塊由左右推塊、直線(xiàn)導(dǎo)軌、送料氣缸等組成，經(jīng)過(guò)精密裝配后的左右推塊送料高度相差1.45±0.02，與其在活塞環(huán)槽內(nèi)的安裝高度嚴(yán)格一致；推送上刮片的左推塊托片厚度僅1 mm，采用了經(jīng)精密加工的高剛性特殊鋼材。

3)定位模塊：定位模塊由前后定位塊、導(dǎo)軌及驅(qū)動(dòng)氣缸組成，其功能是保證左右刮片送至裝料位置的同時(shí)兩側(cè)部位進(jìn)入到兩道與活塞油環(huán)槽高度等高的直槽內(nèi)，在裝進(jìn)活塞環(huán)槽前保證刮片始終處于其定位軌道里。

4)安裝模塊：安裝模塊由氣爪、升降氣缸、漲爪組成，氣爪安裝在升降氣缸上，氣爪的中心與送料和定位模塊的中心一致。當(dāng)刮片就位后升降氣缸、氣爪帶動(dòng)漲爪順序動(dòng)作漲開(kāi)刮片至活塞可以安放的尺寸(由定制限位圓環(huán)控制)，人工放入活塞，兩刮片即自動(dòng)收縮進(jìn)入活塞油環(huán)槽內(nèi)。

5)工作臺(tái)及控制部分：工作臺(tái)板是各模塊的安裝基準(zhǔn)，由鋁合金型材框架支撐，上部除操作面外由型材和有機(jī)玻璃板封閉，氣控系統(tǒng)包括閥島及磁性開(kāi)關(guān)采用FESTO產(chǎn)品，電氣控制采用西門(mén)子PLC及人機(jī)界面，可靠性好、易維護(hù)。

3 刮片移動(dòng)過(guò)程控制及變形控制

(1)刮片輸送高度控制

1.料筒 2.刮片 3.待送刮片 4.推塊圖4 刮片送料狀態(tài)

(2)刮片穩(wěn)定進(jìn)入定位槽

定位模塊前后定位塊的上下定位槽經(jīng)修配后高度嚴(yán)格一致并分別與左右推塊面等高，保證上下刮片兩側(cè)部位被推塊平滑送進(jìn)前后定位模塊槽內(nèi)如圖5所示。此時(shí)刮片被中間推塊、兩側(cè)定位槽托著，刮片實(shí)現(xiàn)軸向定位；刮片到位位置與安裝模塊漲爪同心，徑向定位；刮片缺口方向未變，周向定位。

1.前定位塊 2.上刮片 3.下刮片 4.漲爪 5.后定位塊

(3)刮片控制在定位槽內(nèi)

1.刮片 2.漲爪 3.定位槽 4.活塞 5.活塞定位面圖6 定位槽貼合活塞 狀態(tài)

定位模塊采用氣動(dòng)復(fù)位式單作用氣缸驅(qū)動(dòng)，由于彈簧力的作用在氣爪漲開(kāi)、收縮過(guò)程中前后定位模塊隨動(dòng)進(jìn)退始終與漲爪接觸，刮片始終在定位槽內(nèi)，漲爪漲開(kāi)行程根據(jù)所放活塞外徑大小用圓環(huán)限位，定位槽端面設(shè)計(jì)成與活塞外圓吻合的圓弧形狀，并讓出漲爪張開(kāi)位置空間，控制定位槽與活塞間0.2mm的安裝距離，如圖6所示。

(4)刮片變形控制

1.上定位槽 2.下定位槽 3.下刮片 4.上刮片 5.上活塞槽 6.隔環(huán) 7.下活塞槽圖7 刮片卡進(jìn)油 環(huán)槽狀態(tài)

若使刮片能裝入活塞槽內(nèi)，刮片需徑向擴(kuò)張3.5 mm，漲開(kāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯扭曲變形，定位槽的應(yīng)用消除了刮片變形，使刮片始終被約束在0.45 mm高度空間內(nèi)，在定位槽和活塞油環(huán)槽之間構(gòu)成一個(gè)一體的移動(dòng)導(dǎo)軌空間，待漲爪自動(dòng)收縮下沉?xí)r，刮片能順暢縮進(jìn)活塞槽內(nèi)，如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

油環(huán)刮片自動(dòng)裝配機(jī)是活塞裝配工段中的一個(gè)工位，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了各模塊間在動(dòng)作空間和時(shí)間上的配合與銜接。實(shí)際應(yīng)用中裝配合格率高，效率高，節(jié)拍達(dá)到7 s/件，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作性能可靠、操作方便，較好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，為同類(lèi)型設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒作用。