發動機缸體主油道螺紋堵塞自動擰緊設計研究

黃海　銀佳和　黎可富

摘 要：對發動機缸體主油道螺紋堵塞全自動擰緊進行研究，設計堵塞自動上料、堵自動涂膠、膠有無視覺檢測、缸體自動頂升夾緊、機器人加持擰緊槍等自動化結構，實現小螺紋堵塞的全自動擰緊，提升生產線的生產效率，降低人力成本。該設計同時使用機器人、視覺識別、自動涂膠、震料盤技術，可同時實現涂膠、涂膠識別、取料、擰緊等復雜動作。

關鍵詞：缸體主油道螺紋堵塞 自動化 涂膠 視覺 擰緊

Design and Research on Automatic Tightening of Thread Blockage in Engine Cylinder Block

Huang Hai Yin Jiahe Li Kefu

Abstract：The article does researches on the automatic tightening of the thread blockage of the main oil passage of the engine cylinder， and designs automatic blockage automatic feeding， blockage automatic glue application， visual inspection of glue presence， automatic cylinder block lifting and clamping， robot holding tightening gun and other automatic structures， so as to realize the fully automatic tightening of small thread blockages， and improve the production efficiency of the production line， and reduce labor costs. The design uses robots， visual recognition， automatic glue application， and vibrating material pan technology at the same time， which can simultaneously realize complex actions such as glue application， glue recognition， reclaiming， and tightening.

Key words：cylinder block main oil passage thread blockage， automation， gluing， vision， tightening

1 引言

汽車工業的高速發展推動了自動裝配技術的不斷提高，汽車裝備的高自動化、高柔性、高智能是汽車裝備制造業和汽車工業發展的方向。[1]

發動機缸體油道需同時為凸輪軸潤滑、VVT正時系統控制、曲軸孔軸瓦旋轉潤滑等部件提供機油，以保證發動機的正常運作，所以其主油道較為復雜，為保證有效貫通，需加工較多工藝孔，這些工藝孔需使用螺紋堵塞或者悶蓋進行密封，避免發動機泄露。這些螺紋堵塞孔一般直徑小、長度短，數量多，且有密封膠要求，故主油道堵塞的擰緊動作包含取料、工件夾緊、涂膠、涂膠檢測、擰緊，目前大多數主機廠采用手動擰緊的方式，以國內某大型主機廠為例，發動機缸體有4顆堵塞，堵塞類型有兩種，擰緊過程需更換擰緊頭，82秒節拍要求下，員工需完成4次取料、涂膠、擰緊和1次更換擰緊頭的動作，工作強度大，人機工程差，易產生較大疲勞感，后期往往會出現跟不上節拍的情況。

隨著機器人設備、自動夾具、視覺系統的高速發展，傳統的人工擰緊方式會被逐漸淘汰，自動涂膠、擰緊、視覺檢測設備會集成化應用到小零件的擰緊過程，提升工廠自動化水平和生產效率。

2 總體概念設計

2.1 產品要求輸入

設計概念需圍繞產品要求，以實現產品的堵塞擰緊要求為最終目的，以某公司的某款產品舉例（如圖1），需了解以下產品要求：

（1）堵塞類型：1/4和1/8錐螺紋，考慮節拍的情況下，需增加兩套擰緊機構，減少換套筒的時間;

（2）堵塞尺寸：直徑<13mm，長度<7mm，整段是螺紋，尺寸短小，底部為內六角孔，夾持方案可以考慮磁式擰緊頭取料，避免螺紋損傷;

（3）扭矩要求：<20NM，采用小扭矩擰緊軸;

（4）密封要求：樂泰膠，采用自動化滴膠機構和視覺檢測機構保證涂膠量。

2.2 自動化需求

為提升生產效率，保證擰緊質量，在控制整體投入成本的前提下，將人工擰緊改為全自動擰緊。

2.3 概念設計輸出

根據產品要求以及自動化需求，發動機缸體堵塞自動擰緊設計分為自動上料、擰緊機構、頂升定位機構、傳輸輥道、涂膠和涂膠檢測模塊，如圖2。

3 詳細設計及選型

3.1 上料機構

為實現快速自動取料，保證取料成功率，每一顆油堵的姿態、位置均需固定。對于密封管螺紋小尺寸油堵，現在應用較多的方案主要有：

（1）震動排序機+吹氣管路傳輸+分料器，快速穩定，吹氣系統成本較高;

（2）震動排序機+重力管路傳輸+分料器，快速穩定，成本低;

（3）固定位置包裝+3D視覺吸附取料，結構簡單易實現，但吸附裝置容易磨損，成功率相對較低。

綜合優缺點，方案二為最優方案（如圖3）：排序機需讓油堵出來時保持固定姿態，通過仿形料道重力下落至分料器，由于是重力傳輸，料道長期有多顆油堵，分料器需將油堵進行分隔，保證取料處僅有一顆油堵，并且需要將油堵進行頂緊，保證擰緊套筒認冒。

分料機構主要由擋料機構1、擋料機構2、壓緊機構、接料機構組成，擋料機構1/2將單顆油堵實現分隔，壓緊機構壓緊，如圖4。

擋料氣缸選型FESTO AND-12-15-A-P-A，氣缸直徑12mm，行程15mm，壓緊氣缸選型FESTO AND-12-25-A-P-A，行程25mm。工作原理：擋料機構2氣缸伸出，擋料機構1氣缸縮回，油堵下落，擋料機構1和2間隙設計為一顆油堵直徑的寬度，擋料機構1氣缸伸出將上方油堵隔開，擋料機構2打開，油堵下落，壓緊機構伸出壓緊油堵至取料口出，等待機器人來取料。以上動作邏輯，通過到位傳感器（接近開關）與PLC延時控制實現，傳感器選擇巴魯夫M8接近開關（BES M08EE-PSC20B-S04G-003）。

3.2 擰緊機構

在82s的生產線節拍范圍內，需完成1/4和1/8油堵的的自動取料、涂膠、視覺識別、擰緊等動作，且油堵擰緊有較為嚴格的扭矩要求，所以擰緊機構要求具備以下功能：

（1）快速移動，定位精度高;

（2）可完成復雜動作;

（3）扭矩控制。

參考發動機裝配線中使用的螺栓自動擰緊技術，使用機器人帶動擰緊軸實現擰緊動作，快速準確，并能實現扭矩監控，如圖5。

3.2.1 擰緊部件

擰緊部件包含擰緊軸、夾持部件。擰緊軸根據扭矩要求，選用扭矩范圍為20KN的atlas QMX42-2ROT。因為需要擰緊的是內六角密封螺栓，所以擰緊頭設計為外六角頭，為方便在快速移動過程中螺栓不掉落，擰緊頭需帶有磁性，將6顆圓柱磁鐵均布擰緊頭一周，磁鐵選用標準件（MISUMI HXN2-5），見圖6。

夾持部件包括擰緊軸夾持部件和延長桿支撐。缸體表面結構復雜，需使用延長桿避開干涉位置，為保證延長桿高精度直線運動，增加直線襯套（misumi），襯套可以參考misumi推薦的配合公差設計支撐套和延長桿。

3.2.2 機器人

機器人需完成取料、擰緊動作，油堵無預擰步驟，需直接帶著油堵前進至螺紋孔處進行擰緊，重復定位精度要求較高。目前各大機器人廠家提供的定位精度均為空載100%倍率下的工況精度，為了保證負載情況下擰緊的精度，選擇精度為±0.06mm的6軸機器人KUKA KR210 R2700 extra。

在做擰緊軸與機器人配套設計的時候，需要注意：

（1）擰緊軸固定在機器人第六軸，線纜長度需滿足機器人第六軸到達的最大位置，線纜為避免旋轉干涉，需沿機器人本體走線，經測量機器人各軸長度合計5.7m，線纜一端接擰緊軸，另一端接擰緊控制器，控制器一般安裝在防護網外，以便維護和調整，所以線纜長度需大于10m。

（2）需增加擰緊軸線纜的線管包，線管包的作用主要是防止線纜拉扯導致的異常磨損。

3.3 頂升定位機構

3.3.1 頂升定位機構組成

頂升定位機構組成包括頂升和定位機構。頂升機構實現在工件傳輸到位后，將工件頂升至一定高度，避開擰緊過程與輥道的干涉，定位機構利用一面兩銷的方式實現工件的精準定位，保證重復定位精度。

頂升機構主要部件包括：直線軸承、導向桿、頂升氣缸、安裝板等。

定位機構主要部件包括：定位面、菱形銷、圓柱銷以及落位傳感器等。

3.3.2 精度分析

頂升定位機構是油堵擰緊的關鍵機構，它與機器人的定位精度匹配程度決定著擰緊成功率的高低。機器人的位置可以根據定位機構的安裝后的實際位置，調整運動程序進行匹配，所以只需要考慮頂升定位機構的重復定位精度，影響重復定位精度主要有運動部件和定位部件，這套機構影響重復定位精度的位置為導向桿與直線軸承配合副、定位銷與定位孔間隙，導向桿與直線軸承的配合H7/g6，定位銷與定位孔的配合參考CNC（加工中心）定位尺寸，計算公式如下：

a）重復定位精度=導向桿與軸承配合極限間隙+定位孔與定位銷配合極限間隙

b）導向桿尺寸=φ50（-0.034，-0.009，），軸承孔尺寸=φ50（-0.014，0），過渡配合，極限間隙為0.034mm

c）定位孔尺寸=13（0，+0.018），定位銷尺寸12.9（-0.027，0），極限間隙為0.045mm。

所以頂升機構的重復定位精度=0.034+0.045=0.079mm，料頭與油堵的間隙為0-0.2mm，所以頂升機構的定位精度可以滿足重復定位要求。

3.4 傳輸輥道

傳輸輥道由對中機構、擋料機構、自動輥道、到位傳感器、導向、支撐總成等幾部分組成，實現工件準確到位功能，如圖8。

工作邏輯為：擋料器升起，入口放行工件進入到擋料位置擋停，對中機構將工件對中，對中機構松開， PLC延時（2s）發送對中到位信號給頂升機構、擰緊機構進行頂升擰緊，擰緊結束后，頂升機構下降到位信號發送給擋料機構，松開擋停，輥道旋轉，工件離開頂升工位，開始下一個循環。

3.5 涂膠&檢測機構

采用全自動可控滴膠量的滴膠系統完成滴膠，使用彩色2000萬像素的相機（可根據實際現場識別環境選用）進行滴膠效果檢測，相機需配備鏡頭和可調節光源便于適應不同的檢測環境。

4 結語

高精度的6軸機器人結合視覺系統以及定位機構可替代復雜動作的人工操作，在自動化機構的設計過程中需充分考慮定位精度、成本、場地大小的因素。

參考文獻：

[1]戴維，發動機裝配過程螺栓擰緊監控策略設計及應用.汽車制造技術.2018年第12期.

[2]王力爽.發動機缸體10軸自動擰緊機設計研究.裝配應用與研究.2020年第18期.

[3]龍海清，王阿素.自動涂膠系統在發動機缸體生產中的應用.2014年第1期.