可翻轉式輥道在發(fā)動機裝配線的應用

裝配線輥道作為發(fā)動機托盤流轉的承載及驅動裝置，是柔性裝配系統(tǒng)的最基本組成單元。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，發(fā)動機的裝配線系統(tǒng)向著柔性化、智能化方向發(fā)展。發(fā)動機的裝配、運輸和入庫以及零件物流拉動、上線和安裝，通過輥道系統(tǒng)優(yōu)化設計可形成一個環(huán)形封閉運輸鏈。相比單獨配備轉運人員與物流通道規(guī)劃，輥道系統(tǒng)結合自行小車形成的運輸鏈，人員需求更少、系統(tǒng)化集成控制程度更高且響應時間更短。目前行業(yè)內(nèi)已出現(xiàn)一種完全拋棄傳統(tǒng)輥道，采用AGV小車模塊化集成裝配的方案，工位間的工具配置與配送物流差異進一步減少，手工工位間的裝配內(nèi)容可實現(xiàn)完全互換，工藝排布更加簡單，系統(tǒng)的柔性化程序進一步提高。隨著技術的發(fā)展，自行小車類非傳統(tǒng)輥道將會得到更廣泛的應用。

相比AGV及RGV小車等新技術，傳統(tǒng)摩擦滾輪輥道依然是發(fā)動機裝配線的中堅力量。目前國內(nèi)發(fā)動機裝配線大量配備摩擦輥道，由于其結構簡單、投資成本低、最大程度地實現(xiàn)了非同步輸送、系統(tǒng)運行可靠和行程度高等特點，進行產(chǎn)能擴充時，摩擦輪輥道仍是大多數(shù)廠家的第一選擇。

典型的摩擦滾輪輥道

摩擦滾輪輥道基本設計理念為實現(xiàn)發(fā)動機非同步輸送，即發(fā)動機到裝配工位后自動停止，員工完成裝配內(nèi)容后，人工控制放行。工位間托盤放行控制獨立，在緩沖足夠的情況下，局部輥道設備故障不影響整線輸出。每個工位托盤會自動停止，工位托盤的自動停止由傳感器到位輸出信號，阻擋氣缸接收信號上升。輥道運輸系統(tǒng)在生產(chǎn)啟動前啟動，輥道持續(xù)運轉直到生產(chǎn)完成。

1.結構原理

摩擦滾輪是輥道轉矩傳遞部件，輥道的輸送動力來源于電動機。電動機經(jīng)過減速機調(diào)速后，轉矩傳遞到滾輪上，滾輪與托盤直接接觸，托盤由摩擦力控制前行。由于電動機持續(xù)運轉，托盤需要周期性停放，為防止托盤停止時電動機出現(xiàn)過載，滾輪與輸出軸間通過摩擦片連接，即托盤停止時，滾輪與電動機輸出軸間出現(xiàn)“打滑”情況。摩擦片結構有多種，通常采用設計為兩種：一種為滾輪和輸入軸直接通過摩擦片連接(見圖1);另一種為連接輸出軸與輸入軸鏈輪機構采用摩擦片結構(見圖2)，軸與滾輪之間通過銷傳遞轉矩，可通過彈簧調(diào)整摩擦力大小。

2.基本組成

典型摩擦滾輪輥道線運行速度約18m/min，線體設計載重根據(jù)托盤及發(fā)動機總重決定。汽油發(fā)動機裝配線通常設計為2～3個環(huán)路，其中缸蓋分裝線單獨一個環(huán)路，主線設計為1～2個環(huán)路。中小排量汽油發(fā)動機的缸蓋分裝線設計載重約為250kg，主線輥道載重約為700kg。

輥道結構通常設計為約1m或2m的標準輥道模塊，每個模塊采用單獨的動力驅動，多個模塊組合成為裝配系統(tǒng)。標準的輥道模塊采用單邊電動機驅動，兩側滾輪通過動力連接軸傳遞轉矩，單側滾輪間動力傳輸通常采用鏈傳動與錐齒輪傳動兩種形式。

輥道作為裝配線載體單元，通常集成常用的電氣控制單元與數(shù)據(jù)讀寫單元：控制模塊通常安裝于外側，便于檢查維修;輥道中部安裝托盤位置傳感器;自動站工位輥道需要額外增加鏡面反射傳感器，配合托盤上面的鏡面使用，用于確認進站發(fā)動機的姿態(tài)是否正確;數(shù)據(jù)讀寫單元主流采用射頻技術，分為讀寫器與數(shù)據(jù)塊，其中讀寫器安裝在輥道側面與輥道中部，數(shù)據(jù)塊與托盤隨行。

輥道底部用于放置設備頂升翻轉單元，用于自動站工位精確定位。輥道最下方通用用于布置封閉橋架，橋架內(nèi)布置輥道系統(tǒng)幾乎所有線纜氣管，通常動力線、控制線和氣管分開放置。

基本機構

發(fā)動機的部分零件由于產(chǎn)品設計機構原因，需要將零件翻轉一定角度后進行裝配，傳統(tǒng)輥道解決方案為在輥道下方增加獨立的頂升翻轉機構?？煞D式摩擦輪輥道為傳統(tǒng)摩擦輪輥道的專業(yè)化設計應用，其主要設計思路為將頂升機構、翻轉機構集成到輥道上，從而將設備機構與輥道更緊密地聯(lián)系在一起，基本機構如圖3所示。

對比傳統(tǒng)輥道，翻轉輥道具有以下優(yōu)點：結構簡化，頂升不需增加專用立柱機構;可在輥道上增加新的壓緊限位，頂升氣缸行程控制更準確;增加壓緊限位后，可實現(xiàn)零件更大角度翻轉;可將定位頂升翻轉機構定位基準轉換，由托盤零件基準變更為產(chǎn)品零件基準，提升定位精度;基準轉換，消除托盤底面磨損帶來的定位誤差;輥道與頂升翻轉機構集成，減少設備在現(xiàn)場精確定位工作，縮短調(diào)試時間。

在缸蓋分裝線的應用

發(fā)動機氣門鎖夾壓裝是發(fā)動機裝配線缸蓋分裝線的關鍵工位，其中單槽機構氣門鎖夾裝配在各發(fā)動機制造廠有著成熟的工藝與設備制備技術。為改善氣門在燃燒室中熱負荷的影響，提升氣門壽命與工作性能，各主機廠開始逐步推廣使用三槽氣門鎖夾機構。產(chǎn)品結構上的設計優(yōu)化帶來裝配工藝的變化，對裝配設備也提出了新的要求。

三槽氣門鎖夾壓裝是一種復雜的裝配工藝，要實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，設備需要智能化設計，如自動頂升翻轉技術、零件自動上料技術、壓緊技術、伺服控制技術和防錯檢測技術等。我公司柳州工廠為滿足三槽鎖夾壓裝工藝要求，通過招標新增兩臺半自動鎖夾裝機，為提升設備壓裝機精度，提升設備壓裝合格率，采用了翻轉輥道結構。

1.鎖片壓裝的產(chǎn)品要求

鎖片壓裝時需將鎖片凸起與氣門槽口對齊，以我公司自主開發(fā)N系列發(fā)動機為例：氣門桿凹槽處外徑D=3.91±0.07mm，鎖片凸起內(nèi)徑d=3.98 +0.180 ，由公差計算可知徑向最小間隙為0，因此鎖夾裝配到位后，鎖夾內(nèi)部不與氣門桿接觸，即氣門在鎖片圓周方向不受約束，可自由旋轉。氣門在燃燒室的氣流沖擊下自由旋轉，從而改善氣門在燃燒室中熱負荷的影響。

鎖片裝配軸向偏差是影響鎖片裝配合格率的關鍵，分析零件極限公差配合間隙：氣門桿尺寸處于下差，鎖片尺寸處于上差，且氣門與鎖片在圓周方向間隙為0的情況下，氣門與鎖夾在軸向方向的最大偏差為0.1mm。因此在一批零件處于極限公差，工件定位公差超出0.1mm時，鎖片裝配100%不合格，表現(xiàn)形式為鎖片與氣門錯槽甚至出現(xiàn)零件損壞情況。

2.翻轉結構設計要求

如圖4所示，發(fā)動機的氣門安裝在缸蓋的導管中，其中導管中心線與缸蓋底面成一定角度，鎖夾氣門槽口相互嚙合，氣門彈簧座通過彈簧壓縮力鎖緊鎖夾。為保證鎖夾垂直壓裝，頂升翻轉機構翻轉缸蓋一定角度后使氣門處于垂直向上狀態(tài)。垂直壓裝具有兩個優(yōu)點：消除零件重力影響，保證兩片鎖片位置一致性;可以使用一列壓頭完成進排兩列氣門鎖夾壓裝，有效地減少了壓頭數(shù)量，降低了成本。單列壓頭完成兩列氣門鎖夾壓裝，頂升翻轉機構的旋轉軸需要根據(jù)產(chǎn)品特性設計：旋轉軸中心點為進排氣門導管中心線的虛擬交點，如圖5所示。

3.翻轉輥道的基準轉換

缸蓋分裝線滾輪與托盤底面直接摩擦接觸，缸蓋放置在托盤上，頂升翻轉機構與托盤直接接觸。傳統(tǒng)輥道與翻轉輥道頂升翻轉機構均采用一面兩銷形式，但二者的定位基準選取不同。由于空間局限，16氣門缸蓋鎖片壓裝通常設計成4個壓頭排列結構。水平定位尺寸精度在定位銷孔不磨損的情況下，定位精度可通過單個壓頭變距補償，且定位銷與軸套為易損件，在此主要分析垂直方向由于基準選取不同帶來的定位精度變化。

如圖6所示，傳統(tǒng)滾道的定位面使用托盤底面為定位基準，托盤底面直接與滾輪接觸，長期磨損的情況下，托盤精度將逐步降低。

翻轉輥道的定位面更改為缸蓋上表面，采用缸蓋，此時托盤底面轉化為壓緊面。鎖夾壓裝機的壓裝基準通常選定缸蓋上表面，進排氣的鎖夾壓裝深度通常不一致，采用伺服電動機精確控制壓裝深度。由于缸蓋上表面通常存在用于CNC加工基準孔，用于加工缸體缸蓋結合面，為進一步提升定位精度，可采用缸蓋上表面基準孔為頂升翻轉機構的定位孔。

由圖8、圖9可知，翻轉輥道采用缸蓋上表面定位，由于定位基準與壓裝基準重合，從而消除了托盤厚度公差影響。托盤厚度加工公差通常保證為0.05mm，因此整體定位精度提升0.05mm，同時能消除后續(xù)不可避免的托盤底面磨損帶來的定位誤差。0.05mm的定位誤差占據(jù)了前面分析最大偏差的50%，針對零件處于極限公差的情況：采用翻轉輥道定位精度提升了50%。

4.翻轉輥道應用安全防護要求

翻轉輥道由于運行期間整體運動，輥道的剪切傷害需要特別防護。翻轉輥道與普通輥道配合使用能夠有效消除翻轉輥道機械傷害。圖10是我公司三槽鎖夾壓裝機采用的設備布局，普通輥道起到存儲緩沖、隔絕機械傷害的作用，翻轉輥道整體處于防護網(wǎng)中。

5.應用效果

我公司裝配一期生產(chǎn)線已投入使用近10年，托盤出現(xiàn)不同程度磨損，若采用普通輥道結構，設備定位精度不足，設備合格率只能達到約85%。通過設計優(yōu)化，采用翻轉輥道技術，設備投入使用后，壓裝合格率穩(wěn)定在95%，有效滿足了產(chǎn)品大批量生產(chǎn)。

輥道系統(tǒng)的發(fā)展

發(fā)動機裝配線系統(tǒng)正在向著更智能化、柔性化的方向發(fā)展：信息控制系統(tǒng)不斷推陳出新將產(chǎn)品建造信息、人員的溝通響應和設備的糾錯報警等信息流更緊密地聯(lián)系到一起;視覺類新技術依靠高精度識別效果，在防錯及零件抓取定位方面得到不斷應用，有效地消除了人工失誤，減輕了人員的工作強度;機器人的大批量應用正在不斷取代原有的擰緊及裝配類專機，有效地提升了裝配線生產(chǎn)柔性;作為基體的輥道系統(tǒng)也需不斷提升發(fā)展，從而有效承載新技術應用。本文所提到的翻轉輥道可應用于更大氣門傾角的缸蓋零件裝配，在發(fā)動機需要傾斜的工位有著更廣泛的應用。翻轉輥道可針對不同的工位應用做出更多創(chuàng)新應用，例如實現(xiàn)輥道360°旋轉，用于鋪設空間多層輥道;使發(fā)動機與地面呈現(xiàn)額定角度，人機工程改善。

結語

翻轉輥道的應用需要根據(jù)各工廠的實際需要決定，針對舊線改造且零件裝配精度高的情況，采用翻轉輥道提高設備的定位精度是一種行之有效的方法。