发动机缸盖十轴自动变位拧紧机构的设计研究_李涛.pdf

2 0 2 3年第9期发动机缸盖十轴自动变位拧紧机构的设计研究李 涛,苏立国(沈阳新松机器人自动化股份有限公司,辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 9)摘 要:发动机缸盖螺栓拧紧工作站是发动机装配线的重要设备之一,工艺要求严、资金投入大的特点导致越来越多的生产企业将缸盖拧紧设备列入柔性制造的研究课题。文章针对三种型号四缸发动机缸盖螺栓拧紧混线生产的需求,设计了一款缸盖十轴自动变位拧紧机构,详细介绍了自动变位机构的设计要点和主要结构,分析了电气控制原理及产品型号区分逻辑关系,节约了企业投资成本,提高了设备利用率,为汽车发动机装配线拧紧设备柔性化升级提供参考。关键词:发动机装配;螺栓拧紧;自动变位 中图分类号:U 4 6 4.2 3 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 4 0-0 3D e s i g na n dR e s e a r c ho nT e n-a x i sA u t o m a t i cS h i f tT i g h t e n i n gM e c h a n i s mf o rE n g i n eC y l i n d e rH e a dL iT a o,S uL i-g u o(S h e n y a n gS I A S UNR o b o t&A u t o m a t i o nC o.,L t d.L i a o n i n gS h e n y a n g1 1 0 1 6 9)A b s t r a c t:T h ee n g i n ec y l i n d e rh e a db o l t t i g h t e n i n gw o r k s t a t i o n i so n eo f t h e i m p o r t a n te q u i p m e n to f t h ee n-g i n ea s s e m b l y l i n e.T h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r i c tp r o c e s sr e q u i r e m e n t sa n dl a r g ec a p i t a l i n v e s t m e n th a v e l e dm o r ea n dm o r em a n u f a c t u r e r s t o i n c l u d e c y l i n d e rh e a d t i g h t e n i n ge q u i p m e n t a s a r e s e a r c ht o p i c f o r f l e x i b l em a n u f a c t u r-i n g.A i m i n ga t t h e r e q u i r e m e n t so fm i x e dp r o d u c t i o no f c y l i n d e rh e a db o l t t i g h t e n i n go f t h r e e t y p e s f o u r-c y l i n d e re n g i n e s,t h i sp a p e rd e s i g n s a t e n-a x i s a u t o m a t i c s h i f t i n g t i g h t e n i n gm e c h a n i s mf o r c y l i n d e rh e a db o l t s,a n d i n t r o-d u c e s t h ed e s i g np o i n t sa n dk e yt e c h n o l o g i e so f t h ea u t o m a t i cs h i f t i n gm e c h a n i s mi nd e t a i l.A n a l y z e dt h ee l e c t r i-c a l c o n t r o l p r i n c i p l ea n dt h e l o g i c a l r e l a t i o n s h i po fm o d e l d i s t i n c t i o n,s a v e dt h e i n v e s t m e n t c o s to f t h ee n t e r p r i s ea n di m p r o v e d t h eu t i l i z a t i o nr a t eo f e q u i p m e n t,a n dp r o v i d e da r e f e r e n c e f o r t h e f l e x i b l eu p g r a d eo f t h e t i g h t e n i n ge q u i p m e n to f t h ea u t o m o b i l ee n g i n ea s s e m b l y l i n e.K e yw o r d s:E n g i n ea s s e m b l y;B o l t t i g h t e n i n g;A u t o m a t i cs h i f t作者简介:李涛(1 9 8 5),男,学士学位,工程师,主要从事机器人、自动化方向研究。1 引言缸盖装配是发动机装配中最重要的工位之一,为了保证发动机装配质量,缸盖螺栓拧紧工艺要求所有螺栓必须同步拧紧,所以发动机装配线缸盖螺栓拧紧工位一般为满轴拧紧1-2。目前国内普遍采用的拧紧轴均为国外品牌,价格比较昂贵,因此缸盖螺栓拧紧工位往往需要巨大的资金投入3。随着发动机更新换代速度的不断加快,发动机生产设备也需要不断的升级,以满足不同型号发动机的混线生产需求,如何在同一台缸盖螺栓拧紧设备上完成不同型号发动机缸盖螺栓的拧紧,成为发动机生产企业研究的重要课题4-5。2 课题背景图1 发动机缸盖螺栓布局图某发动机生产企业规划建造直列四缸发动机装配线,计划生产A、B、C三种型号发动机,考虑到提高设备利用率和降低投资成本,要求缸盖螺栓十轴拧紧工作站同时兼容三种型号发动机。三种型号发动机缸盖螺栓规格一致,为M 1 2内十二花螺栓,但是螺栓拧紧工艺参数及螺栓间距不相同。根据发动机在装配线上的姿态,如图1所示,将水平方向螺栓之间的距离定义为X,垂直方向螺栓之间的距离定义为Y,三种型号发动机缸盖螺栓相关参数如表1所示。表1 发动机缸盖螺栓技术参数表型号距离mmXY拧紧工艺参数最终力矩(Nm)A8 39 4(2 32)Nm+(9 0 3)+(9 0 3)1 0 2-1 4 5B8 39 8(3 53)Nm+(9 02)+(9 02)1 0 4-1 5 6C9 11 0 34 0Nm+9 0 +9 0 [phone] 根据螺栓拧紧扭矩技术参数需求以及预留2 0%以上扭矩空间的客户要求,最终选择B O S H品牌VUK 2 D 1 8 6型号拧紧轴,E C马达为E C 3 0 4,行星齿轮为4 G E 5 9,测量传感器为4 DMC 1 6 0,额定扭矩工作范围为3 5-3 4 0 Nm,选择偏心输出头,拧紧轴对置排列最小中心距为5 7 mm,水平排列最小中心距为8 0 mm,满足兼容生产A、B、C三种型号发动机的空间和扭矩要求。04DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.028内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n3 机械结构设计3.1 设计要点分析基于发动机生产线的整体结构,发动机在随行夹具上处于中心对称状态,三种不同型号的发动机缸盖螺栓也处于中心对称状态,因此十轴拧紧自动变位机构同样需要设计为中心变位形式6,即以最中间两颗螺栓连线为对称Y轴,以两排螺栓的对称轴为X轴,X轴与Y轴的交点为原点,如图2所示。图2 三种型号发动机缸盖螺栓兼容布局图图2兼容方案显示,三种型号缸盖螺栓间距在X方向和Y方向都需要变位。由于A、B两种型号发动机在X方向间距一致,因此变位机构在X方向只需要一次变位,即:A型号向B型号切换时,X方向不需要变位;A、B型号向C型号切换时,X方向需要一次变位,间距值由8 3 mm变为9 1 mm。而X方向为以等差数列的方式变位,越靠近中心的螺栓变位越小,越远离中心的螺栓变位越大,即中心两颗螺栓在X方向不需要变位,靠近中心的两列螺栓向两侧变位8 mm,最外侧的两列螺栓向两侧变位1 6 mm。Y方向则为整排螺栓的整体变位,三种型号发动机对应不同的位置,即A、B、C三种型号发动机对应三个间距分别为9 4 mm、9 8 mm和1 0 3 mm。所以,如何在使用最少的动力源 情 况 下 实 现1 0根 拧 紧 轴 的 全 部 变 位 为 本 设 计 的要点。3.2 主要结构设计根据设计要点分析,X方向虽然以等差数列的方式变位,但是可以通过一次变位实现,所以采用气缸提供动力和凸轮机构传动方式来实现等差数列方式的间距变位;Y方向需要多个位置的切换,因此采用伺服电机提供动力和滚珠丝杠传动方式来实现Y方向的三个间距变位,自动变位机构如图3所示。图3 缸盖螺栓十轴自动变位拧紧机构图当发动机型号需要切换时,首先切换Y方向的位置。两套伺服电机通过滚珠丝杠分别带动5根拧紧轴完成Y方向变位,变位完成后检测传感器会反馈回完成信号,此时设置在Y方向直线导轨上的4组导轨钳制器会启动,保证拧紧轴在Y方向的位置准确性,同时抵抗拧紧系统因为拧紧螺栓导致的反力,避免滚珠丝杠和伺服电机承载过大的负载,由此可以降低伺服电机和滚珠丝杠的规格参数,在降低硬件成本的同时,还可以有效地延长关键零部件的使用寿命。X方向的位移改变通过带锁气缸和凸轮机构导板实现,结构如图4所示。当需要变位时,气缸通过伸缩运动带动凸轮机构导板做垂直运动,凸轮机构导板上的导槽引导与拧紧轴为一体的凸轮沿导槽运动,从而实现拧紧轴沿着左右方向变位,即X方向的变位。凸轮机构导板上4个凸轮导槽的倾斜角度不同,可以实现不同导槽内的凸轮在X方向具有不同的变位距离,从而实现一排拧紧轴按照等差数列方式变位。由于气体具有一定的压缩性,气缸活塞会在拧紧轴拧紧螺栓过程中因为活塞压缩空气而发生波动,影响拧紧轴的位置准确性,因此该气缸选择带锁的气缸,在X方向变位完成后,直接锁死气缸活塞,从而避免拧紧轴在X方向的波动误差。图4 变位机构X方向变位原理图变位机构在X方向和Y方向都为独立的变位,相互之间没有直接的干涉,因此通过X-Y变位组合,可以获得A、B、C三种型号发动机缸盖螺栓拧紧需要的位置姿态,从而实现三种型号姿态的全自动变位,满足三种型号发动机混线生产的需求。4 电气控制分析该变位机构通过P L C实现整体控制,控制构架分为执行层和信息层。执行层为直接控制伺服电机和气缸电磁阀的启动与停机,从而控制变位机构的执行动作;信息层为变位机构整体的状态信息,需要通过传感器来检测变位机构的位置状态,P L C通过这些信息来判断目前状态并发出后续作业命令。4.1 电气控制构架该变位机构的电气控制构架如图5所示。HM I实现人机交互及提供设备处于手动状态下时的操作命令输入接口;P L C控制自动变位整体结构,执行层控制伺服电机、气缸电 磁 阀,从 而 控 制 机 构 的 变 位 动 作;信 息 层 与142 0 2 3年第9期R F I D互通实现产品型号判定及生产数据的交互备份,与检测传感器互通实现变位机构的姿态确认,与安全模块和三色塔灯互通实现设备的状态管控;同时P L C与拧紧轴控制器产生信号交互,完成拧紧操作命令的下达及拧紧数据绑定与上传。图5 变位机构电气控制构架图因为该变位机构为自动变位机构,所以自动变位的动作在电气控制方面需要形成一个闭环,即变位结束后需要有一个确认信号反馈给控制P L C,以确定变位完成后的位置信息,因此在该套变位机构中设计了位置检测传感器,如图6所示。图6 变位机构传感器布局图变位机构整体分为上下两个部装,定义上部分为1方向,下部分为2方向,所以上部分拧紧轴在Y方向的变位定义为Y 1方向,X方向的变位定义为X 1方向;下部分拧紧轴在Y方向的变位定义为Y 2方向,X方向的变位定义为X 2方向,由此每种型号发动机对应的位置坐标可以通过X 1、X 2、Y 1、Y 2四个方向上的4组传感器来锁定。定义传感器检测到变位机构到位时发给P L C的电信号为1,未检测到变位机构到位时发给P L C的电信号为0,那么A、B、C三种型号发动机对应的自动变位机构传感器信号逻辑关系如表2所示。表2 自动变位机构传感器信号逻辑关系表型号X方向A(B)X 1C X 1A(B)X 2C X 2Y方向AY 1B Y 1C Y 1AY 2B Y 2C Y 2A1010100100B1010010010C0101001001 表2传感器信号逻辑关系,实现了该套自动变位机构在信息层对三种发动机对应的位置姿态的绑定与防错,从控制层保证了发动机型号和变位机构位置的正确对应关系。4.2 电气控制流程发动机生产线ME S系统下达产线生产任务后,P L C根据生产任务的产品型号控制变位机构自动调整拧紧轴位置姿态。P L C控制伺服电机动作,完成Y方向的位置变动,变动完成后Y方向检测传感器将检测信号反馈给P L C,P L C切换导轨钳制器的电磁阀,控制导轨钳制器完成Y方向位置锁死。P L C再切换气缸电磁阀完成气缸动作,完成X方向变位,变位完成后X方向检测传感器将检测信号反馈给P L C,P L C切换气缸锁的电磁阀,锁紧气缸活塞,实现X方向的位置锁定,至此完成变位机构的自动变位流程。当需要拧紧的工件由随行夹具送入工作站后,R F I D读写头会读取工件信息,判断工件型号及产品状态,并将信息上传P L C,P L C会将R F I D上传的信息与ME S下达的生产任务信息相比对,匹配一致,则与拧紧轴控制器交互开始作业的信息,拧紧轴按照当前产品型号的拧紧程序完成拧紧作业;匹配不一致,报警处理。5 结论本文成功的设计了一款能够兼容三种不同型号发动机缸盖螺栓的拧紧机构,不但实现了发动机生产企业对于不同型号发动机混线生产的要求,而且满足了发动机装配质量,极大的节约了企业的生产成本,提高了设备的利用率,符合当前工业4.0关于装备制造业智能化、柔性化的发展趋势7,对于发动机生产企业具有极大的应用前景和参考价值。参考文献:1 陈凯.边群星.柴油机缸盖全自动拧紧机设计及应用J.机床与液压.2 0 1 7.4 5(2 2):4 7-4 9.2段翔.金建新.柴油机缸盖螺栓拧紧方式探讨J.内燃机.2 0 0 3(0 3):3 7-3 9.3王力爽.发动机缸体1 0轴自动拧紧机设计研究J.机电信息.2 0 2 0(1 8):4 9-5 3.4李维.张杨等.缸盖凸轮轴瓦盖拧紧机拧紧扳手自动变位装置研发与设计J.汽车实用技术.2 0 1 2(0 5):9 8-1 0 1.5袁付贵.杨涛等.一种可变位螺栓拧紧装置机构设计J.组合机床与自动化加工技术.2 0 2 5(0 7):1 4 1-1 4 3.6郑劲松.柴油机缸盖螺栓拧紧工艺试验开发J.机械工程师.2 0 1 2(0 4):4 6-4 8.7李萍.李龙晶等.拧紧扳手凸轮轴自动变位装置研发与设计J.汽车实用技术.2 0 1 2(0 5):1 1 4-1 1 6.24