摘要：以摩托車發動機缸蓋氣門組件的裝配為研究對象，分析了用于回轉式機器人柔性裝配工作站的裝配工藝規劃，并對其中關鍵的氣門鎖片裝配及裝配質量檢測進行了研究。
關鍵詞：裝配；機器人；自動化
1引言
隨著市場競爭日益激烈，產品更新換代速度加快，要求企業具有較大的靈敏性和適應性，縮短產品開發周期、提高產品質量、降低生產成本已成為企業生存和發展的關鍵。裝配作業是制造過程中形成產品的后置工序，裝配質量對產品性能有直接的影響。統計結果表明，現代機電產品的裝配工作量占整個產品工作量的30%～70%，所需人力約占熟練勞動力的40%，裝配成本約占產品成本的25%～70%，裝配時間約占產品總生產時間的20%～50%，而在實際生產中，裝配作業的自動化程度卻遠低于其它作業的自動化水平，成為提高生產率的主要制約因素。對此，國外制造業中普遍采用了機器人技術。利用機器人的識別、定位、檢測、補償、避碰等功能和它的柔順裝配技術，可以大幅度提高生產柔性和生產率，縮短生產周期，保證產品質量，降低成本。
機器人自動裝配技術近年來已在各個領域得到廣泛應用。在摩托車工業中，發動機缸蓋氣門組件的裝配因其結構復雜，零件小而多，要求高，人工裝配勞動強度大，裝配質量不宜保證。采用機器人自動裝配對于保證氣門組件的裝配質量和生產率的提高有較大意義。
2缸蓋氣門組件的裝配工藝
2.1裝配工藝流程
摩托車發動機缸蓋氣門組件如圖1所示，進排氣門結構形狀相同，運動形式一樣，不同的是進氣門頭部尺寸較大。在安裝氣門時，氣門桿斜著穿過氣道，穿上彈簧等附件，然后裝上氣門鎖片。鎖片呈兩個半圓錐形狀，利用彈簧上座圈的錐面把鎖片擠死。氣門彈簧布置在彈簧上下座圈之間，一般采用兩個外徑不同的彈簧，且旋向相反(便于氣門自由轉動)。氣門座圈與氣門頭錐面配合，起密封和散熱的作用。
圖1氣門組件結構圖
取其中關鍵裝配環節進行工藝規劃，參考原人工裝配工藝，結合機器人自動裝配特點，擬定裝配流程如下：上氣缸裝氣門導桿翻轉裝彈簧下座裝氣門彈簧裝彈簧上座裝氣門鎖片檢測下氣缸。
其中，由于氣門鎖片體積小、形狀不規則，難于定向和夾持，故采用人工方式將氣門鎖片與彈簧上座預先裝在一起；另外，氣門導管為固定件。
2.2回轉式機器人柔性裝配工作站
為適應自動化及產品多樣化的要求，采用回轉式機器人柔性裝配工作站進行裝配，如圖2所示。回轉式機器人柔性裝配工作站主要由旋轉工作臺、機器人、裝配及檢測轉機、供料裝置組成，用一個三菱FX2-128MR可編程控制器(PLC)進行協調控制［1］。裝配工作臺分六個工位，用來完成氣門組件的裝配工作(兩氣門已在前道工序裝好)，其裝配工序是：
圖2機器人柔性裝配工作站
1.直角坐標機器人 2.缸蓋供料線 3.彈簧下座裝配專機 4.彈簧下座供料器 5.彈簧裝配專機 6.彈簧供料器 7.SCARA機器人 8.彈簧上座供料裝量 9.檢測專機 10.成品出料線
1＃工位用SRX-4XB直角坐標機器人1將氣缸蓋放入工作臺上的夾具內夾緊；2＃、3＃工位，用裝配專機3、5分別裝兩氣門彈簧下座、內外彈簧；4＃工位用一臺SRX-4CH型SCARA機器人7裝兩氣門鎖緊和彈簧上座。5＃為檢測工位，用檢測專機9確定裝配質量是否合格；6＃為分檢工位，先松開夾具，再用1＃工位的直角坐標機器人1取出成品，送到合格品或不合格品的出口處10。旋轉工作臺是由單相交流異步電機，通過電磁離合器、
蝸輪蝸桿減速器、槽輪機構驅動，在撥銷出入槽口處裝有接近傳感器進行雙向位置檢測。工作臺的定位采用粗、精定位插銷。在1＃、6＃工位的下方的兩個固定支架上分別裝有氣缸，控制夾具體上的夾緊偏心輪轉動，自動夾緊或松開工件。在各個裝配工位上，亦裝有氣缸，控制夾具翻轉至合適裝配角度。另外，2、4、6、8供料裝置上裝有光電開關，用來監控供料狀況。
3夾具及夾持器設計
3.1隨行夾具及翻轉機構設計
進、排氣門之間成一定角度傾斜布置，可增加發動機進氣量、提高排氣效率，但由于SCARA機器人只適于垂直方向裝配，故需要轉動裝置在裝配過程中使兩氣門交替置于垂直位。另外，還需要夾具能自動夾緊且保證自鎖，在工作臺轉動過程中不致松開。此裝置用于氣門附件、鎖片裝配的夾緊及翻轉，1＃～6＃工位使用。裝配圖如圖3所示。
圖3摩托車發動機隨行夾具裝配簡圖
1.工件 2.定位板 3.底板 4.齒輪齒條機構 5.隨行夾具
此裝置預先安裝在回轉工作臺上。在1＃工位，機器人將工件垂直放下，裝在定位板上，用軸、銷配合工件底部一面兩孔定位。裝好后，氣門頂隨行夾具推桿，夾緊工件并自鎖。在2＃、3＃、4＃、5＃工位，氣缸推齒輪齒條機構至兩側擋塊位置，帶動定位板旋轉，實現裝配所要求的26°和29°工作位置。在底板上，裝有三個彈簧銷，中部的彈簧銷用于定位板水平定位；兩側的彈簧銷在26°和29°傾斜裝配時用于穩定定位板。
3.2夾持器設計
鎖片的裝配因其體積小、裝配空間小、裝配力大，是較困難的一個環節，因此，下面將主要針對鎖片裝配所需夾持器做一介紹。在氣門組件的裝配中，鎖片的裝配一般采用壓力機將內外彈簧壓下，然后用人工裝配，效率低，裝配質量難于保證。考慮到以上因素，用一般的夾緊型夾持器已很難滿足要求，故考慮用磁吸式夾持器。其裝配圖如圖4。
圖4夾持器簡圖
1.磁鐵 2.伸縮桿 3.彈簧 4.鋼筒 5.調整螺釘 6.上蓋 7.連接螺釘
考慮到鎖片的體積小，將其與氣門彈簧上座預先裝好，置于供料臺上。夾持器通過連接螺釘與機器人末端相連，其中心與氣門彈簧上座中心對準后放下，這時伸縮桿起定位作用。磁鐵可用永久磁鐵與鋼筒過渡配合(也可用電磁鐵)。因工件被吸上后僅和A面接觸而不與磁鐵直接接觸，故可以避免工作環境不潔、磁鐵沾上鐵屑而引起誤差。隨后，夾持器吸附著工件至工作位置，伸縮桿與氣門桿中心對準。在放下的過程中，伸縮桿首先與氣門桿接觸后收縮至合適位置，型腔B控制兩夾鎖夾的程度，然后，夾持器上升，工件在內外彈簧作用下上升，直至鎖片與氣門桿上凹槽配合鎖緊，裝配完成。
4裝配在線檢測
鎖片裝配質量是保證整個氣門組件裝配質量的重要環節，因此，本裝配系統的在線檢測項目為利用光纖傳感器檢查氣門鎖片是否到位。根據分析和實驗，鎖片位置可能出現以下幾種情況，如圖5所示。
圖5鎖片裝配狀態圖
a.正確位置 b.鎖片丟失 c.右鎖片卡死 d.左鎖片卡死 e.左鎖片彈出 f.右鎖片彈出
探測桿直徑30mm，末端裝有兩對同軸直徑3mm的發光管和接受管，探測桿安裝在機器人末端。探測時隨機器人末端下行，當接觸到彈簧上座的端面時，壓合
微動開關，檢測電路開始工作。
5結束語
本項課題已通過“863”計劃自動化領域512主題專家驗收。用工作臺、裝配機器人和PLC等部件構成的裝配系統，結構簡單，參數調節方便，抗干擾性強，工作可靠，為機器人柔性裝配系統的檢測、控制、調試、修改提供了很大方便。其六工位回轉式機器人柔性裝配工作站亦適合于一定范圍內的不同產品、不同工藝要求、不同批量自動裝配的需要，有較好的應用價值。
基金項目：國家“863”計劃資助項目(863-512-05-07)
作者簡介：王衛民(1972-)，男，河南衛輝人，華南理工大學博士研究生。
作者單位：王衛民（華南理工大學 機電工程系，廣東 廣州510641）
邵明（華南理工大學 機電工程系，廣東 廣州510641）
李軍（華南理工大學 機電工程系，廣東 廣州510641）
參考文獻：
［1］謝存禧，湯祥州，邵明.回轉式機器人柔性裝配工作站的研究.組合機床與自動化加工技術，1998(5)：27～29
