平衡轴热压装配设备的研发与设计

【摘 要】近几年，随着汽车行业市场需求的不断扩大，我国汽车工业发展势头强劲，越来越多的高质量、高水平的自动化装配与检测设备被研发出来，应用于汽车零部件的制造过程中，从而达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的。本文重点阐述了一台用于某型号发动机平衡轴组件自动装配与检测的全自动化设备的研发与设计。该设备自动化程度高，操作维护方便，可大大提高效率，减少成本，保证产品的生产质量及一致性。

【关键词】平衡轴；自动；装配单元；控制

1.平衡轴的作用及结构说明

平衡轴简单说是一个装有偏心重块并随曲轴同步旋转的轴，利用偏心重块所产生的反向振动力，使发动机获得良好的平衡效果，降低发动机振动。本设备所生产的某型号平衡轴主要包括如下部分：

平衡轴组件包含：平衡轴、铝套、链轮、垫片四个部分组成（如图1示）。

2.装配工艺要求

（1）铝套、垫片与平衡轴为间隙配合，由人工手动放入。

（2）链轮与平衡轴为过赢配合，要求将链轮加热至160℃后压配装入，压入过程要求有压入力及压入行程的监控信息。

（3）链轮压入后要求链轮与平衡轴重心平面的夹角为26.8°±0.5°。

（4）压配结束后要求零件温度要冷却至50℃以下，便于人工下料及包装。

（5）压入链轮后铝套与平衡轴之间的轴向窜动量为0.25mm～0.5mm。

3.设备技术方案及工艺流程设计

3.1工作站生产节拍：30秒

3.2工作站工艺流程

3.3工作站布置图

3.4设备组成及结构

☆总成装配单元：

采用八工位分度转台形式工作站，平衡轴链轮通过传送带传输，机械手自动上料，通过伺服旋转机构及视觉系统实现角向定位，加热后，由伺服移载机械手送到压装位置，并通过伺服压装机构实现齿轮/链轮的压装。

冷却装置采用压缩空气向工件快速吹风进行冷却，为确保冷却效果，设备在三个工位同时对工件进行吹气冷却。检测机构采用气缸及直线导向机构带动位移传感器对套筒轴向间隙进行检测。设备配置TELESIS激光打标机在工件表面打印标记。

☆控制系统：

采用德国西门子PLC控制整个系统的动作过程，配备声、光报警装置；人机界面选用德国西门子OP操作屏，用于实时监控、调试操作及数据输入。

电气控制设计自动和手动控制程序。具有完善、可靠的联锁、互锁及安全保护、停电状态保持功能。

☆气控系统：

元器件采用德国Festo产品。气源接口处设空气过滤器（气动三联件），控制器由阀岛组成。

4.重点工艺的解决方案

4.1链轮角度定向方案

为保证链轮与平衡轴压装后角度满足工艺要求（26.8°±0.5°），且链轮在人工上料工位上料时操作人员的上料姿态是随机的，因此链轮在移载至压装工位前需要将链轮上的机械识别特征自动调整到对应位置，本设备采用一套视觉系统和一套伺服系统合并使用，来完成此功能。

PLC与伺服控制器采用Profibus-DP总线控制形式，视觉系统通过以太网与PLC通讯，视觉系统与伺服系统的工作流程如下：

步骤一：控制机械手将链轮从传输线移载至伺服电机上的工装。

步骤二：视觉系统拍照计算出标记点与目标位置之间夹角。

步骤三：根据视觉系统提供的夹角，PLC计算出伺服所需要转动的角度，控制伺服转动。

步骤四：视觉系统重新拍照计算与目标角度的差值，如超出公差重复步骤三，如在公差范围内执行下一步骤。

步骤五：将链轮抓到加热工位内。

4.2链轮压装方案

链轮与平衡轴上没有设计压装导入用的倒角，因此在压装前，对链轮与平衡轴的中心对正精度要求很高。同时，在链轮移载过程以及压装过程中，链轮的角度需要保证没有偏移，这对工程设计增加了一定的难度，体现在几个方面：

a.转盘工位的分度器误差无法满足压装的对中精度要求。

b.链轮在视觉工位将角度定向完成后，后续需要完成加热、移载、压装等多个移动环节，角度需要保证不发生偏移。

c.压装过程中需要监控压力、位移、压装时间等生产信息。

为了解决上述问题，本方案采取了如下措施：

a.为排除转盘到位后由分度器误差产生的平衡轴定位误差，在压装工位下方增设了二次举升定位机构，该机构与转盘分离，与压机框架安装为一体，能够充分保证托盘定位精度，确保平衡轴对中位置准确。

b.在移载机械手、加热座、压头机构上，均设计了定位销或定位锁死机构，使链轮在移载过程中角度始终处于锁死状态，不会发生角度偏转，影响压装质量。

c.压装机构采用了伺服压机的方案，伺服压机可以精准控制压装深度和压装力，并可以记录压装过程的全部追溯信息。同时可以通过设定压装力阀值、压装位移阀值、压装时间阀值来实现设备报警和保护功能。

5.研发总结

平衡轴热压装配设备目前已经交付国内某知名汽车零部件生产商用于批量生产，实际生产使用验证了设计方案稳定、可靠，压装精度及检测数据均完全符合工件图纸及工艺要求。设备生产节拍为28秒，全设备生产运行只需要一名操作人员即可，且由于具有良好的人机界面，对操作人员进行基本的使用培训即可完全掌握设备操作方法。同时，鉴于原型号平衡轴的成功试生产，经过二次研发及改造，该设备目前已能够兼容国内三大汽车品牌的平衡轴产品，生产换型通过快换承载工件的托盘及电脑切换生产工件的型号即可，换型时间仅需10分钟。为使用方带来了巨大的经济效益。