凸轮轴装配机的设计分析

杨广明 蒋佩岩 郭大伟 郭波

摘要：本文介绍了凸轮轴装配机各机构的细节和工作原理，并通过对工件误差的分析，设计了高精度的罩盖定位装置，增加了精定位机构，大大降低了穿轴的难度，保证了穿轴的质量，提高工作效率。

关键词：凸轮轴装配;高精度;自动化设备

1.概述

随着我国汽车行业的发展，汽车零部件国产化的比率逐步提高，要求零部件的加工装配效率也越来越高，加工质量越来越好，对自动化生产线的需求也就不断增加。凸轮轴装配机是发动机装配生产线中的一个重要环节，它能够对发动机中的罩盖和凸轮轴完成组装的功能。凸轮轴装配机工作可靠，操作方便，大大降低了劳动强度和提高工作效率。

2.总体设计

凸轮轴装配机是一台全自动的设备，主要由穿轴机构、粗定位机构、精定位机构、罩盖定位装置等4部分组成（如图1），实现稳定而准确的穿凸轮轴工作。由于凸轮轴是细长杆结构，与罩盖孔的配合间隙较小，对于设备的精度要求较高，同时由于罩盖孔的位置累计误差已经大于了轴和孔的配合间隙，装配时又要有一定的柔性。

2.1穿軸机构

穿轴机构主要由顶杆1、气缸2、气缸3、气缸6、顶尖7、气缸9等组成（如图2）。气缸2和气缸6串联到一起，穿轴时可以停到三个位置上。气缸3用一个安装板连接到右侧的夹紧机构上。顶杆1在气缸3的带动下，和气缸9驱动的顶尖7，一起夹紧定位凸轮轴。气缸2和气缸6带动夹紧后的凸轮轴一起移动到罩壳里，完成凸轮轴的装配工作。

2.2粗定位机构

粗定位机构主要由定位块、气缸、举升板、导向轴、安装板组成（如图3）。设备能够垂直升降。工作开始时，机构保持伸出状态，上料机械手把需要安装的凸轮轴放置到粗定位机构的定位块上，凸轮轴中心与罩盖中心高度一致。穿轴时，机构缩回，以防止与穿轴机构干涉。

2.3精定位机构

精定位机构（如图4）与粗定位机构相似，要保证定位块上凸轮轴的中心与罩壳的孔中心保持一致。但增加了定位基准块3和定位销5。当机构伸出是，定位基准块顶到罩盖定位夹具的工艺精加工面上，以罩壳定位夹具的面作为基准。同时定位销深入到罩盖的定位销孔里进行定位。大大的增加了机构的定位精度和稳定性。

2.4罩盖定位装置

罩盖定位装置具有很高的定位精度，主要由摆动压紧气缸1、侧向气缸3、定位销5、粗定位块7等组成（如图5），罩盖的定位主要由定位销5保证，侧向气缸推动罩盖靠紧定位销5，旋转压紧气缸压紧罩盖，使罩盖稳定而准确的放置到工作位置。

3. 凸轮轴装配机的设计分析

3.1凸轮轴的装配工艺要求

凸轮轴长度450mm，直径只有40mm，是标准的细长杆结构。凸轮轴和罩盖孔的最小间隙为0.05，是配合精度比较高的，要求将这个细长轴准确的穿过罩盖孔，保证不能磕伤罩盖，罩盖的材质为铝合金，硬度相对较低，只要有很小的磕碰都会伤及表面。因此必须保证中心的精度。

3.2罩盖定位装置分析

由于罩盖与凸轮轴的装配精度较高，罩盖的定位尽量与图纸的基准相同（如图6）。用定位销和底面进行定位，减小基准不同带来的累计误差。但由于工件往夹具上放的时候，必须与定位销之间保留一定的间隙，无形中增加了一个随机误差，为了尽量减小这部分误差，定位夹具侧面增加了一个推靠气缸，将工件的孔壁贴到定位销的侧面上，这样就可以消除间隙误差的影响，但罩盖定位销孔直径的误差无法避免，最大为定位孔直径误差d的一半。这样看来，罩盖水平方向定位的误差为：

3.3穿轴机构分析

穿轴机构的顶杆1需要穿过罩盖，长度必须大于罩盖长度，形成细长杆结构，为了增加顶杆的精度和刚性，在罩盖定位装置上增加了导向套。由于工件自身的误差较大，无法用穿轴机构直接把凸轮轴穿入到罩盖孔内，因此增加了精定位机构，进行二次定位。穿轴机构只要保证0.2mm的精度，先把凸轮轴穿入罩盖的非配合孔中，放到罩盖下面的精定位机构上就可以了。然后用穿轴机构的气缸6将凸轮轴推入到配合孔里。

3.4精定位机构分析

精定位机构的使用，主要是减少中间各环节的累计误差，方便穿轴。精定位机构伸出时，定位销与罩盖的定位夹具孔配合，用夹具上的限位块作为挡块，保证两个机构很好的结合在一起，形成一个整体，既保证了精度，又提高了刚性。定位块采用V型结构，具有更高的定心作用。只有凸轮轴本身直径的误差a影响装配尺寸。根据V型块的定位原理，凸轮轴的垂直方向上最大定位误差为：0.707a。穿轴时，为了凸轮轴有一定的自适应空间，保证最大轴径时凸轮轴的中心与罩盖孔的理论中心对齐。这样垂直方向上，两工件的中心线误差为：k2=0.707a+w/2。而水平方向上，误差为罩盖的定位误差k1，但偏向一侧，不利于装配，因此凸轮轴的中心对准罩盖孔的理论中心位置偏d/4的位置，这样使位置度公差w对称于凸轮轴中心线。保证更多时候，穿轴准确。

4. 凸轮轴装配机的动作过程

上料机械手将罩盖放置到定位装置中，推靠气缸将罩盖推靠到定位销上，夹紧气缸将罩盖夹紧，罩盖定位准确后，上料机械手再将凸轮轴放到初定位机构的V型块中。

穿轴机构的气缸3带动顶杆1缩回，向右移动，穿过罩盖，顶住凸轮轴左侧顶尖孔，同时，气缸9带动顶尖7伸出，顶住凸轮轴的右侧顶尖孔，定位并夹紧凸轮轴。初定位机构缩回，避让出穿轴的移动空间。气缸2缩回，气缸6伸出，将夹紧的凸轮轴向右缓慢的移动到罩盖里（停到配合段前面位置），精定位机构伸出，准备定位凸轮轴，气缸3带动穿轴顶杆1伸出，气缸9缩回，松开凸轮轴，将凸轮轴自由的放置到精定位机构上的V型块中，使凸轮轴中心和罩盖孔的中心重合。气缸6伸出，带着推套8继续前行，将凸轮轴准确、无磕碰地推到罩盖的配合孔中，完成装配工作。

结束语

凸轮轴装配机是一台全自动的设备，能够准确可靠的实现装配功能，能够保证做出的产品100%合格。用户已经投入生产，实践证明设备生产效率高，压装的质量好。大大提高了企业的生产能力和竞争力，符合社会生产力的发展要求。

参考文献：

1.  闻邦椿.机械设计手册第6卷【M】.【6】版       北京：机械工业出版社，2017

2.刘治华  机械制造自动化技术及应用  北京：化学工业出版社  2008

3.姜明灿 张正祥 吴水苹.公差与测量技术 武汉：华中科技大学出版社，2006