后桥壳密封胶施胶数控四轴施胶机的开发研制

丁刚强

(柳州五菱汽车工业有限公司制造工程部，广西 柳州 545007)

以“胶”代“垫”制造工程技术在各行业正逐步推广应用，无数的应用实践证明密封胶及其以胶代垫工艺的可靠性良好，如汽车发动机、变速箱、后桥壳、油船舶管系等的装配连接的密封以及装配螺栓锁紧防松等都可以采用密封胶，防止润滑油、燃料油、水、气的泄漏和螺栓的松动。汽车底盘系统的后驱动桥中的后桥壳中间法兰面与减速器总成装配结合面的密封胶施胶关键技术和数控四轴施胶机的开发研制项目的完成，有助于防止齿轮润滑油、燃料油、水、气的泄漏和螺栓松动的“以“胶”代“垫”制造技术在各行业的推广和应用，为汽车行业的配套生产提供了先进制造装备。有效地解决了人工手动施胶劳动强度大、施胶不均匀、质量难以保证、胶料浪费大的缺陷问题。

1 立项依据

1.1 目的意义

目前，以“胶”代“垫”制造工程技术，正在各行业正逐步推广，如中汽胶业的C 1406硅酮密封胶成功在康明斯发动机上实现“以胶代垫”工艺，1998年5月通过道路实验，行驶里程达6万多千米，密封部位无任何泄漏，证明密封胶及其以“胶”代“垫”工艺的可靠性良好。1999年9月对50台康明斯发动机下线生产，现场试验无泄漏，投入使用后未发现油底壳泄漏品质事故，因此密封胶及以“胶”代“垫”工艺，完全满足康明斯发动机平面密封的要求。

汽车发动机、变速箱、后桥壳、油底壳、孔盖、船舶管系等的装配连接的密封，以及装配螺栓锁紧防松等，都可以采用密封胶，防止润滑油、燃料油、水、气的泄漏和螺栓的松动。

密封胶和胶粘剂在汽车上还可用于折边胶、隔振胶、点焊密封胶、焊缝密封胶、挡风玻璃密封胶、内饰用胶等。一部汽车用胶量在20 kg左右。其作用表现在解决“三漏”问题，还有增强结构、隔热减振、内外装饰、简化工艺、减小总质量、节能降耗、延长使用寿命等。

柳州五菱汽车工业有限公司的汽车后驱动桥产量极大，日产3000件以上。汽车后驱动桥装配过程中的后桥壳中间法兰面与减速器总成装配结合面的施胶工艺，是完全人工完成的，且自开始生产后桥直到现在，都沿用相同的工艺。据悉，目前所有汽车后桥生产厂家的后桥壳中间法兰面与减速器总成装配结合面施胶，一直是完全人工手动完成。柳州五菱公司生产制造部制造工程部也曾与密封胶供应商协商，采用一体化供胶的方式(供应商配自动施胶设备及密封胶，落地结算)，考虑到各种因素，一直未能实施。应客户的要求，公司将“后桥壳密封胶施胶机”项目进行招标，五年来没有公司能中标，因为存在以下问题难以跨越：

（1）速度问题。人工10～15 s完成定位、出胶、旋转施胶、收胶几个动作,这些动作一气呵成，不用间断，用机器人智能模仿速度是个大问题；

（2）夹具问题。后桥壳上线后在输送线上的工装托盘上，靠“V”支撑扶位外圆定位，由于生产线上的工装托盘有很多，且工装在生产线上随线体的差速器链滚动而浮动，导致夹具定位精度很难控制；

（3）密封胶水控制精度问题。人工操作人眼可以直观判断，根据后桥壳零件的定位情况增加或减少胶量，机器要实现智能化自动调整，以适应后桥壳零件的各种工况。

1.2 国内外同类产品和技术情况

经过查阅有关教材、著作、文献和进行网上搜索的科技查新，未发现船舶管系及汽车底盘等密封胶数控四轴施胶关键技术和装备的应用信息。

1.3 市场预测和发展趋势

随着“以胶代垫”制造技术在各行业的逐步推广，对密封胶数控施胶技术和装备的需求会逐步增多。本项目开发研制的后桥壳密封胶施胶机实际用于柳州五菱汽车工业有限公司的五菱N 200、N 300、CN 100系列及同类后桥产品的装配过程中在线施胶。

更换夹具和重编施胶程序后，设备可用于汽车发动机、变速箱、油底壳、孔盖、船舶管系等的装配连接的密封，以及装配螺栓锁紧防松等密封胶施胶。如：船舶管系中的不锈钢通岸接头一（图1）和船舶管系中的不锈钢通岸接头二（图2）。

图1 船舶管系中的不锈钢通岸接头一

图2 船舶管系中的不锈钢通岸接头二

2 开发内容和技术关键

本项目具体研究开发内容如下：

（1）设备名称：后桥壳密封胶施胶机；

（2）设备数量：1台；

（3）设备用途：用于五菱 N 200、N 300、CN 100系列及同类后桥产品的装配过程中在线施胶，对桥壳中间大法兰面及绕8颗螺栓施胶；

（4）生产节拍：15 s/件；

（5）施胶类型：邦德587（半干密封胶）胶；

（6）施胶工艺要求：密封胶绕8颗螺栓根部，并在桥壳法兰端面中部涂上一圈胶，要求施胶连续、均匀，并符合节拍要求。

图3 施胶前的后桥壳

图4 施胶后的后桥壳

2.2 项目特色和创新点

（1）工艺方面。施胶工艺要求密封胶绕8颗螺栓根部，并在后桥壳中间大法兰端面中部涂上一圈胶，要求施胶连续、均匀，并符合节拍要求。施胶定量胶柱直径控制在Ф 2.1～2.3 mm之间。

本项目完成有助于防止润滑油、燃料油、水、气的泄漏和螺栓松动的“以胶代垫”制造技术在各行业的推广和应用，解决了人工手动施胶劳动强度大、施胶不均匀、品质难以保证、胶料浪费大的问题。

（2）装备方面。为船舶、汽车等行业的配套生产提供了先进制造装备。

3 技术路线

整机由供胶机构、施胶机构（压力缸与施胶机构）、电气控制系统与支架共4个部分组成，采用X、Y、Z、R四轴机械运动结构，工业计算机控制，操作人员通过手工编程方式，将程序输入工业控制计算机，由工业控制计算机控制设备完成整个施胶过程。

3.1 供胶机构

（1）胶桶采用标准胶桶，供胶采用伺服电机，使胶桶压力增加，达到恒定压力出胶（供胶与出胶同步），并保持出胶均匀。

（2）供胶系统具备流量调节功能，改变压力缸内压力的大小和胶阀打开的时间及机器运行的速度，可改变实际施胶量的多少。因机器由电脑控制，压力缸内压力由精密调压阀控制，其出胶量和速度可根据工作需要任意调整。

3.2 施胶机构

由四轴运动部件，出胶嘴及定位检测装置等组成。

（1）施胶机构设计单个出胶嘴配合机械运动一起完成后桥壳的施胶，采用高精度定位传感器（CCD）进行施胶过程的起点定位，光电传感器进行倾斜度程序补偿。施胶嘴由X、Y、Z轴进行位置定位，螺栓位置由R轴电机带动施胶嘴绕螺栓360°旋转，完成螺栓上的施胶，施胶完成。

图5 施胶嘴

（2）待机位设置密封油槽，工作回位后出胶口自动浸入油池，防止出胶口氧化，并可更换一次性出胶嘴，机器操作界面具备点动出胶功能，便于清除废胶。

（3）夹具。采用夹具，将产品（后桥）定位在V型卡槽内，每种每个产品的摆放位置在夹具位置上摆放误差不得超过5 mm，且应尽可能的摆放平整，各个产品不能有太大的倾斜度，以减少电脑的整体运算时间，提高机器的工作效率。

（4）在施胶过程中，要求施胶定量胶柱直径控制在Ф 2.1～2.3 mm之间（可根据要求进行调节），具有施胶定量功能。

（5）要求施胶均匀，美观，施胶过程无断胶现象。

（6）施胶完成后，设备具有胶嘴自动断胶机构，防止胶嘴抬升后出现粘连、拉扯胶条现象。

（7）压力缸内高压空气与胶体完全密闭，无空气渗入胶体内部，避免胶体变质。

3.3 电气控制系统

由工业计算机控制系统完成整个施胶轨迹，电气互锁。胶桶缺胶自动报警装置，防止施胶过程中出现断胶现象。电气部分的主要配置是：

（1）控制系统——工业计算机；

（2）定位系统——CCD（工业定位相机）；

（3）倾斜度检测系统——高精度光电传感器；

（4）机器运动机构——伺服电机，高精度滚珠丝杆。

3.4 安全装置

设计双手按钮启动开关，保证操作人员安全。

4 操作流程及控制原理

4.1 操作流程

操作人员将工件定位，工件自动流入施胶位，工件到达工位后，机器检测到工件到位，机器X、Y轴机械臂运动，进行工件定位，工件定位完成，Z轴，R轴同时运动，完成工件的施胶工作（工件在施胶过程中如有漏胶或断胶的现象，须由人工将胶水补充）。

4.2 电气控制原理及步骤

电气控制原理及步骤如图6所示。

图6 电气控制原理图

5 控制系统软件

5.1 软件性能参数

（1）软件名称：自动施胶机控制系统软件。

（2）软件数量：1套。

（3）软件用途：用于四轴施胶机X、Y、Z、R轴的运动控制、CCD定位、倾斜度检测差补运动修正，完成点/施胶功能。

（4）软件反应时间：3 s内所有定位、检测动作全部运算完成。

（5）软件类型：独立式操作软件包，安装于Windows 98/XP系统操作平台上运行。

（6）软件性能要求：软件具有储蓄，程序调用功能，所设定程序参数并可一起储蓄。运动控制精度、定位精度、重复精度在0.02mm内，操作简单，运行稳定，动作连惯性强，机器运行速度可设定，不能因软件自身的问题而产生系统死机的现象。软件要达到以下功能：

一是CCD定位，工作起点自动修正。

二是走直线、斜线运动控制，单点运动控制，圆及圆弧差补运动控制。

三是高度检测，位置记忆，倾斜度计算，X、Y、Z轴运动差补修正控制。

四是I/O信号输入输出功能。

5.2 软件操作界面

机器运动部份由X、Y、Z、R四轴组成，检测部分由CCD相机，接近开关组成，点/施胶部分由供胶桶，施胶阀组成，软件通过辅助硬件（计算机，运动控制卡，数据采集卡等）与机器连接，完成各部件的运动控制功能。软件操作界面分为标准操作界面和非标操作界面两种，标准操作界面可直接在界面上输入数值，完成控制的编程工作。非标操作界面可通过计算机绘图软件输入轨迹图形，软件生成运动轨迹，也可在软件操作界面通过鼠标及电脑键盘绘出电脑轨迹。

图7 标准界面运动轨迹

图8 非标界面运动轨迹

6 设备动作及工艺原理

6.1 机器运动模式

（1）机器 X、Y、Z、R 轴由伺服电机带动，X、Y、Z轴由软件控制完成三维空间的运动，R轴固定在Z轴上面，通过软件控制在XY平面的设定位置，完成360°的旋转运动。

（2）CCD装配在Z轴侧边，不随Z轴上下运动，由XY轴带动，由软件控制完成起点定位功能。

（3）高度检测元件由检测开关，上下运动气缸组成，由气缸运动实现与施胶阀的高低落差，Z轴带动上下运动，当检测开关输入出信号时，Z轴停止运动，软件自动记忆Z轴位置，通过两次不同的高低落差，完成倾斜度计算补偿等功能。

（4）点施胶阀安装于Z轴上，由Z轴带动上下运动，R轴带动施胶头作360°旋转，当需要施胶和旋转时，软件按设定程序自动实现各自功能。

（5）供胶系统由压力供胶，在操作界面上有开胶功能按钮，并有信号输出功能。

6.2 外设硬件组成

（1）主控机台——普通计算机（主机，显示器，鼠标，键盘）；

（2）CCD——工业摄像机（WAT-902 H 3）；

（3）运动控制卡——固高（GT 400控制卡1块，接线端子板1块）；

（4）数据采集卡——创科图像采集卡。

6.3 驱动机构

驱动电机——伺服电机，步进电机+驱动器；驱动方式——脉冲型。

6.4 安全装置

设计双手按钮启动开关功能。

6.5 操作流程

操作人员将工件定位，工件自动流入施胶位，工件到达工位后，机器检测到工件到位，机器X、Y轴机械臂运动，进行工件定位，工件定位完成，Z轴，R轴同时运动，完成工件的施胶工作。

7 结束语

后桥壳密封胶施胶数控四轴施胶机开发研制成功，解决了长期困扰着的密封胶人工施胶品质不高，容易造成齿轮油泄漏的问题，与人工手动施胶相比，节省了胶料，减少了各种不同类型胶料对人和环境的影响。这一台的研制成功，标志这后桥壳密封胶施胶工艺发生了创新性的改变，施胶品质将上升一个台阶，在这一工序达到行业领先水平，并具有很高的推广使用价值。

[1]张广军.机器视觉[M].北京：科学出版社，2005.

[2]王凤蕴，等.数控原理与典型数控系统[M].北京：高等教育出版社，2008.