發動機前端蓋自動涂膠及裝配單元的開發及應用

吳連偉 甘洋洋 欒建偉 張鵬 喬華強 代志勇 王立琪

摘要：裝配生產線前端蓋的裝配工作為人工裝配，裝配之前操作者在前端蓋上手動涂硅膠，涂膠完成后人工將前端蓋裝配到發動機上，勞動強度大。設計制作端蓋自動涂膠及裝配單元，包含機器人、智能輸送機構、機體二次定位、托盤定位機構、浮動夾具、涂膠和供膠系統、脈沖式頻率敲擊裝配機構、視覺檢測及智能控制系統等結構，機體二次定位和托盤定位裝置配合實現發動機的精確定位。利用ABB機器人搭載浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構，借助輕量分布式三點接觸功能實現端蓋的自動抓取、柔性涂膠和智能裝配，采用視覺技術實現對硅膠膠線質量檢測。前端蓋自動涂膠及裝配單元應用后，工序生產效率提升23.3%，質量一致性100%。

關鍵詞：智能輸送；自動抓取；仿形設計；視覺檢測；智能裝配

近幾年，涂膠自動化已漸漸成為趨勢，我國在工業機器人領域所涉及的機器人技術、仿真技術與離線編程、信息傳感及智能控制等方面進行了大量研究，并對多項重點技術進行了攻關[1]。WP9H/WP10H/WP10.5H智能裝配生產線前端蓋裝配工序為人工裝配，操作者在裝配之前首先在前端蓋側面手動涂硅膠，涂膠完成后人工將前端蓋裝配到發動機端面上（見圖1）。

具體裝配作業內容及步驟如下：

1）操作者利用9in（1in=25.4mm）經典半圓式涂膠槍在前端蓋裝配面手動涂硅膠。

2）涂膠完成后操作者利用銅錘將前端蓋裝配到發動機端面的定位銷上。由于前端蓋與發動機機體定位銷為過盈配合，在裝配過程中需操作者利用銅錘進行敲擊裝配。

存在問題如下：

1）每個前端蓋的質量約為3kg，操作者每天需手動拿取1200kg，勞動強度大。

2）人工手動涂膠，膠線軌跡和膠量控制不標準，增加成本且產品質量無法保障。

針對以上問題，自主設計開發發動機前端蓋自動涂膠及裝配單元，降低硅膠成本，取消人工作業，提高裝配效率，提升產線過程保障能力。

前端蓋的作用

前端蓋安裝于發動機曲軸前端，并固定至機身上，前端蓋的主要作用有以下三方面：

1）用于發動機前端密封，防止因曲軸飛濺潤滑導致機油外漏。

2）前端蓋內安裝曲軸前油封，防止曲軸前端機油外漏。

3）為油底殼裝配提供安裝面。

以下主要闡述設計開發一套前端蓋自動涂膠及裝配單元，并對其技術原理及性能指標進行論述，詳細說明裝配單元的創新性和技術特點。

技術原理、性能指標

通過設計制作WP9H/WP10H/WP10.5H機型全系列前端蓋自動涂膠及裝配單元，實現前端蓋的自動涂膠及裝配。用ABB機器人作為動作載體，采用視覺檢測技術實現膠線質量檢測[2]，利用GRACO供膠系統實現硅膠的控制，運用PLC技術實現整體動作和流程的控制，同時設計機器人浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配協同作業結構，實現前端蓋的自動裝配（見圖2）。

為滿足前端蓋的自動涂膠及裝配，該單元具備以下功能：

1）智能輸送機構，應用仿形工裝，通過上料位、輸送位和抓取位，實現前端蓋的智能輸送，并通過氣缸實現輸送抓取位的前端蓋精準抓取。

2）機體定位機構，為保證裝配精度，消除托盤、輥道、支撐腿三者的裝配誤差，采用機體二次定位機構和托盤定位機構相配合的方式，實現發動機的精準定位，確保前端蓋裝配一致性。

3）自動抓取及涂膠，機器人攜帶浮動裝置，可根據路徑進行定點抓取，保證了夾緊的可靠性。同時，涂膠作業打破原有的工件固定機器人攜帶膠槍移動涂膠的模式，涂膠效果好、效率高。

4）自動裝配，采取輕量分布式三點接觸原理，通過前端蓋浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構，可以使前端蓋快速準確安裝到發動機機體端面。

5）視覺檢測[3]，采用邊沿檢測等工具實現涂膠軌跡的檢測，當涂膠軌跡不合格后會發出聲光報警，機器人停止工作，等待操作者人工處理確認后進行下一步工作。

技術創新性與先進性

1）依據前端蓋的裝配工藝，運用尼龍等新材料、仿形設計等新技術，設計智能輸送機構，可為其他同類型全自動裝配單元起到參考作用。

2）機械部分結構采用機體二次定位、托盤定位的協同方式，也借助輕量分布式三點接觸，設計出結構緊湊、性能優良的浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構（見圖3）。

3）根據裝配功能需求，編寫PLC控制程序、機器人程序、涂膠及供膠程序、分布式I/O模塊、輥道動作程序及HMI操作界面，實現各系統數據的互聯互通。

設計開發的前端蓋自動涂膠及裝配單元有如下6個創新點。

1.設計制作前端蓋智能輸送輥道

智能輸送輥道用于前端蓋的自動輸送，整個輸送輥道有10個工位，包含上料位、輸送位和抓取位，滿足生產線需求。

1）輸送輥道采用SEW電動機帶動鏈條傳動，利用三菱FR-D740-1.5K-CHT變頻器實現輸送電動機的頻率可調節（0～50Hz）。

2）設計前端蓋仿形工裝（見圖4），根據前端蓋外形尺寸進行仿形設計，確保前端蓋在輸送過程中的穩定。在輸送輥道的抓取位兩側安裝定位氣缸，確保端蓋定位的準確性，實現機器人的精準抓取。

3）輸送輥道具有安全報警防錯功能（見圖5），具備有無料檢測、工件過位報警、電動機過載報警等互鎖報警檢測功能。

2.設計制作硅膠供膠和涂膠系統。

前端蓋涂膠過程為機器人抓取工件移動進行涂膠，打破原有的工件固定機器人攜帶膠槍移動涂膠的固有模式，涂膠效果好、效率高。

1）采用GRACO供膠系統實現硅膠的控制（見圖6），膠量粗細、速度均可調，并增加缺膠、換膠報警檢測提示功能。

2）設計制作膠槍固定支架和膠嘴防護裝置。根據工作現場需求和機器人的有效工作半徑，利用鋁合金型材制作膠槍固定支架，為方便機器人涂膠軌跡的編程和示教，膠槍安裝支架實現角度可自由調節（30°～75°）。為了避免硅膠槍的氧化凝固，在涂膠槍下方安裝SMC升降氣缸，在氣缸頂端安裝硅膠專用潤滑油容器。當設備停止工作時氣缸伸出，硅膠專用潤滑油將涂膠槍淹沒，使涂膠槍與外界環境隔絕，避免涂膠槍的氧化凝固現象發生。

3.設計制作機體定位機構

由于托盤和輥道、支撐腿三者存在裝配間隙，無法實現機體的精準定位，設計制作機體二次定位機構，實現發動機的精準定位，確保前端蓋裝配一致性。

1）設計、安裝機體定位機構（見圖7），包括龍門支架、定位工裝、托盤定位氣缸2套及機體定位氣缸1套，對機體進行上下雙向定位，保證裝配的精度。

2）在機體輸送輥道下方安裝托盤二次定位裝置，實現對發動機托盤的定位。

3）在總裝線輸送輥道側方安裝機體定位裝置，從上方實現對發動機的精確定位，保證發動機裝配位置的精確性。

4.設計前端蓋浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構，實現前端蓋的自動抓取和裝配

（1）夾爪設計? 排除傳統增加接觸面積抓取的方式，改為輕量分布式三點接觸。根據前端蓋的形態，由于工件為非加工面，依據夾緊力計算公式，該夾具選擇仿形設計，增大了接觸面積的同時兼顧了輕量化，保證夾取的過程中夾緊力對工件穩定的夾緊，防止工件運動過程中脫落。

（2）浮動夾具? 主要由機器人連接盤、3根浮動導向桿、夾具固定板及中間內襯彈簧等組成（見圖8），能夠對前端蓋夾具起到壓縮作用。在夾具固定板上安裝旋轉氣缸和攜帶制作的浮動夾爪，能夠實現對發動機前端蓋進行夾緊攜帶。在機器人末端安裝該浮動夾具，在裝配時能夠解決受力不均影響的裝配一致性等問題。

（3）浮動裝置? 機器人連接盤和連接浮動導向桿，將固定板應用直線軸承連接至導向桿的另一端，連同壓裝氣缸都能兼顧壓縮量（浮動量有嚴格要求，不可隨意給定），機器人在抓取及裝配過程中，壓縮量根據動作狀態可進行微量調整，確保機器人在抓取夾爪受力均勻，裝配時前端蓋受力均勻。

（4）機器人攜帶浮動裝置? 在抓取過程中，可根據路徑進行定點抓取（見圖9），浮動裝置可對抓取的動作起到緩沖支撐的作用，保證了夾緊的可靠性。浮動量選小了，輸出的支撐力不夠，不能夠保證夾爪受力均勻；浮動量過大，成本增高且不能起到足夠的緩沖作用。因此，根據工件的特性采用分布式三點支撐，依據工件的重量，計算選擇內襯彈簧從而對工件起到足夠的緩沖及支撐。

（5）機器人夾具上攜帶脈沖式頻率敲擊裝配機 構在機器人到達定點裝配位置時，裝配機構配合夾爪松開動作，開始對前端蓋進行脈沖式頻率敲擊裝配，保證了裝配時前端蓋受力均勻，裝配位置精確。

5.設置電氣控制程序，實現PLC、機器人、視覺系統、涂膠系統及輸送線體之間的信號交互和數據通信功能

1）機器人動作程序主要由取料程序、涂膠程序、裝配程序等組成，當機器人需要進行相應工作時，PLC（6ES7215-1AG40-0XB0）會自動發出相應代碼，實現各種動作程序的自動調用和選擇。

2）設置機器人工件坐標系和工具坐標系，示教機器人的動作軌跡，利用偏移、比較、賦值等指令實現機器人動作軌跡的快速動作和示教。編寫機器人中斷程序、一鍵回原位程序，進行機器人過載、碰撞報警參數和工作區域設定等，使機器人具有安全防護、區域互鎖、一鍵回原位等功能。

3）建立機器人與PLC之間的數據通信，實現機器人與PLC之間信號交互功能。編寫信號通信程序，進行各模塊的硬件組態，實現機器人、視覺系統、供膠系統、分布式I/O模塊及輸送線體之間的信號通信和動作控制。編寫輸送輥道及定位裝置的動作程序，實現前端蓋的自動輸送、機體的精確定位、機型的自動識別等功能。

4）制作HMI操作界面實現各動作的手動/自動動作，實現整個動作流程的可視化，人工操作的簡單化、故障診斷的快速化，且各動作之間具有安全互鎖功能。

6.采用視覺技術實現涂膠軌跡檢測

1）安裝視覺檢測相機，編寫通信程序實現視覺相機和PLC、機器人之間的數據通信，涂膠完成后機器人抓取前端蓋到檢測位進行自動拍照檢測。

2）采用邊沿檢測等工具實現涂膠軌跡的檢測，檢測合格后機器人繼續工作進行端蓋裝配；檢測不合格后會發出聲光報警，機器人停止工作，等待操作者人工處理確認后進行下一步工作。

結語

設計制作前端蓋自動涂膠及裝配單元，包含機器人、智能輸送機構、機體二次定位、托盤定位機構、浮動夾具、涂膠及供膠系統、脈沖式頻率敲擊裝配機構及視覺檢測及智能控制系統等結構。通過智能輸送裝置，前端蓋輸送至取料位、進/排氣彈簧及上座自動排序后輸送至取料位（組合件）。機體二次定位和托盤定位裝置配合實現發動機的精確定位。利用ABB機器人搭載浮動夾具和脈沖式頻率敲擊裝配機構，借助輕量分布式三點接觸功能，浮動夾具一次抓取一個前端蓋，同時GRACO硅膠供膠和涂膠系統，通過機器人抓取工件移動進行軌跡定點涂膠。其中脈沖式頻率敲擊裝配機構，實現前端蓋的智能裝配，并具備檢測功能，防止膠線不合格。

發動機前端蓋自動涂膠及裝配單元的開發及應用，提升工序作業時間21s，效率提升23.3%，裝試綜合返工率降為0PPM。同時，自動涂膠及裝配單元中用到的智能輸送、自動抓取及放置、仿形技術、浮動夾具和脈沖式頻率敲擊技術、二次定位及視覺檢測等技術可應用于裝備制造業生產線自動化、智能化升級改造工程。這些技術的廣泛應用可以更好地促進裝備制造行業的工作質量提高，可以促進裝備制造企業的市場競爭力提高，也能更好地促進我國裝備制造業的發展進步[4]。

參考文獻

[1] 梅雪川，葛光軍等.涂膠機器人技術現狀與發展趨勢[J].現代制造技術與裝備，2016（1）：159-160.

[2] 王亞運.基于機器視覺的機器人涂膠質量在線檢測技術研究[D].哈爾濱工業大學，2015.

[3] 栗海兵. 涂膠機器人控制系統研制及其視覺定位系統研究[D].哈爾濱工業大學，2010.

[4] 陳怡竹.工業機器人在汽車智能制造生產線中的應用[J].內燃機與配件，2019（21）：255-256.