汽车发动机缸盖导管、座圈智能柔性化压装技术的研究与应用

许道宪

（广州市嘉特斯机电制造有限公司，广东广州510850）

0 引言

发动机是汽车的心脏，而缸盖是发动机中结构非常复杂的关键零件之一，其加工工艺复杂，精度要求高，它的加工质量和精度直接影响发动机工作的整体性能。在生产制造过程中，由于种种原因，气缸盖的实际变形往往会超过产品的允许变形量，严重影响了气缸盖的质量，甚至导致了出现废品缸盖。

传统压装设备只能针对单一型号的发动机缸盖进行压装，生产效率低，且无法在机加、装配过程中实现压装精度的实时检测和控制，严重影响了发动机机加、装配多机型柔性共线生产质量，且使用的液压装置容易泄漏，造成环境污染。在此背景下，汽车发动机缸盖智能压装技术的研发和应用，大大提升了压装设备的节能、节材、环保水平，促进了汽车发动机智能化制造的发展，保证了发动机质量稳定性。

1 汽车发动机缸盖导管、座圈智能化压装装置总体构架

汽车发动机缸盖导管、座圈压装装置（图1）总体组成有缸盖输送系统、缸盖定位系统、压装系统、上料系统和座圈冷却系统。工件通过缸盖输送系统进入喷油机构进行缸盖定位，进入上料系统后通过机器人进入压装系统，最后进入冷却系统。

图1 缸盖导管、座圈智能化压装装置整体图

工作流程：工件通过自动辊道进入上料输送线→机种识别→进入喷油机构→缸盖定位并举升→喷油机构对缸盖的导管/座圈孔进行喷雾→缸盖下降→机种识别→上料工位定位并举升→机器人抓取缸盖进入压装工位→机器人带夹具翻转13.9°→进气座圈上料→进气座圈压装→进气导管上料→进气导管压装→机器人带夹具翻转13.9°→排气座圈上料→排气座圈压装→排气导管上料→排气导管压装→夹具回原位→机器人带夹具缸盖回原→机器人把缸盖放入下料工位→缸盖下降→缸盖通过机动辊道进入下一机床。

（1）在通过机器人装料的安装工位中给不同的气缸盖类型自动装配进气座圈、排气座圈和气门导向装置。通过输送装置给安装工位供应用于安装任务的各种安装件。机器人抓取工件，并将其保持在安装工位的压入装置中。

（2）通过智能传感器和机器人的融合，满足柔性化生产需求，实现缸盖气门导管、气门座圈的精确定位，保证恒定、安全的压装控制，实现压装高质量及可视化人机界面，随时监控运行状态，实现压装的实时监测和控制。

（3）通过人机界面设定各种工艺参数，实时监控各个变量和信息，实现压装参数储存等智能化判断，使各参数可在系统中追溯。

（4）采用现场总线使整个系统响应速度达到1.5 Mb/s，伺服驱动控制使系统重复定位达到0.03 mm，为高精度、高效率的压装奠定了基础。

2 汽车发动机缸盖导管、座圈智能化压装装置的设计组成

2.1 机座滑台机构

主要由Q235A钢板焊接后机加而成，为框架机构。组成机构之间采用定位销定位、螺栓连接，整体简单、美观，定位精准，刚性好，组件和零件可以单独拆卸，方便检修和保养。

2.2 导管座圈上料机构

主要由导管送料机构、座圈正反识别机构、座圈送料机构和气缸组成。气缸采用SMC产品，整体结构紧凑、合理，进排气导管和座圈选料同时工作并分开，保障上料紧凑且正确，节约了时间。

2.3 缸盖翻转机构

主要由机器人+夹爪夹紧装置、翻转气缸、导向滑轨组成，夹紧装置保证缸盖夹紧后在移载和翻转的过程中不会脱落，翻转角度由机器人提供缸盖翻转时的动力，夹持和翻转到位后有开关感应，保证每个动作的位置检测及整体机构的互锁。

2.4 平衡式压装机构

（1）压装过程中控制系统发出指令将上部导管压装单元向下移动接触到缸盖，抬起下部座圈压装单元将座圈装入上料夹具中，上料夹具自动打开，电动缸抬起夹具并压装座圈。

（2）控制系统判断上述动作完成，控制导管压头解锁，压头下降并压装座圈，结束压装。

（3）控制系统发出指令，缸盖向前移动一个工位，并将座圈送入上压头，重复上述工序完成导管、座圈压装。工件在压装过程中由控制系统进行压装位移和压力的智能调节。

平衡压装机构将压装力转化为作用于缸盖上的内力，避免了工件压装过程中被压变形，能够使座圈与缸盖底孔达到完全贴合的程度，每个压装装置都有一个自动平衡力单元来自动平衡压装力。

2.5 防护组件

主要由铝型材、60×60方管及钢丝网组成，用于保证设备被隔离，方便操作员操作，保障了操作员的安全，人机工程合理高效。

由于环境温度的变化和机器人或机器部件在运行时变热会产生微小膨胀，如果工件位置错误，会在压入过程中导致损坏。环境温度的变化也可能导致机器部件长度发生变化。所以采用常温压装，气门导管、阀座底孔里必须涂入规定型号的油，并采用激光传感器进行测距和温度补偿。

3 汽车发动机缸盖导管、座圈智能化压装装置的智能控制原理

（1）PLC控制系统：在气门导向装置和气门座圈压入操作前，检查机器人抓手上工件的位置，可以通过PLC程序进行偏置修正。系统控制器采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC，由于设备工位较多，I/O信号分散在各个工位，系统采用基于Profibus总线的分布式I/O控制方式。设备HMI选用SIEMENS公司最新推出的多功能操作屏幕MP277，该屏为10寸64K色液晶显示屏，显示区域大，颜色丰富，通过屏上功能按键实现对设备的操作。MP277提供完整的设备故障及报警信息，便于操作人员尽快找到故障；集成DP接口，通过该接口可以方便地集成到Profibus总线网络中，通过总线和PLC完成数据通讯。

（2）交互信息：气门导向装置和气门座圈压头配备压力传感器，荷重计采用全球知名的日本KYOWA（共和）公司产品，位移传感器为日本基恩士公司产品，采用研华P-MMX系列工控机将数据描述成动态曲线图形与输入电脉冲波形，压装时有压力检测监控，能实现各个压力点动态曲线图与各个压入深度上下限的参数设定、编辑与显示，压入过程中发生故障、压力不合格时报警；压头便于更换且压力可调，整个压装行程在一定范围内可调，并能实时进行压力曲线监控（图2）。缩空气中断时，控制运动的气动单元通过受控气动止回阀闭锁压缩空气。通过有针对性地给受控止回阀排气，可以在能源断开时进行移动。排气前应采取机械措施确保气缸安全，避免其意外移动。

图2 压力、位移监控

图3 自锁式气动单元

（5）采用FANUC公司的机器人来搬运工件和附具。

4 结语

本文对发动机缸盖导管、座圈的智能化压装技术及其应用进行了研究，运用人机界面及现代化传感器等技术手段，实现了压装过程的智能化控制及柔性化操作，提高了压装精度和产品质量，并可为此类压装装置的进一步改善提供技术支持。

[1]李晓燕.机器人力位置控制方法研究与应用[D].保定：河北大学，2011.

[2]吴卫东.数控系统多通道控制技术的开发[D].武汉：华中科技大学，2011.

[3]叶晖.工业机器人典型应用案例精析[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4]崔欣哲.发动机缸盖生产线设备可靠性分析与评估[D].大连：大连理工大学，2013.

[5]魏峰.汽车发动机缸盖加工专用机床的设计与研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[6]马瑞嘉.发动机缸盖装配技术研究及工艺过程优化[D].长春：吉林大学，2011.

[7]孙红飞.发动机缸盖冷却水道流场及冷却特性的分析研究[D].北京：北京交通大学，2010.

[8]顾齐芳.发动机缸盖细长凸轮孔在加工中心上的精加工[J].现代零部件，2011（8）：36-37.

（3）气动液压系统：液压元件采用油研产品，气动元件采用SMC产品。

（4）控制运动的自锁式气动单元（图3）：在设备内部，当压