摘要：以摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門組件的裝配為研究對(duì)象，分析了用于回轉(zhuǎn)式機(jī)器人柔性裝配工作站的裝配工藝規(guī)劃，并對(duì)其中關(guān)鍵的氣門鎖片裝配及裝配質(zhì)量檢測(cè)進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞：裝配；機(jī)器人；自動(dòng)化
1引言
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，要求企業(yè)具有較大的靈敏性和適應(yīng)性，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本已成為企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。裝配作業(yè)是制造過程中形成產(chǎn)品的后置工序，裝配質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品性能有直接的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品的裝配工作量占整個(gè)產(chǎn)品工作量的30%～70%，所需人力約占熟練勞動(dòng)力的40%，裝配成本約占產(chǎn)品成本的25%～70%，裝配時(shí)間約占產(chǎn)品總生產(chǎn)時(shí)間的20%～50%，而在實(shí)際生產(chǎn)中，裝配作業(yè)的自動(dòng)化程度卻遠(yuǎn)低于其它作業(yè)的自動(dòng)化水平，成為提高生產(chǎn)率的主要制約因素。對(duì)此，國外制造業(yè)中普遍采用了機(jī)器人技術(shù)。利用機(jī)器人的識(shí)別、定位、檢測(cè)、補(bǔ)償、避碰等功能和它的柔順裝配技術(shù)，可以大幅度提高生產(chǎn)柔性和生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。
機(jī)器人自動(dòng)裝配技術(shù)近年來已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在摩托車工業(yè)中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門組件的裝配因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件小而多，要求高，人工裝配勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝配質(zhì)量不宜保證。采用機(jī)器人自動(dòng)裝配對(duì)于保證氣門組件的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)率的提高有較大意義。
2缸蓋氣門組件的裝配工藝
2.1裝配工藝流程
摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門組件如圖1所示，進(jìn)排氣門結(jié)構(gòu)形狀相同，運(yùn)動(dòng)形式一樣，不同的是進(jìn)氣門頭部尺寸較大。在安裝氣門時(shí)，氣門桿斜著穿過氣道，穿上彈簧等附件，然后裝上氣門鎖片。鎖片呈兩個(gè)半圓錐形狀，利用彈簧上座圈的錐面把鎖片擠死。氣門彈簧布置在彈簧上下座圈之間，一般采用兩個(gè)外徑不同的彈簧，且旋向相反(便于氣門自由轉(zhuǎn)動(dòng))。氣門座圈與氣門頭錐面配合，起密封和散熱的作用。
圖1氣門組件結(jié)構(gòu)圖
取其中關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行工藝規(guī)劃，參考原人工裝配工藝，結(jié)合機(jī)器人自動(dòng)裝配特點(diǎn)，擬定裝配流程如下：上氣缸裝氣門導(dǎo)桿翻轉(zhuǎn)裝彈簧下座裝氣門彈簧裝彈簧上座裝氣門鎖片檢測(cè)下氣缸。
其中，由于氣門鎖片體積小、形狀不規(guī)則，難于定向和夾持，故采用人工方式將氣門鎖片與彈簧上座預(yù)先裝在一起；另外，氣門導(dǎo)管為固定件。
2.2回轉(zhuǎn)式機(jī)器人柔性裝配工作站
為適應(yīng)自動(dòng)化及產(chǎn)品多樣化的要求，采用回轉(zhuǎn)式機(jī)器人柔性裝配工作站進(jìn)行裝配，如圖2所示。回轉(zhuǎn)式機(jī)器人柔性裝配工作站主要由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、機(jī)器人、裝配及檢測(cè)轉(zhuǎn)機(jī)、供料裝置組成，用一個(gè)三菱FX2-128MR可編程控制器(PLC)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制［1］。裝配工作臺(tái)分六個(gè)工位，用來完成氣門組件的裝配工作(兩氣門已在前道工序裝好)，其裝配工序是：
圖2機(jī)器人柔性裝配工作站
1.直角坐標(biāo)機(jī)器人 2.缸蓋供料線 3.彈簧下座裝配專機(jī) 4.彈簧下座供料器 5.彈簧裝配專機(jī) 6.彈簧供料器 7.SCARA機(jī)器人 8.彈簧上座供料裝量 9.檢測(cè)專機(jī) 10.成品出料線
1＃工位用SRX-4XB直角坐標(biāo)機(jī)器人1將氣缸蓋放入工作臺(tái)上的夾具內(nèi)夾緊；2＃、3＃工位，用裝配專機(jī)3、5分別裝兩氣門彈簧下座、內(nèi)外彈簧；4＃工位用一臺(tái)SRX-4CH型SCARA機(jī)器人7裝兩氣門鎖緊和彈簧上座。5＃為檢測(cè)工位，用檢測(cè)專機(jī)9確定裝配質(zhì)量是否合格；6＃為分檢工位，先松開夾具，再用1＃工位的直角坐標(biāo)機(jī)器人1取出成品，送到合格品或不合格品的出口處10。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是由單相交流異步電機(jī)，通過電磁離合器、
蝸輪蝸桿減速器、槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在撥銷出入槽口處裝有接近傳感器進(jìn)行雙向位置檢測(cè)。工作臺(tái)的定位采用粗、精定位插銷。在1＃、6＃工位的下方的兩個(gè)固定支架上分別裝有氣缸，控制夾具體上的夾緊偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)夾緊或松開工件。在各個(gè)裝配工位上，亦裝有氣缸，控制夾具翻轉(zhuǎn)至合適裝配角度。另外，2、4、6、8供料裝置上裝有光電開關(guān)，用來監(jiān)控供料狀況。
3夾具及夾持器設(shè)計(jì)
3.1隨行夾具及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
進(jìn)、排氣門之間成一定角度傾斜布置，可增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量、提高排氣效率，但由于SCARA機(jī)器人只適于垂直方向裝配，故需要轉(zhuǎn)動(dòng)裝置在裝配過程中使兩氣門交替置于垂直位。另外，還需要夾具能自動(dòng)夾緊且保證自鎖，在工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不致松開。此裝置用于氣門附件、鎖片裝配的夾緊及翻轉(zhuǎn)，1＃～6＃工位使用。裝配圖如圖3所示。
圖3摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)隨行夾具裝配簡(jiǎn)圖
1.工件 2.定位板 3.底板 4.齒輪齒條機(jī)構(gòu) 5.隨行夾具
此裝置預(yù)先安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上。在1＃工位，機(jī)器人將工件垂直放下，裝在定位板上，用軸、銷配合工件底部一面兩孔定位。裝好后，氣門頂隨行夾具推桿，夾緊工件并自鎖。在2＃、3＃、4＃、5＃工位，氣缸推齒輪齒條機(jī)構(gòu)至兩側(cè)擋塊位置，帶動(dòng)定位板旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)裝配所要求的26°和29°工作位置。在底板上，裝有三個(gè)彈簧銷，中部的彈簧銷用于定位板水平定位；兩側(cè)的彈簧銷在26°和29°傾斜裝配時(shí)用于穩(wěn)定定位板。
3.2夾持器設(shè)計(jì)
鎖片的裝配因其體積小、裝配空間小、裝配力大，是較困難的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，下面將主要針對(duì)鎖片裝配所需夾持器做一介紹。在氣門組件的裝配中，鎖片的裝配一般采用壓力機(jī)將內(nèi)外彈簧壓下，然后用人工裝配，效率低，裝配質(zhì)量難于保證。考慮到以上因素，用一般的夾緊型夾持器已很難滿足要求，故考慮用磁吸式夾持器。其裝配圖如圖4。
圖4夾持器簡(jiǎn)圖
1.磁鐵 2.伸縮桿 3.彈簧 4.鋼筒 5.調(diào)整螺釘 6.上蓋 7.連接螺釘
考慮到鎖片的體積小，將其與氣門彈簧上座預(yù)先裝好，置于供料臺(tái)上。夾持器通過連接螺釘與機(jī)器人末端相連，其中心與氣門彈簧上座中心對(duì)準(zhǔn)后放下，這時(shí)伸縮桿起定位作用。磁鐵可用永久磁鐵與鋼筒過渡配合(也可用電磁鐵)。因工件被吸上后僅和A面接觸而不與磁鐵直接接觸，故可以避免工作環(huán)境不潔、磁鐵沾上鐵屑而引起誤差。隨后，夾持器吸附著工件至工作位置，伸縮桿與氣門桿中心對(duì)準(zhǔn)。在放下的過程中，伸縮桿首先與氣門桿接觸后收縮至合適位置，型腔B控制兩夾鎖夾的程度，然后，夾持器上升，工件在內(nèi)外彈簧作用下上升，直至鎖片與氣門桿上凹槽配合鎖緊，裝配完成。
4裝配在線檢測(cè)
鎖片裝配質(zhì)量是保證整個(gè)氣門組件裝配質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，因此，本裝配系統(tǒng)的在線檢測(cè)項(xiàng)目為利用光纖傳感器檢查氣門鎖片是否到位。根據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)，鎖片位置可能出現(xiàn)以下幾種情況，如圖5所示。
圖5鎖片裝配狀態(tài)圖
a.正確位置 b.鎖片丟失 c.右鎖片卡死 d.左鎖片卡死 e.左鎖片彈出 f.右鎖片彈出
探測(cè)桿直徑30mm，末端裝有兩對(duì)同軸直徑3mm的發(fā)光管和接受管，探測(cè)桿安裝在機(jī)器人末端。探測(cè)時(shí)隨機(jī)器人末端下行，當(dāng)接觸到彈簧上座的端面時(shí)，壓合
微動(dòng)開關(guān)，檢測(cè)電路開始工作。
5結(jié)束語
本項(xiàng)課題已通過“863”計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域512主題專家驗(yàn)收。用工作臺(tái)、裝配機(jī)器人和PLC等部件構(gòu)成的裝配系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠，為機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)的檢測(cè)、控制、調(diào)試、修改提供了很大方便。其六工位回轉(zhuǎn)式機(jī)器人柔性裝配工作站亦適合于一定范圍內(nèi)的不同產(chǎn)品、不同工藝要求、不同批量自動(dòng)裝配的需要，有較好的應(yīng)用價(jià)值。
基金項(xiàng)目：國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(863-512-05-07)
作者簡(jiǎn)介：王衛(wèi)民(1972-)，男，河南衛(wèi)輝人，華南理工大學(xué)博士研究生。
作者單位：王衛(wèi)民（華南理工大學(xué) 機(jī)電工程系，廣東 廣州510641）
邵明（華南理工大學(xué) 機(jī)電工程系，廣東 廣州510641）
李軍（華南理工大學(xué) 機(jī)電工程系，廣東 廣州510641）
參考文獻(xiàn)：
［1］謝存禧，湯祥州，邵明.回轉(zhuǎn)式機(jī)器人柔性裝配工作站的研究.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1998(5)：27～29
