一體式三軸聯動復合型接管自動壓裝機的設計與實現

夏筱筠，趙維浩，閆美潤

（1.中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司，遼寧 沈陽 110168；2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

一體式三軸聯動復合型接管自動壓裝機的設計與實現

夏筱筠1，趙維浩2，閆美潤1

（1.中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司，遼寧 沈陽 110168；2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

本文介紹一種涉及汽車發動機制造行業，一體式三軸聯動復合型接管自動壓裝機的設計與實現，設計的一體式三軸聯動復合型接管自動壓裝機是一種一體式X、Y、Z空間坐標定位裝置聯合壓裝機構同步工作的整機，該機構針對兩種直型接管和兩種異形接管，能夠快速有效地完成復合式壓裝。

三軸聯動；復合型；自動壓裝機

1 背景

在機械制造行業里，過盈壓裝技術被廣泛的應用，尤其在汽車發動機制造工藝流程中具有不可替代的作用。在某些環節中，過盈壓裝技術可降低生產成本，提高生產效率。汽車行業應用過盈壓裝技術的專用單機種類繁多，活塞銷壓裝機、氣門油封壓裝機、火花塞導管壓裝機、缸蓋水管接頭壓裝機、曲軸軸承壓裝機等普遍采用單軸定位單一型壓裝技術。

單軸定位單一型壓裝，技術特點：第一，單軸定位精準，耗費總節拍時間短，生產效率較高；第二，定位機構承受壓裝反力固定，力學效應簡單可控；第三，維護、保養方便，更換零部件時間短，操控性較強。

單軸定位單一型壓裝存在技術缺點亦然明晰：第一，針對工況單一，生產線多機型壓裝兼容性差，改進方法只可設置線體通過，并新增對應機型的壓裝單機，無形中增加生產成本、延長了壓裝整體節拍，反而降低了生產效率；第二，單一型壓裝工裝唯一，針對同機型復合型工況，該技術束手無策，同機型復合型兼容性差，改進方法可配置附加機構，最終導致延長了壓裝整體節拍，反而降低了生產效率；第三，線上單軸定位壓裝要求輸送線體停位精準，增加了線體部分的制造難度，若出現誤差，單軸定位不可修正定位，需要調整線體壓裝臺，日常維護、保養極不便利；線下單軸定位壓裝可降低線體部分制造難度，但由于工件需要下線操作，嚴重影響了壓裝節拍，操控性也變得繁重。

針對上述問題，本論文設計出一種以解決多機型復合型工況為目的的自動壓裝機。

2 機械設計

一體式三軸聯動復合型接管自動壓裝機如圖1所示，包括一體式三軸聯動定位結構、復合型壓裝執行結構、反推執行結構、上限位結構、線體頂升結構、整體機身機構的專用壓裝單機。

圖1 一體式三軸聯動復合型接管自動壓裝機示意圖

（1）一體式三軸聯動定位結構的設計。一體式三軸聯動定位結構驅動為伺服定位驅動器，Y軸定位動作、X軸定位動作及Z軸定位動作重疊聯動，PLC并行運行，通過I/O控制模板采集反饋信號。I/O控制模板包括I/O同步串行總線接口電路、I/ O參數設定電路、輸出電平轉換電路、輸入電平轉換電路、I/O狀態指示電路及I/O控制模塊；X軸定位包括X軸驅動器、X軸直線系統、X軸到位檢測開關、X軸到位被檢；Y軸定位包括Y軸驅動器、Y軸直線系統、Y軸到位檢測開關、Y軸到位被檢；Z軸定位包括Z軸驅動器、Z軸直線系統、Z軸到位檢測開關、Z軸到位被檢。一體式三軸定位結構圖如圖2所示。

圖2 一體式三軸定位結構圖

（2）復合型壓裝執行結構的設計。復合型壓裝執行結構壓裝單直管、三通類直管、彎頭類直管，包括推進定位珠、輔助定位銷、壓裝頭主體、三通類輔助支撐、彎頭類輔助支撐、高精度限程檢測系統。壓裝頭主體是一種復合型嵌入式結構，內襯高強度自潤滑非金屬材料，防止本體與接管因動摩擦而產生劃痕。三通類輔助支撐是一種壓裝頭主體衍生附定位珠限位支管結構，與壓裝頭一體模式，保證工作狀態定位朝向及精度。彎頭類輔助支撐是一種壓裝頭主體衍生附定位簧、定位滑托、定位端板結構，與壓裝頭同一體模式，保證工作狀態定位朝向及精度，均衡擴散沖壓應力應變。高精度限程檢測系統一種壓裝頭主體衍生導向桿、限位頂塊、限位簧、高精度限位器總成，保證氣液增壓系統能及時終止在中間位置。

（3）反推執行結構的設計。反推執行結構與一體式三軸聯動定位結構構成水平定位系統，包括主推驅動氣缸、主推導向直線系統、主推直線檢測系統、反頂鎖緊氣缸、反頂鎖緊直線系統、反頂鎖緊檢測系統，主推系統與鎖緊系統串行。

（4）上限位結構的設計。上限位結構構成垂直定位系統與線體頂升結構構成垂直定位系統，包括上到位多機型定位器、上限位支撐體、上限位支撐定位器。

（5）線體頂升結構的設計。線體頂升結構包括頂升驅動氣缸、頂升直線系統、頂升檢測系統、頂升鎖緊器、頂升鎖緊驅動器、頂升鎖緊弧線系統、頂升鎖緊檢測系統。

3 實現過程

本文設計一種一體式三軸聯動復合型接管自動壓裝機。實施采用PLC可編程控制器為電氣邏輯基礎，包括一體式三軸聯動定位結構、復合型嵌入式壓裝執行結構、反推執行結構、上限位結構、線體頂升結構、整體機身機構，如圖1所示。整體壓裝布置采用“Π”形式，左側一體式三軸聯動定位結構、復合型嵌入式壓裝執行結構；右側反推執行結構；上側上限位結構。

一體式三軸聯動定位結構如圖2所示，三軸聯動通過PLC并行處理來完成。頂層Z軸定位包括Z軸驅動器、Z軸直線系統、Z軸到位檢測開關、Z軸到位被檢。Z軸坐標確定復合型嵌入式壓裝執行結構與工件本體距離，在執行壓裝直接關聯壓入深度。下層Z軸隨動固定體，本層是四維梯度能量耗散模式關鍵部位，承上啟下的作用，XY二維力學效應傳遞到此出現大梯度衰減，保護Z軸不會因壓裝受到大剪切應力破壞，同時為XY軸運動提供良好的力學環境。再下層X軸驅動器、X軸直線系統、X軸到位檢測開關、X軸到位被檢，X軸直線系統使用雙穩定行走機構，穩定消減Y軸翻轉扭矩，在執行壓裝時確定橫向尺度，保證行走精度可達微米級。最下層Y軸驅動器、Y軸直線系統、Y軸到位檢測開關、Y軸到位被檢，采用單穩定行走機構抵抗上掀高壓力沖擊，單斜式直線系統支撐，提供線形應力環境，可靠性和耐壓強度更高，在執行壓裝時確定縱向尺度，同時保證行走精度可達微米級。三者通過I/O控制模板、主機總線模板并行處理，時間段內幀頻可重疊，整個動作過程時間歷程簡短，極大提高了整體動作頻率，縮短單體工作節拍。

復合型嵌入式壓裝執行結構，前端執行部件囊括了壓裝頭主體、推進定位珠、輔助定位銷、三通類輔助支撐、彎頭類輔助支撐、高精度限程檢測系統。

壓裝頭主體是四種接管而復合一體式結構，包括壓裝單直管、三通類直管、彎頭類直管。壓裝頭主體內襯高強度自潤滑非金屬材料，防止本體與接管因動摩擦而產生劃痕。三通類輔助支撐一種壓裝頭主體衍生附定位珠限位支管結構，與壓裝頭一體模式，保證工作狀態定位朝向及精度。

彎頭類輔助支撐壓裝頭主體衍生附定位簧、定位滑托、定位端板結構，與壓裝頭同一體模式，保證工作狀態定位朝向及精度，均衡擴散沖壓應力應變。高精度限程檢測系統壓裝頭主體衍生導向桿、限位頂塊、限位簧、高精度限位器總成，保證氣液增壓系統能及時終止在中間位置。高精度壓裝力實時檢測系統，以力學敏感元件為核心，實時將瞬時壓力傳入CPU并存儲在內存，自動生成過程曲線，定時自動校對多曲線波動率，統計各項數據可選輸出模式導出至小型存儲器發送用戶終端。復合型嵌入式壓裝執行結構集雙輔助雙定位雙檢測渾然一體，優良的系統兼容性和協調性，接管到位自動檢測執行對應工作流程。

反推執行結構與一體式三軸聯動結構構成整體水平定位，主推系統和鎖緊系統串行，主推系統包括驅動氣缸、主推導向直線系統、主推直線檢測系統，導向直線系統中采用直線擴展型導軸，階梯擴展口為鎖緊系統提供精準的楔形鎖緊位，壓裝工作執行時，擴展型導軸將主推力傳遞至楔形鎖緊器，鎖緊器與背板產生的摩擦阻力、鎖緊氣缸合閘摩擦阻力二者合力阻滯鎖緊器反退，瞬時非線性沖擊衰減效應。鎖緊系統包括鎖緊氣缸、反頂鎖緊直線系統、反頂鎖緊檢測系統，反頂鎖緊直線系統中采用雙自鎖緊楔形鎖緊器與主推擴展軸協同工作，瞬時耐沖擊性能優越，時間段，力學效應穩定可靠。

上限位結構上到位多機型定位器、上限位支撐體、上限位支撐定位器，與線體頂升結構構成整體垂直定位。上到位多機型定位器可為不同機型量身定制，抗壓強度高，耐沖擊性能好。上部支撐定位器以固定模式為優選，也可采用氣動隨動定位模式，整體配合性協調，定位限位精度高。

4 結語

本設計由于采用以上技術方案，具有以下優點。（1）采用一體式三軸定位結構，四維梯度能量耗散模式，應力應變逐級梯度衰減，有效保護工件本體，削弱反推結構力學效應，增強了在抵抗高沖壓力工作狀態時系統可靠性、穩定性及安全性。

（2）采用一體式三軸定位聯動結構，適用于多機型工作模式，無論工件直進姿態還是旋轉姿態，均提供良好的系統兼容性，一機多用極大降低生產成本、節省了后期生產資金投入。

（3）采用一體式三軸定位聯動結構，三軸互不干涉，重疊聯動工作，極大提高了生產效率，節省了后期生產人力投入。

（4）采用復合型壓裝結構，兼容單直管、三通類直管、彎頭類直管等綜合壓裝工況，復合型嵌入式為批量生產提供了強大的兼容平臺，一機多用效果極其明顯，不但降低了生產成本、提高了生產線效率，而且還節省了后期生產資金及人力投入。

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：A

：1671-0711（2017）06（上）-0114-03

項目編號：2015SYHZ0024。