發(fā)動機前端蓋自動涂膠及裝配單元的開發(fā)及應(yīng)用

吳連偉 甘洋洋 欒建偉 張鵬 喬華強 代志勇 王立琪

摘要：裝配生產(chǎn)線前端蓋的裝配工作為人工裝配，裝配之前操作者在前端蓋上手動涂硅膠，涂膠完成后人工將前端蓋裝配到發(fā)動機上，勞動強度大。設(shè)計制作端蓋自動涂膠及裝配單元，包含機器人、智能輸送機構(gòu)、機體二次定位、托盤定位機構(gòu)、浮動夾具、涂膠和供膠系統(tǒng)、脈沖式頻率敲擊裝配機構(gòu)、視覺檢測及智能控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，機體二次定位和托盤定位裝置配合實現(xiàn)發(fā)動機的精確定位。利用ABB機器人搭載浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構(gòu)，借助輕量分布式三點接觸功能實現(xiàn)端蓋的自動抓取、柔性涂膠和智能裝配，采用視覺技術(shù)實現(xiàn)對硅膠膠線質(zhì)量檢測。前端蓋自動涂膠及裝配單元應(yīng)用后，工序生產(chǎn)效率提升23.3%，質(zhì)量一致性100%。

關(guān)鍵詞：智能輸送；自動抓取；仿形設(shè)計；視覺檢測；智能裝配

近幾年，涂膠自動化已漸漸成為趨勢，我國在工業(yè)機器人領(lǐng)域所涉及的機器人技術(shù)、仿真技術(shù)與離線編程、信息傳感及智能控制等方面進(jìn)行了大量研究，并對多項重點技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)[1]。WP9H/WP10H/WP10.5H智能裝配生產(chǎn)線前端蓋裝配工序為人工裝配，操作者在裝配之前首先在前端蓋側(cè)面手動涂硅膠，涂膠完成后人工將前端蓋裝配到發(fā)動機端面上（見圖1）。

具體裝配作業(yè)內(nèi)容及步驟如下：

1）操作者利用9in（1in=25.4mm）經(jīng)典半圓式涂膠槍在前端蓋裝配面手動涂硅膠。

2）涂膠完成后操作者利用銅錘將前端蓋裝配到發(fā)動機端面的定位銷上。由于前端蓋與發(fā)動機機體定位銷為過盈配合，在裝配過程中需操作者利用銅錘進(jìn)行敲擊裝配。

存在問題如下：

1）每個前端蓋的質(zhì)量約為3kg，操作者每天需手動拿取1200kg，勞動強度大。

2）人工手動涂膠，膠線軌跡和膠量控制不標(biāo)準(zhǔn)，增加成本且產(chǎn)品質(zhì)量無法保障。

針對以上問題，自主設(shè)計開發(fā)發(fā)動機前端蓋自動涂膠及裝配單元，降低硅膠成本，取消人工作業(yè)，提高裝配效率，提升產(chǎn)線過程保障能力。

前端蓋的作用

前端蓋安裝于發(fā)動機曲軸前端，并固定至機身上，前端蓋的主要作用有以下三方面：

1）用于發(fā)動機前端密封，防止因曲軸飛濺潤滑導(dǎo)致機油外漏。

2）前端蓋內(nèi)安裝曲軸前油封，防止曲軸前端機油外漏。

3）為油底殼裝配提供安裝面。

以下主要闡述設(shè)計開發(fā)一套前端蓋自動涂膠及裝配單元，并對其技術(shù)原理及性能指標(biāo)進(jìn)行論述，詳細(xì)說明裝配單元的創(chuàng)新性和技術(shù)特點。

技術(shù)原理、性能指標(biāo)

通過設(shè)計制作WP9H/WP10H/WP10.5H機型全系列前端蓋自動涂膠及裝配單元，實現(xiàn)前端蓋的自動涂膠及裝配。用ABB機器人作為動作載體，采用視覺檢測技術(shù)實現(xiàn)膠線質(zhì)量檢測[2]，利用GRACO供膠系統(tǒng)實現(xiàn)硅膠的控制，運用PLC技術(shù)實現(xiàn)整體動作和流程的控制，同時設(shè)計機器人浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配協(xié)同作業(yè)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)前端蓋的自動裝配（見圖2）。

為滿足前端蓋的自動涂膠及裝配，該單元具備以下功能：

1）智能輸送機構(gòu)，應(yīng)用仿形工裝，通過上料位、輸送位和抓取位，實現(xiàn)前端蓋的智能輸送，并通過氣缸實現(xiàn)輸送抓取位的前端蓋精準(zhǔn)抓取。

2）機體定位機構(gòu)，為保證裝配精度，消除托盤、輥道、支撐腿三者的裝配誤差，采用機體二次定位機構(gòu)和托盤定位機構(gòu)相配合的方式，實現(xiàn)發(fā)動機的精準(zhǔn)定位，確保前端蓋裝配一致性。

3）自動抓取及涂膠，機器人攜帶浮動裝置，可根據(jù)路徑進(jìn)行定點抓取，保證了夾緊的可靠性。同時，涂膠作業(yè)打破原有的工件固定機器人攜帶膠槍移動涂膠的模式，涂膠效果好、效率高。

4）自動裝配，采取輕量分布式三點接觸原理，通過前端蓋浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構(gòu)，可以使前端蓋快速準(zhǔn)確安裝到發(fā)動機機體端面。

5）視覺檢測[3]，采用邊沿檢測等工具實現(xiàn)涂膠軌跡的檢測，當(dāng)涂膠軌跡不合格后會發(fā)出聲光報警，機器人停止工作，等待操作者人工處理確認(rèn)后進(jìn)行下一步工作。

技術(shù)創(chuàng)新性與先進(jìn)性

1）依據(jù)前端蓋的裝配工藝，運用尼龍等新材料、仿形設(shè)計等新技術(shù)，設(shè)計智能輸送機構(gòu)，可為其他同類型全自動裝配單元起到參考作用。

2）機械部分結(jié)構(gòu)采用機體二次定位、托盤定位的協(xié)同方式，也借助輕量分布式三點接觸，設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良的浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構(gòu)（見圖3）。

3）根據(jù)裝配功能需求，編寫PLC控制程序、機器人程序、涂膠及供膠程序、分布式I/O模塊、輥道動作程序及HMI操作界面，實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

設(shè)計開發(fā)的前端蓋自動涂膠及裝配單元有如下6個創(chuàng)新點。

1.設(shè)計制作前端蓋智能輸送輥道

智能輸送輥道用于前端蓋的自動輸送，整個輸送輥道有10個工位，包含上料位、輸送位和抓取位，滿足生產(chǎn)線需求。

1）輸送輥道采用SEW電動機帶動鏈條傳動，利用三菱FR-D740-1.5K-CHT變頻器實現(xiàn)輸送電動機的頻率可調(diào)節(jié)（0～50Hz）。

2）設(shè)計前端蓋仿形工裝（見圖4），根據(jù)前端蓋外形尺寸進(jìn)行仿形設(shè)計，確保前端蓋在輸送過程中的穩(wěn)定。在輸送輥道的抓取位兩側(cè)安裝定位氣缸，確保端蓋定位的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)機器人的精準(zhǔn)抓取。

3）輸送輥道具有安全報警防錯功能（見圖5），具備有無料檢測、工件過位報警、電動機過載報警等互鎖報警檢測功能。

2.設(shè)計制作硅膠供膠和涂膠系統(tǒng)。

前端蓋涂膠過程為機器人抓取工件移動進(jìn)行涂膠，打破原有的工件固定機器人攜帶膠槍移動涂膠的固有模式，涂膠效果好、效率高。

1）采用GRACO供膠系統(tǒng)實現(xiàn)硅膠的控制（見圖6），膠量粗細(xì)、速度均可調(diào)，并增加缺膠、換膠報警檢測提示功能。

2）設(shè)計制作膠槍固定支架和膠嘴防護(hù)裝置。根據(jù)工作現(xiàn)場需求和機器人的有效工作半徑，利用鋁合金型材制作膠槍固定支架，為方便機器人涂膠軌跡的編程和示教，膠槍安裝支架實現(xiàn)角度可自由調(diào)節(jié)（30°～75°）。為了避免硅膠槍的氧化凝固，在涂膠槍下方安裝SMC升降氣缸，在氣缸頂端安裝硅膠專用潤滑油容器。當(dāng)設(shè)備停止工作時氣缸伸出，硅膠專用潤滑油將涂膠槍淹沒，使涂膠槍與外界環(huán)境隔絕，避免涂膠槍的氧化凝固現(xiàn)象發(fā)生。

3.設(shè)計制作機體定位機構(gòu)

由于托盤和輥道、支撐腿三者存在裝配間隙，無法實現(xiàn)機體的精準(zhǔn)定位，設(shè)計制作機體二次定位機構(gòu)，實現(xiàn)發(fā)動機的精準(zhǔn)定位，確保前端蓋裝配一致性。

1）設(shè)計、安裝機體定位機構(gòu)（見圖7），包括龍門支架、定位工裝、托盤定位氣缸2套及機體定位氣缸1套，對機體進(jìn)行上下雙向定位，保證裝配的精度。

2）在機體輸送輥道下方安裝托盤二次定位裝置，實現(xiàn)對發(fā)動機托盤的定位。

3）在總裝線輸送輥道側(cè)方安裝機體定位裝置，從上方實現(xiàn)對發(fā)動機的精確定位，保證發(fā)動機裝配位置的精確性。

4.設(shè)計前端蓋浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構(gòu)，實現(xiàn)前端蓋的自動抓取和裝配

（1）夾爪設(shè)計? 排除傳統(tǒng)增加接觸面積抓取的方式，改為輕量分布式三點接觸。根據(jù)前端蓋的形態(tài)，由于工件為非加工面，依據(jù)夾緊力計算公式，該夾具選擇仿形設(shè)計，增大了接觸面積的同時兼顧了輕量化，保證夾取的過程中夾緊力對工件穩(wěn)定的夾緊，防止工件運動過程中脫落。

（2）浮動夾具? 主要由機器人連接盤、3根浮動導(dǎo)向桿、夾具固定板及中間內(nèi)襯彈簧等組成（見圖8），能夠?qū)η岸松w夾具起到壓縮作用。在夾具固定板上安裝旋轉(zhuǎn)氣缸和攜帶制作的浮動夾爪，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機前端蓋進(jìn)行夾緊攜帶。在機器人末端安裝該浮動夾具，在裝配時能夠解決受力不均影響的裝配一致性等問題。

（3）浮動裝置? 機器人連接盤和連接浮動導(dǎo)向桿，將固定板應(yīng)用直線軸承連接至導(dǎo)向桿的另一端，連同壓裝氣缸都能兼顧壓縮量（浮動量有嚴(yán)格要求，不可隨意給定），機器人在抓取及裝配過程中，壓縮量根據(jù)動作狀態(tài)可進(jìn)行微量調(diào)整，確保機器人在抓取夾爪受力均勻，裝配時前端蓋受力均勻。

（4）機器人攜帶浮動裝置? 在抓取過程中，可根據(jù)路徑進(jìn)行定點抓取（見圖9），浮動裝置可對抓取的動作起到緩沖支撐的作用，保證了夾緊的可靠性。浮動量選小了，輸出的支撐力不夠，不能夠保證夾爪受力均勻；浮動量過大，成本增高且不能起到足夠的緩沖作用。因此，根據(jù)工件的特性采用分布式三點支撐，依據(jù)工件的重量，計算選擇內(nèi)襯彈簧從而對工件起到足夠的緩沖及支撐。

（5）機器人夾具上攜帶脈沖式頻率敲擊裝配機 構(gòu)在機器人到達(dá)定點裝配位置時，裝配機構(gòu)配合夾爪松開動作，開始對前端蓋進(jìn)行脈沖式頻率敲擊裝配，保證了裝配時前端蓋受力均勻，裝配位置精確。

5.設(shè)置電氣控制程序，實現(xiàn)PLC、機器人、視覺系統(tǒng)、涂膠系統(tǒng)及輸送線體之間的信號交互和數(shù)據(jù)通信功能

1）機器人動作程序主要由取料程序、涂膠程序、裝配程序等組成，當(dāng)機器人需要進(jìn)行相應(yīng)工作時，PLC（6ES7215-1AG40-0XB0）會自動發(fā)出相應(yīng)代碼，實現(xiàn)各種動作程序的自動調(diào)用和選擇。

2）設(shè)置機器人工件坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系，示教機器人的動作軌跡，利用偏移、比較、賦值等指令實現(xiàn)機器人動作軌跡的快速動作和示教。編寫機器人中斷程序、一鍵回原位程序，進(jìn)行機器人過載、碰撞報警參數(shù)和工作區(qū)域設(shè)定等，使機器人具有安全防護(hù)、區(qū)域互鎖、一鍵回原位等功能。

3）建立機器人與PLC之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)機器人與PLC之間信號交互功能。編寫信號通信程序，進(jìn)行各模塊的硬件組態(tài)，實現(xiàn)機器人、視覺系統(tǒng)、供膠系統(tǒng)、分布式I/O模塊及輸送線體之間的信號通信和動作控制。編寫輸送輥道及定位裝置的動作程序，實現(xiàn)前端蓋的自動輸送、機體的精確定位、機型的自動識別等功能。

4）制作HMI操作界面實現(xiàn)各動作的手動/自動動作，實現(xiàn)整個動作流程的可視化，人工操作的簡單化、故障診斷的快速化，且各動作之間具有安全互鎖功能。

6.采用視覺技術(shù)實現(xiàn)涂膠軌跡檢測

1）安裝視覺檢測相機，編寫通信程序?qū)崿F(xiàn)視覺相機和PLC、機器人之間的數(shù)據(jù)通信，涂膠完成后機器人抓取前端蓋到檢測位進(jìn)行自動拍照檢測。

2）采用邊沿檢測等工具實現(xiàn)涂膠軌跡的檢測，檢測合格后機器人繼續(xù)工作進(jìn)行端蓋裝配；檢測不合格后會發(fā)出聲光報警，機器人停止工作，等待操作者人工處理確認(rèn)后進(jìn)行下一步工作。

結(jié)語

設(shè)計制作前端蓋自動涂膠及裝配單元，包含機器人、智能輸送機構(gòu)、機體二次定位、托盤定位機構(gòu)、浮動夾具、涂膠及供膠系統(tǒng)、脈沖式頻率敲擊裝配機構(gòu)及視覺檢測及智能控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。通過智能輸送裝置，前端蓋輸送至取料位、進(jìn)/排氣彈簧及上座自動排序后輸送至取料位（組合件）。機體二次定位和托盤定位裝置配合實現(xiàn)發(fā)動機的精確定位。利用ABB機器人搭載浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構(gòu)，借助輕量分布式三點接觸功能，浮動夾具一次抓取一個前端蓋，同時GRACO硅膠供膠和涂膠系統(tǒng)，通過機器人抓取工件移動進(jìn)行軌跡定點涂膠。其中脈沖式頻率敲擊裝配機構(gòu)，實現(xiàn)前端蓋的智能裝配，并具備檢測功能，防止膠線不合格。

發(fā)動機前端蓋自動涂膠及裝配單元的開發(fā)及應(yīng)用，提升工序作業(yè)時間21s，效率提升23.3%，裝試綜合返工率降為0PPM。同時，自動涂膠及裝配單元中用到的智能輸送、自動抓取及放置、仿形技術(shù)、浮動夾具和脈沖式頻率敲擊技術(shù)、二次定位及視覺檢測等技術(shù)可應(yīng)用于裝備制造業(yè)生產(chǎn)線自動化、智能化升級改造工程。這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用可以更好地促進(jìn)裝備制造行業(yè)的工作質(zhì)量提高，可以促進(jìn)裝備制造企業(yè)的市場競爭力提高，也能更好地促進(jìn)我國裝備制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)步[4]。

參考文獻(xiàn)

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[3] 栗海兵. 涂膠機器人控制系統(tǒng)研制及其視覺定位系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[4] 陳怡竹.工業(yè)機器人在汽車智能制造生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2019（21）：255-256.