汽車壓縮機(jī)端蓋半自動(dòng)裝配裝備模塊化設(shè)計(jì)

徐 飛,胡學(xué)敏

(鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

隨著我國(guó)現(xiàn)代化水平的不斷提高，各行各業(yè)對(duì)質(zhì)量、效率、成本等提出了越來(lái)越高的要求[1]。在汽車行業(yè)，為了適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，各部品廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)都在持續(xù)地進(jìn)行自動(dòng)化改造，以減少人工成本、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[2-5]。在實(shí)際操作環(huán)節(jié)，不同工藝、不同工位的設(shè)備經(jīng)常采用模塊化的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行單獨(dú)的非標(biāo)定制設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)效率、降低改造成本。非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備模塊化流程如圖1所示。

根據(jù)圖1的非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備模塊化流程，以汽車壓縮機(jī)端蓋半自動(dòng)裝配機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)定位夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配運(yùn)動(dòng)布局設(shè)計(jì)以及邏輯控制設(shè)計(jì)，對(duì)非標(biāo)定制裝備的設(shè)計(jì)流程與主要技術(shù)控制點(diǎn)進(jìn)行闡述，并進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

圖1 非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備模塊化流程Fig.1 Modular process of non-standard automation equipment

1 定位夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定位夾具設(shè)計(jì)主要包括尺寸貼合面設(shè)計(jì)、定位要素重構(gòu)設(shè)計(jì)、夾緊方案三部分[5]。汽車壓縮機(jī)端蓋三維圖如圖2所示。從圖2可以看出，盡管該端蓋底部比較復(fù)雜，但其裙部區(qū)域有良好的平面因素，因此可以弱化其底部定位元素，使用平面區(qū)域作為定位面，限制其軸向移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)；同時(shí)將定位面上的兩個(gè)定位孔設(shè)置成定位銷，限制其平面移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，從而很好地完成定位。

考慮到定位平面與底部工作臺(tái)平面間需要有空隙，將夾具設(shè)計(jì)為兩層平臺(tái)，兩層平臺(tái)之間的空檔可以放置端蓋底部，并預(yù)留出底部的空間，保證工件與下方移動(dòng)組件間無(wú)干涉；根據(jù)工件實(shí)際尺寸，完成兩層夾具設(shè)計(jì)，如圖3所示；將設(shè)計(jì)好的夾具與壓縮機(jī)端蓋進(jìn)行虛擬裝配，如圖4所示。

2 裝配運(yùn)動(dòng)布局設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求制定完整的運(yùn)動(dòng)流程，如圖5所示。整體裝配動(dòng)作包括：上件區(qū)裝件，夾具導(dǎo)軌移動(dòng)至裝配區(qū)域，定位組件進(jìn)行定位，壓件組件下壓后返回，裝配定位復(fù)位，夾具返回上件區(qū)，裝件完畢后送入裝配區(qū)進(jìn)行二次裝配。需要指出的是，兩次裝配雖然都是在端蓋孔中裝配兩個(gè)精細(xì)元件，但裝配過(guò)程中的壓入距離和壓力均不同。

圖2 汽車壓縮機(jī)端蓋三維圖Fig.2 3D graph of automobile compressor end cover

圖3 兩層夾具設(shè)計(jì)(單位：mm)Fig.3 Two layer fixture design

考慮到自動(dòng)化裝配的生產(chǎn)節(jié)拍與成本，裝配采用的氣缸和彈簧頂針組件將會(huì)占據(jù)正上方工作空間，因此實(shí)際操作中經(jīng)常采用圖6所示的換位上件裝配方式，即放件位置與工作位置不在同一位置，這樣既會(huì)帶來(lái)額外的可用空間，又增加了操作安全性。另外，二次裝配時(shí)由于其下壓深度和力度都與首次裝配不同，因此二次裝配時(shí)需對(duì)圖6所示的裝配方案的上方平臺(tái)組件增加相應(yīng)的切換模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)切換動(dòng)作方案與結(jié)構(gòu)也需進(jìn)一步調(diào)整。

圖4 汽車端蓋與夾具虛擬裝配圖Fig.4 Virtual assembly drawing of automobile end cover and fixture

圖5 完整的裝配運(yùn)動(dòng)流程Fig.5 Complete assembly movement process

圖6 換位上件裝配方案Fig.6 Assembly scheme of transposition upper parts

3 邏輯控制與參數(shù)檢測(cè)

邏輯控制與參數(shù)檢測(cè)模塊主要用于實(shí)現(xiàn)定位和運(yùn)動(dòng)布局模塊的自動(dòng)化控制，通常采用可編輯邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)方式實(shí)現(xiàn)，其硬件電源模塊如圖7所示，控制接口及I/O口分布如圖8所示。

圖7硬件電路設(shè)計(jì)采用單一線路單一響應(yīng)原則，以方便故障檢測(cè)。圖中每一個(gè)開關(guān)對(duì)應(yīng)一個(gè)位置信號(hào)開關(guān)，然后經(jīng)繼電器觸點(diǎn)輸入PLC；安全設(shè)計(jì)方面，除了在機(jī)械上的結(jié)構(gòu)保護(hù)，在電路上必須具備防觸電設(shè)計(jì)，即在總電路與分電路上都設(shè)置電源保護(hù)。

4 制作調(diào)試

在完成設(shè)計(jì)端工作后制作最終設(shè)備,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，其動(dòng)作、壓力及行程指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求和現(xiàn)場(chǎng)使用要求。同時(shí)在效率提升方面，由于增加下壓速度與回位速度，將回位時(shí)間控制在0.5 s，工位時(shí)間縮減在20 s，端蓋達(dá)到180 單元/h，甚至更多，相對(duì)于人工放件，效率提升5倍；在自動(dòng)檢測(cè)方面，由于配備自動(dòng)壓力檢測(cè)與激光位置檢測(cè)，在裝配效果與質(zhì)量保障方面都有較大提高，相對(duì)于人工操作，自動(dòng)裝配具有更高的質(zhì)量穩(wěn)定性；在安全性方面，由于采用了換位裝配設(shè)計(jì)與下壓距離控制，操作人員只需在操作區(qū)外將配件放入裝配孔并按下按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)輸送到加工位，并判定下壓距離，從而在保證安全性的前提下，極大地降低了該工位的操作難度。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，該設(shè)備獲得了廠方的認(rèn)可，可以成功交付。

5 結(jié)論

以汽車壓縮機(jī)端蓋半自動(dòng)裝配機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)定位夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配運(yùn)動(dòng)布局設(shè)計(jì)和邏輯控制設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了非標(biāo)定制裝備的模塊化設(shè)計(jì)流程與技術(shù)控制點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)物制造和參數(shù)調(diào)試進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論如下：

(1)在裝配夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，剔除復(fù)雜因素，找準(zhǔn)關(guān)鍵定位元素，以面定位配合銷定位的方式，限制其移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，可在現(xiàn)代非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用；

(2)在運(yùn)動(dòng)布局設(shè)計(jì)中，結(jié)合實(shí)際需求，在工藝之外增加額外緩沖工位是有效的工程方法；

圖8 PLC接口電路Fig.8 PLC interface circuit

(3)在邏輯控制中，采用簡(jiǎn)單高效的PLC控制，其單點(diǎn)采集、單點(diǎn)控制是提高設(shè)備穩(wěn)定性的重要手段。

綜上所述，模塊化設(shè)計(jì)可用于非標(biāo)裝備的自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的目的。