发动机前端盖自动涂胶及装配单元的开发及应用

吴连伟 甘洋洋 栾建伟 张鹏 乔华强 代志勇 王立琪

摘要：装配生产线前端盖的装配工作为人工装配，装配之前操作者在前端盖上手动涂硅胶，涂胶完成后人工将前端盖装配到发动机上，劳动强度大。设计制作端盖自动涂胶及装配单元，包含机器人、智能输送机构、机体二次定位、托盘定位机构、浮动夹具、涂胶和供胶系统、脉冲式频率敲击装配机构、视觉检测及智能控制系统等结构，机体二次定位和托盘定位装置配合实现发动机的精确定位。利用ABB机器人搭载浮动夹具和脉冲式频率敲击装配机构，借助轻量分布式三点接触功能实现端盖的自动抓取、柔性涂胶和智能装配，采用视觉技术实现对硅胶胶线质量检测。前端盖自动涂胶及装配单元应用后，工序生产效率提升23.3%，质量一致性100%。

关键词：智能输送；自动抓取；仿形设计；视觉检测；智能装配

近几年，涂胶自动化已渐渐成为趋势，我国在工业机器人领域所涉及的机器人技术、仿真技术与离线编程、信息传感及智能控制等方面进行了大量研究，并对多项重点技术进行了攻关[1]。WP9H/WP10H/WP10.5H智能装配生产线前端盖装配工序为人工装配，操作者在装配之前首先在前端盖侧面手动涂硅胶，涂胶完成后人工将前端盖装配到发动机端面上（见图1）。

具体装配作业内容及步骤如下：

1）操作者利用9in（1in=25.4mm）经典半圆式涂胶枪在前端盖装配面手动涂硅胶。

2）涂胶完成后操作者利用铜锤将前端盖装配到发动机端面的定位销上。由于前端盖与发动机机体定位销为过盈配合，在装配过程中需操作者利用铜锤进行敲击装配。

存在问题如下：

1）每个前端盖的质量约为3kg，操作者每天需手动拿取1200kg，劳动强度大。

2）人工手动涂胶，胶线轨迹和胶量控制不标准，增加成本且产品质量无法保障。

针对以上问题，自主设计开发发动机前端盖自动涂胶及装配单元，降低硅胶成本，取消人工作业，提高装配效率，提升产线过程保障能力。

前端盖的作用

前端盖安装于发动机曲轴前端，并固定至机身上，前端盖的主要作用有以下三方面：

1）用于发动机前端密封，防止因曲轴飞溅润滑导致机油外漏。

2）前端盖内安装曲轴前油封，防止曲轴前端机油外漏。

3）为油底壳装配提供安装面。

以下主要阐述设计开发一套前端盖自动涂胶及装配单元，并对其技术原理及性能指标进行论述，详细说明装配单元的创新性和技术特点。

技术原理、性能指标

通过设计制作WP9H/WP10H/WP10.5H机型全系列前端盖自动涂胶及装配单元，实现前端盖的自动涂胶及装配。用ABB机器人作为动作载体，采用视觉检测技术实现胶线质量检测[2]，利用GRACO供胶系统实现硅胶的控制，运用PLC技术实现整体动作和流程的控制，同时设计机器人浮动夹具和脉冲式频率敲击装配协同作业结构，实现前端盖的自动装配（见图2）。

为满足前端盖的自动涂胶及装配，该单元具备以下功能：

1）智能输送机构，应用仿形工装，通过上料位、输送位和抓取位，实现前端盖的智能输送，并通过气缸实现输送抓取位的前端盖精准抓取。

2）机体定位机构，为保证装配精度，消除托盘、辊道、支撑腿三者的装配误差，采用机体二次定位机构和托盘定位机构相配合的方式，实现发动机的精准定位，确保前端盖装配一致性。

3）自动抓取及涂胶，机器人携带浮动装置，可根据路径进行定点抓取，保证了夹紧的可靠性。同时，涂胶作业打破原有的工件固定机器人携带胶枪移动涂胶的模式，涂胶效果好、效率高。

4）自动装配，采取轻量分布式三点接触原理，通过前端盖浮动夹具和脉冲式频率敲击装配机构，可以使前端盖快速准确安装到发动机机体端面。

5）视觉检测[3]，采用边沿检测等工具实现涂胶轨迹的检测，当涂胶轨迹不合格后会发出声光报警，机器人停止工作，等待操作者人工处理确认后进行下一步工作。

技术创新性与先进性

1）依据前端盖的装配工艺，运用尼龙等新材料、仿形设计等新技术，设计智能输送机构，可为其他同类型全自动装配单元起到参考作用。

2）机械部分结构采用机体二次定位、托盘定位的协同方式，也借助轻量分布式三点接触，设计出结构紧凑、性能优良的浮动夹具和脉冲式频率敲击装配机构（见图3）。

3）根据装配功能需求，编写PLC控制程序、机器人程序、涂胶及供胶程序、分布式I/O模块、辊道动作程序及HMI操作界面，实现各系统数据的互联互通。

设计开发的前端盖自动涂胶及装配单元有如下6个创新点。

1.设计制作前端盖智能输送辊道

智能输送辊道用于前端盖的自动输送，整个输送辊道有10个工位，包含上料位、输送位和抓取位，满足生产线需求。

1）输送辊道采用SEW电动机带动链条传动，利用三菱FR-D740-1.5K-CHT变频器实现输送电动机的频率可调节（0～50Hz）。

2）设计前端盖仿形工装（见图4），根据前端盖外形尺寸进行仿形设计，确保前端盖在输送过程中的稳定。在输送辊道的抓取位两侧安装定位气缸，确保端盖定位的准确性，实现机器人的精准抓取。

3）输送辊道具有安全报警防错功能（见图5），具备有无料检测、工件过位报警、电动机过载报警等互锁报警检测功能。

2.设计制作硅胶供胶和涂胶系统。

前端盖涂胶过程为机器人抓取工件移动进行涂胶，打破原有的工件固定机器人携带胶枪移动涂胶的固有模式，涂胶效果好、效率高。

1）采用GRACO供胶系统实现硅胶的控制（见图6），胶量粗细、速度均可调，并增加缺胶、换胶报警检测提示功能。

2）设计制作胶枪固定支架和胶嘴防护装置。根据工作现场需求和机器人的有效工作半径，利用铝合金型材制作胶枪固定支架，为方便机器人涂胶轨迹的编程和示教，胶枪安装支架实现角度可自由调节（30°～75°）。为了避免硅胶枪的氧化凝固，在涂胶枪下方安装SMC升降气缸，在气缸顶端安装硅胶专用润滑油容器。当设备停止工作时气缸伸出，硅胶专用润滑油将涂胶枪淹没，使涂胶枪与外界环境隔绝，避免涂胶枪的氧化凝固现象发生。

3.设计制作机体定位机构

由于托盘和辊道、支撑腿三者存在装配间隙，无法实现机体的精准定位，设计制作机体二次定位机构，实现发动机的精准定位，确保前端盖装配一致性。

1）设计、安装机体定位机构（见图7），包括龙门支架、定位工装、托盘定位气缸2套及机体定位气缸1套，对机体进行上下双向定位，保证装配的精度。

2）在机体输送辊道下方安装托盘二次定位装置，实现对发动机托盘的定位。

3）在总装线输送辊道侧方安装机体定位装置，从上方实现对发动机的精确定位，保证发动机装配位置的精确性。

4.设计前端盖浮动夹具和脉冲式频率敲击装配机构，实现前端盖的自动抓取和装配

（1）夹爪设计  排除传统增加接触面积抓取的方式，改为轻量分布式三点接触。根据前端盖的形态，由于工件为非加工面，依据夹紧力计算公式，该夹具选择仿形设计，增大了接触面积的同时兼顾了轻量化，保证夹取的过程中夹紧力对工件稳定的夹紧，防止工件运动过程中脱落。

（2）浮动夹具  主要由机器人连接盘、3根浮动导向杆、夹具固定板及中间内衬弹簧等组成（见图8），能够对前端盖夹具起到压缩作用。在夹具固定板上安装旋转气缸和携带制作的浮动夹爪，能够实现对发动机前端盖进行夹紧携带。在机器人末端安装该浮动夹具，在装配时能够解决受力不均影响的装配一致性等问题。

（3）浮动装置  机器人连接盘和连接浮动导向杆，将固定板应用直线轴承连接至导向杆的另一端，连同压装气缸都能兼顾压缩量（浮动量有严格要求，不可随意给定），机器人在抓取及装配过程中，压缩量根据动作状态可进行微量调整，确保机器人在抓取夹爪受力均匀，装配时前端盖受力均匀。

（4）机器人携带浮动装置  在抓取过程中，可根据路径进行定点抓取（见图9），浮动装置可对抓取的动作起到缓冲支撑的作用，保证了夹紧的可靠性。浮动量选小了，输出的支撑力不够，不能够保证夹爪受力均匀；浮动量过大，成本增高且不能起到足够的缓冲作用。因此，根据工件的特性采用分布式三点支撑，依据工件的重量，计算选择内衬弹簧从而对工件起到足够的缓冲及支撑。

（5）机器人夹具上携带脉冲式频率敲击装配机 构在机器人到达定点装配位置时，装配机构配合夹爪松开动作，开始对前端盖进行脉冲式频率敲击装配，保证了装配时前端盖受力均匀，装配位置精确。

5.设置电气控制程序，实现PLC、机器人、视觉系统、涂胶系统及输送线体之间的信号交互和数据通信功能

1）机器人动作程序主要由取料程序、涂胶程序、装配程序等组成，当机器人需要进行相应工作时，PLC（6ES7215-1AG40-0XB0）会自动发出相应代码，实现各种动作程序的自动调用和选择。

2）设置机器人工件坐标系和工具坐标系，示教机器人的动作轨迹，利用偏移、比较、赋值等指令实现机器人动作轨迹的快速动作和示教。编写机器人中断程序、一键回原位程序，进行机器人过载、碰撞报警参数和工作区域设定等，使机器人具有安全防护、区域互锁、一键回原位等功能。

3）建立机器人与PLC之间的数据通信，实现机器人与PLC之间信号交互功能。编写信号通信程序，进行各模块的硬件组态，实现机器人、视觉系统、供胶系统、分布式I/O模块及输送线体之间的信号通信和动作控制。编写输送辊道及定位装置的动作程序，实现前端盖的自动输送、机体的精确定位、机型的自动识别等功能。

4）制作HMI操作界面实现各动作的手动/自动动作，实现整个动作流程的可视化，人工操作的简单化、故障诊断的快速化，且各动作之间具有安全互锁功能。

6.采用视觉技术实现涂胶轨迹检测

1）安装视觉检测相机，编写通信程序实现视觉相机和PLC、机器人之间的数据通信，涂胶完成后机器人抓取前端盖到检测位进行自动拍照检测。

2）采用边沿检测等工具实现涂胶轨迹的检测，检测合格后机器人继续工作进行端盖装配；检测不合格后会发出声光报警，机器人停止工作，等待操作者人工处理确认后进行下一步工作。

结语

设计制作前端盖自动涂胶及装配单元，包含机器人、智能输送机构、机体二次定位、托盘定位机构、浮动夹具、涂胶及供胶系统、脉冲式频率敲击装配机构及视觉检测及智能控制系统等结构。通过智能输送装置，前端盖输送至取料位、进/排气弹簧及上座自动排序后输送至取料位（组合件）。机体二次定位和托盘定位装置配合实现发动机的精确定位。利用ABB机器人搭载浮动夹具和脉冲式频率敲击装配机构，借助轻量分布式三点接触功能，浮动夹具一次抓取一个前端盖，同时GRACO硅胶供胶和涂胶系统，通过机器人抓取工件移动进行轨迹定点涂胶。其中脉冲式频率敲击装配机构，实现前端盖的智能装配，并具备检测功能，防止胶线不合格。

发动机前端盖自动涂胶及装配单元的开发及应用，提升工序作业时间21s，效率提升23.3%，装试综合返工率降为0PPM。同时，自动涂胶及装配单元中用到的智能输送、自动抓取及放置、仿形技术、浮动夹具和脉冲式频率敲击技术、二次定位及视觉检测等技术可应用于装备制造业生产线自动化、智能化升级改造工程。这些技术的广泛应用可以更好地促进装备制造行业的工作质量提高，可以促进装备制造企业的市场竞争力提高，也能更好地促进我国装备制造业的发展进步[4]。

参考文献

[1] 梅雪川，葛光军等.涂胶机器人技术现状与发展趋势[J].现代制造技术与装备，2016（1）：159-160.

[2] 王亚运.基于机器视觉的机器人涂胶质量在线检测技术研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[3] 栗海兵. 涂胶机器人控制系统研制及其视觉定位系统研究[D].哈尔滨工业大学，2010.

[4] 陈怡竹.工业机器人在汽车智能制造生产线中的应用[J].内燃机与配件，2019（21）：255-256.