摘要：以摩托车发动机缸盖气门组件的装配为研究对象，分析了用于回转式机器人柔性装配工作站的装配工艺规划，并对其中关键的气门锁片装配及装配质量检测进行了研究。
关键词：装配；机器人；自动化
1引言
随着市场竞争日益激烈，产品更新换代速度加快，要求企业具有较大的灵敏性和适应性，缩短产品开发周期、提高产品质量、降低生产成本已成为企业生存和发展的关键。装配作业是制造过程中形成产品的后置工序，装配质量对产品性能有直接的影响。统计结果表明，现代机电产品的装配工作量占整个产品工作量的30%～70%，所需人力约占熟练劳动力的40%，装配成本约占产品成本的25%～70%，装配时间约占产品总生产时间的20%～50%，而在实际生产中，装配作业的自动化程度却远低于其它作业的自动化水平，成为提高生产率的主要制约因素。对此，国外制造业中普遍采用了机器人技术。利用机器人的识别、定位、检测、补偿、避碰等功能和它的柔顺装配技术，可以大幅度提高生产柔性和生产率，缩短生产周期，保证产品质量，降低成本。
机器人自动装配技术近年来已在各个领域得到广泛应用。在摩托车工业中，发动机缸盖气门组件的装配因其结构复杂，零件小而多，要求高，人工装配劳动强度大，装配质量不宜保证。采用机器人自动装配对于保证气门组件的装配质量和生产率的提高有较大意义。
2缸盖气门组件的装配工艺
2.1装配工艺流程
摩托车发动机缸盖气门组件如图1所示，进排气门结构形状相同，运动形式一样，不同的是进气门头部尺寸较大。在安装气门时，气门杆斜着穿过气道，穿上弹簧等附件，然后装上气门锁片。锁片呈两个半圆锥形状，利用弹簧上座圈的锥面把锁片挤死。气门弹簧布置在弹簧上下座圈之间，一般采用两个外径不同的弹簧，且旋向相反(便于气门自由转动)。气门座圈与气门头锥面配合，起密封和散热的作用。
图1气门组件结构图
取其中关键装配环节进行工艺规划，参考原人工装配工艺，结合机器人自动装配特点，拟定装配流程如下：上气缸装气门导杆翻转装弹簧下座装气门弹簧装弹簧上座装气门锁片检测下气缸。
其中，由于气门锁片体积小、形状不规则，难于定向和夹持，故采用人工方式将气门锁片与弹簧上座预先装在一起；另外，气门导管为固定件。
2.2回转式机器人柔性装配工作站
为适应自动化及产品多样化的要求，采用回转式机器人柔性装配工作站进行装配，如图2所示。回转式机器人柔性装配工作站主要由旋转工作台、机器人、装配及检测转机、供料装置组成，用一个三菱FX2-128MR可编程控制器(PLC)进行协调控制［1］。装配工作台分六个工位，用来完成气门组件的装配工作(两气门已在前道工序装好)，其装配工序是：
图2机器人柔性装配工作站
1.直角坐标机器人 2.缸盖供料线 3.弹簧下座装配专机 4.弹簧下座供料器 5.弹簧装配专机 6.弹簧供料器 7.SCARA机器人 8.弹簧上座供料装量 9.检测专机 10.成品出料线
1＃工位用SRX-4XB直角坐标机器人1将气缸盖放入工作台上的夹具内夹紧；2＃、3＃工位，用装配专机3、5分别装两气门弹簧下座、内外弹簧；4＃工位用一台SRX-4CH型SCARA机器人7装两气门锁紧和弹簧上座。5＃为检测工位，用检测专机9确定装配质量是否合格；6＃为分检工位，先松开夹具，再用1＃工位的直角坐标机器人1取出成品，送到合格品或不合格品的出口处10。旋转工作台是由单相交流异步电机，通过电磁离合器、蜗轮蜗杆减速器、槽轮机构驱动，在拨销出入槽口处装有接近传感器进行双向位置检测。工作台的定位采用粗、精定位插销。在1＃、6＃工位的下方的两个固定支架上分别装有气缸，控制夹具体上的夹紧偏心轮转动，自动夹紧或松开工件。在各个装配工位上，亦装有气缸，控制夹具翻转至合适装配角度。另外，2、4、6、8供料装置上装有光电开关，用来监控供料状况。
3夹具及夹持器设计
3.1随行夹具及翻转机构设计
进、排气门之间成一定角度倾斜布置，可增加发动机进气量、提高排气效率，但由于SCARA机器人只适于垂直方向装配，故需要转动装置在装配过程中使两气门交替置于垂直位。另外，还需要夹具能自动夹紧且保证自锁，在工作台转动过程中不致松开。此装置用于气门附件、锁片装配的夹紧及翻转，1＃～6＃工位使用。装配图如图3所示。
图3摩托车发动机随行夹具装配简图
1.工件 2.定位板 3.底板 4.齿轮齿条机构 5.随行夹具
此装置预先安装在回转工作台上。在1＃工位，机器人将工件垂直放下，装在定位板上，用轴、销配合工件底部一面两孔定位。装好后，气门顶随行夹具推杆，夹紧工件并自锁。在2＃、3＃、4＃、5＃工位，气缸推齿轮齿条机构至两侧挡块位置，带动定位板旋转，实现装配所要求的26°和29°工作位置。在底板上，装有三个弹簧销，中部的弹簧销用于定位板水平定位；两侧的弹簧销在26°和29°倾斜装配时用于稳定定位板。
3.2夹持器设计
锁片的装配因其体积小、装配空间小、装配力大，是较困难的一个环节，因此，下面将主要针对锁片装配所需夹持器做一介绍。在气门组件的装配中，锁片的装配一般采用压力机将内外弹簧压下，然后用人工装配，效率低，装配质量难于保证。考虑到以上因素，用一般的夹紧型夹持器已很难满足要求，故考虑用磁吸式夹持器。其装配图如图4。
图4夹持器简图
1.磁铁 2.伸缩杆 3.弹簧 4.钢筒 5.调整螺钉 6.上盖 7.连接螺钉
考虑到锁片的体积小，将其与气门弹簧上座预先装好，置于供料台上。夹持器通过连接螺钉与机器人末端相连，其中心与气门弹簧上座中心对准后放下，这时伸缩杆起定位作用。磁铁可用永久磁铁与钢筒过渡配合(也可用电磁铁)。因工件被吸上后仅和A面接触而不与磁铁直接接触，故可以避免工作环境不洁、磁铁沾上铁屑而引起误差。随后，夹持器吸附着工件至工作位置，伸缩杆与气门杆中心对准。在放下的过程中，伸缩杆首先与气门杆接触后收缩至合适位置，型腔B控制两夹锁夹的程度，然后，夹持器上升，工件在内外弹簧作用下上升，直至锁片与气门杆上凹槽配合锁紧，装配完成。
4装配在线检测
锁片装配质量是保证整个气门组件装配质量的重要环节，因此，本装配系统的在线检测项目为利用光纤传感器检查气门锁片是否到位。根据分析和实验，锁片位置可能出现以下几种情况，如图5所示。
图5锁片装配状态图
a.正确位置 b.锁片丢失 c.右锁片卡死 d.左锁片卡死 e.左锁片弹出 f.右锁片弹出
探测杆直径30mm，末端装有两对同轴直径3mm的发光管和接受管，探测杆安装在机器人末端。探测时随机器人末端下行，当接触到弹簧上座的端面时，压合微动开关，检测电路开始工作。
5结束语
本项课题已通过“863”计划自动化领域512主题专家验收。用工作台、装配机器人和PLC等部件构成的装配系统，结构简单，参数调节方便，抗干扰性强，工作可靠，为机器人柔性装配系统的检测、控制、调试、修改提供了很大方便。其六工位回转式机器人柔性装配工作站亦适合于一定范围内的不同产品、不同工艺要求、不同批量自动装配的需要，有较好的应用价值。
基金项目：国家“863”计划资助项目(863-512-05-07)
作者简介：王卫民(1972-)，男，河南卫辉人，华南理工大学博士研究生。
作者单位：王卫民（华南理工大学 机电工程系，广东 广州510641）
邵明（华南理工大学 机电工程系，广东 广州510641）
李军（华南理工大学 机电工程系，广东 广州510641）
参考文献：
［1］谢存禧，汤祥州，邵明.回转式机器人柔性装配工作站的研究.组合机床与自动化加工技术，1998(5)：27～29(end)
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