汽車壓縮機端蓋半自動裝配裝備模塊化設計

徐 飛,胡學敏

(鹽城工學院 汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051)

隨著我國現代化水平的不斷提高，各行各業對質量、效率、成本等提出了越來越高的要求[1]。在汽車行業，為了適應激烈的市場競爭，各部品廠家在產品設計、制造、質量控制等環節都在持續地進行自動化改造，以減少人工成本、提高企業競爭力[2-5]。在實際操作環節，不同工藝、不同工位的設備經常采用模塊化的設計流程進行單獨的非標定制設計，以提高設計效率、降低改造成本。非標自動化設備模塊化流程如圖1所示。

根據圖1的非標自動化設備模塊化流程，以汽車壓縮機端蓋半自動裝配機為研究對象，通過定位夾具結構設計、裝配運動布局設計以及邏輯控制設計，對非標定制裝備的設計流程與主要技術控制點進行闡述，并進行實物驗證。

圖1 非標自動化設備模塊化流程Fig.1 Modular process of non-standard automation equipment

1 定位夾具結構設計

定位夾具設計主要包括尺寸貼合面設計、定位要素重構設計、夾緊方案三部分[5]。汽車壓縮機端蓋三維圖如圖2所示。從圖2可以看出，盡管該端蓋底部比較復雜，但其裙部區域有良好的平面因素，因此可以弱化其底部定位元素，使用平面區域作為定位面，限制其軸向移動及旋轉；同時將定位面上的兩個定位孔設置成定位銷，限制其平面移動及旋轉，從而很好地完成定位。

考慮到定位平面與底部工作臺平面間需要有空隙，將夾具設計為兩層平臺，兩層平臺之間的空檔可以放置端蓋底部，并預留出底部的空間，保證工件與下方移動組件間無干涉；根據工件實際尺寸，完成兩層夾具設計，如圖3所示；將設計好的夾具與壓縮機端蓋進行虛擬裝配，如圖4所示。

2 裝配運動布局設計

根據現場生產要求制定完整的運動流程，如圖5所示。整體裝配動作包括：上件區裝件，夾具導軌移動至裝配區域，定位組件進行定位，壓件組件下壓后返回，裝配定位復位，夾具返回上件區，裝件完畢后送入裝配區進行二次裝配。需要指出的是，兩次裝配雖然都是在端蓋孔中裝配兩個精細元件，但裝配過程中的壓入距離和壓力均不同。

圖2 汽車壓縮機端蓋三維圖Fig.2 3D graph of automobile compressor end cover

圖3 兩層夾具設計(單位：mm)Fig.3 Two layer fixture design

考慮到自動化裝配的生產節拍與成本，裝配采用的氣缸和彈簧頂針組件將會占據正上方工作空間，因此實際操作中經常采用圖6所示的換位上件裝配方式，即放件位置與工作位置不在同一位置，這樣既會帶來額外的可用空間，又增加了操作安全性。另外，二次裝配時由于其下壓深度和力度都與首次裝配不同，因此二次裝配時需對圖6所示的裝配方案的上方平臺組件增加相應的切換模塊設計，同時切換動作方案與結構也需進一步調整。

圖4 汽車端蓋與夾具虛擬裝配圖Fig.4 Virtual assembly drawing of automobile end cover and fixture

圖5 完整的裝配運動流程Fig.5 Complete assembly movement process

圖6 換位上件裝配方案Fig.6 Assembly scheme of transposition upper parts

3 邏輯控制與參數檢測

邏輯控制與參數檢測模塊主要用于實現定位和運動布局模塊的自動化控制，通常采用可編輯邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)方式實現，其硬件電源模塊如圖7所示，控制接口及I/O口分布如圖8所示。

圖7硬件電路設計采用單一線路單一響應原則，以方便故障檢測。圖中每一個開關對應一個位置信號開關，然后經繼電器觸點輸入PLC；安全設計方面，除了在機械上的結構保護，在電路上必須具備防觸電設計，即在總電路與分電路上都設置電源保護。

4 制作調試

在完成設計端工作后制作最終設備,經過現場調試，其動作、壓力及行程指標均達到技術要求和現場使用要求。同時在效率提升方面，由于增加下壓速度與回位速度，將回位時間控制在0.5 s，工位時間縮減在20 s，端蓋達到180 單元/h，甚至更多，相對于人工放件，效率提升5倍；在自動檢測方面，由于配備自動壓力檢測與激光位置檢測，在裝配效果與質量保障方面都有較大提高，相對于人工操作，自動裝配具有更高的質量穩定性；在安全性方面，由于采用了換位裝配設計與下壓距離控制，操作人員只需在操作區外將配件放入裝配孔并按下按鈕，系統將自動輸送到加工位，并判定下壓距離，從而在保證安全性的前提下，極大地降低了該工位的操作難度。經過一個月的現場跟蹤，該設備獲得了廠方的認可，可以成功交付。

5 結論

以汽車壓縮機端蓋半自動裝配機為研究對象，通過定位夾具結構設計、裝配運動布局設計和邏輯控制設計，詳細描述了非標定制裝備的模塊化設計流程與技術控制點，并結合實物制造和參數調試進行了驗證，結論如下：

(1)在裝配夾具設計過程中，剔除復雜因素，找準關鍵定位元素，以面定位配合銷定位的方式，限制其移動及旋轉，可在現代非標設備設計中推廣應用；

(2)在運動布局設計中，結合實際需求，在工藝之外增加額外緩沖工位是有效的工程方法；

圖8 PLC接口電路Fig.8 PLC interface circuit

(3)在邏輯控制中，采用簡單高效的PLC控制，其單點采集、單點控制是提高設備穩定性的重要手段。

綜上所述，模塊化設計可用于非標裝備的自動化改造，實現提高生產效率，降低生產成本的目的。