吳嘉明

(南京工程學院康尼機電產(chǎn)業(yè)技術研究院，南京 211167)

0 引言

活塞是汽油發(fā)動機中的重要部件，工作時活塞由曲軸帶動在氣缸孔內(nèi)作往復運動，配以氣門相應動作完成進氣、壓縮、做功、排氣循環(huán)，使發(fā)動機得以實現(xiàn)將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能?；钊c氣缸孔之間并非直接而是靠活塞環(huán)接觸，通?；钊h(huán)由兩道氣環(huán)和三片式油環(huán)組成，其中氣環(huán)承擔與氣缸壁之間的密封，防止燃燒室漏氣而動力不足，同時起到支撐與導熱作用，油環(huán)則阻隔潤滑油竄入燃燒室，防止產(chǎn)生燒機油現(xiàn)象[1]。

活塞環(huán)的正確安裝是其功能正常發(fā)揮的保證，人工安裝刮片效率低，刮片撐開后變形不可控且易刮傷活塞表面。已有一種自動裝配裝置將一組刮片疊放套在變徑筒上由伺服驅(qū)動撥叉步進送料，這種方法一次只能裝一片，需經(jīng)兩個工位操作才能完成上下刮片安裝，而且刮片變形會明顯影響裝配合格率，因此需要開發(fā)能同時安裝兩刮片的自動裝配機來解決效率和質(zhì)量問題[2-4]。

1 裝配要求分析

(1)裝配工序

1.活塞 2.刮片 3.隔環(huán) 4.刮片 5.氣環(huán) 6.氣環(huán)圖1 活塞環(huán)局部圖

活塞環(huán)裝配工序按順序包括油環(huán)隔環(huán)、上、下刮片、氣環(huán)1、2這5個環(huán)節(jié)，如圖1所示。油環(huán)采用3片組合式，中間一片起支撐作用的隔環(huán)已在活塞槽內(nèi)先行裝好，再上下各裝一片刮片。刮片是不銹鋼材質(zhì)帶缺口的圓環(huán)片，厚度0.4 mm、截面寬2 mm，裝配完成后刮片在槽內(nèi)可以自如平移，此時的刮片外徑大于缸孔直徑，后續(xù)再用工裝正常裝入缸孔，更換與活塞尺寸相關的零件可以復制出適應不同規(guī)格活塞環(huán)的裝配機。

根據(jù)其阻隔潤滑油的功能需要上下刮片缺口朝向呈180°方向[5]，在裝配過程中刮片缺口需周向定位；活塞放入方向也需用活塞頂部形狀周向定位，以保證刮片開口與活塞的角度[6]。

(2)難點分析

活塞環(huán)氣環(huán)為耐磨鑄鐵材料，厚度1.2 mm左右，漲開時不易產(chǎn)生扭曲，實現(xiàn)自動裝配難度較小[7]；相比而言油環(huán)刮片厚度薄，漲開后會產(chǎn)生彈性變形扭曲，使得刮片平面度由正常狀態(tài)的0.04 mm增大到0.4～0.5 mm，遠大于油環(huán)槽0.05 mm的裝配間隙，刮片回彈時無法準確卡進油環(huán)槽內(nèi)，裝配可靠性難以保證，因此控制刮片變形問題是實現(xiàn)自動裝配的關鍵所在，定位模塊的設置很好地解決這個問題。

(3)尺寸分析

分別從活塞軸向、徑向和周向3個方向分析：

圖2 油環(huán)尺寸精度

2)兩刮片由同一安裝模塊的漲爪撐開，撐開前刮片在送料最終位置應上下一致保持同軸，在送料過程中動作保持平穩(wěn)，不能有前后竄動現(xiàn)象。

3)根據(jù)要求上下刮片缺口方向需相差180°，兩刮片需從相對方向同時送至安裝位置，在送料過程中保持姿態(tài)不變。

2 設備總體方案及模塊配置

(1)裝配條件

已裝好隔環(huán)的待裝活塞間隔放置在周轉(zhuǎn)工位上，由人工手動裝料；刮片以500片為一個供貨單位整齊疊套在紙筒上，刮片缺口方向一致，方便人工快速放入帶刮片缺口定位長鍵的左右料筒，可供連續(xù)裝配500件活塞之用。工作時刮片采用氣動自動送料，實現(xiàn)刮片環(huán)的自動裝配。裝配機工作節(jié)拍7 s/件，每小時可裝514套活塞，供128套發(fā)動機用，能滿足用戶生產(chǎn)綱領需求。

(2)工作循環(huán)

開始時(從取走上個活塞起)刮片料筒上最下面刮片與送料工作面接觸并處于送料位，前后定位模塊由氣缸沿直線導軌推至工作位，左右送料氣缸將刮片從料筒推送進定位模塊軌道，安裝模塊用氣缸升起，左右送料模塊退回原位，四點氣爪同時漲開上下刮片讓出活塞位置，人工按要求方向放入活塞，安裝模塊氣爪回縮并下沉使刮片收縮滑進油環(huán)槽內(nèi)，定位模塊后退，取出活塞進入下一循環(huán)。所有動作均由位置開關發(fā)信號，保證整套動作準確有序[9-10]。

(3)模塊配置

轉(zhuǎn)配機主要模塊如圖3所示。

1.工作臺底板 2.料筒 3.送料模塊 4.安裝模塊 5.定位模塊

1)料筒：上下刮片分左右料筒裝料，料筒形狀和刮片供貨用紙筒相仿，具備刮片缺口定向功能，保證刮片能快速疊放，根據(jù)刮片的形狀特點，設計了結(jié)構(gòu)較為復雜的裝料料筒，使刮片能準確順暢落至送料位置，并匹配送料模塊的精度要求。

2)送料模塊：送料模塊由左右推塊、直線導軌、送料氣缸等組成，經(jīng)過精密裝配后的左右推塊送料高度相差1.45±0.02，與其在活塞環(huán)槽內(nèi)的安裝高度嚴格一致；推送上刮片的左推塊托片厚度僅1 mm，采用了經(jīng)精密加工的高剛性特殊鋼材。

3)定位模塊：定位模塊由前后定位塊、導軌及驅(qū)動氣缸組成，其功能是保證左右刮片送至裝料位置的同時兩側(cè)部位進入到兩道與活塞油環(huán)槽高度等高的直槽內(nèi)，在裝進活塞環(huán)槽前保證刮片始終處于其定位軌道里。

4)安裝模塊：安裝模塊由氣爪、升降氣缸、漲爪組成，氣爪安裝在升降氣缸上，氣爪的中心與送料和定位模塊的中心一致。當刮片就位后升降氣缸、氣爪帶動漲爪順序動作漲開刮片至活塞可以安放的尺寸(由定制限位圓環(huán)控制)，人工放入活塞，兩刮片即自動收縮進入活塞油環(huán)槽內(nèi)。

5)工作臺及控制部分：工作臺板是各模塊的安裝基準，由鋁合金型材框架支撐，上部除操作面外由型材和有機玻璃板封閉，氣控系統(tǒng)包括閥島及磁性開關采用FESTO產(chǎn)品，電氣控制采用西門子PLC及人機界面，可靠性好、易維護。

3 刮片移動過程控制及變形控制

(1)刮片輸送高度控制

1.料筒 2.刮片 3.待送刮片 4.推塊圖4 刮片送料狀態(tài)

(2)刮片穩(wěn)定進入定位槽

定位模塊前后定位塊的上下定位槽經(jīng)修配后高度嚴格一致并分別與左右推塊面等高，保證上下刮片兩側(cè)部位被推塊平滑送進前后定位模塊槽內(nèi)如圖5所示。此時刮片被中間推塊、兩側(cè)定位槽托著，刮片實現(xiàn)軸向定位；刮片到位位置與安裝模塊漲爪同心，徑向定位；刮片缺口方向未變，周向定位。

1.前定位塊 2.上刮片 3.下刮片 4.漲爪 5.后定位塊

(3)刮片控制在定位槽內(nèi)

1.刮片 2.漲爪 3.定位槽 4.活塞 5.活塞定位面圖6 定位槽貼合活塞 狀態(tài)

定位模塊采用氣動復位式單作用氣缸驅(qū)動，由于彈簧力的作用在氣爪漲開、收縮過程中前后定位模塊隨動進退始終與漲爪接觸，刮片始終在定位槽內(nèi)，漲爪漲開行程根據(jù)所放活塞外徑大小用圓環(huán)限位，定位槽端面設計成與活塞外圓吻合的圓弧形狀，并讓出漲爪張開位置空間，控制定位槽與活塞間0.2mm的安裝距離，如圖6所示。

(4)刮片變形控制

1.上定位槽 2.下定位槽 3.下刮片 4.上刮片 5.上活塞槽 6.隔環(huán) 7.下活塞槽圖7 刮片卡進油 環(huán)槽狀態(tài)

若使刮片能裝入活塞槽內(nèi)，刮片需徑向擴張3.5 mm，漲開時會產(chǎn)生明顯扭曲變形，定位槽的應用消除了刮片變形，使刮片始終被約束在0.45 mm高度空間內(nèi)，在定位槽和活塞油環(huán)槽之間構(gòu)成一個一體的移動導軌空間，待漲爪自動收縮下沉時，刮片能順暢縮進活塞槽內(nèi)，如圖7所示。

4 結(jié)束語

油環(huán)刮片自動裝配機是活塞裝配工段中的一個工位，通過合理的結(jié)構(gòu)設計解決了各模塊間在動作空間和時間上的配合與銜接。實際應用中裝配合格率高，效率高，節(jié)拍達到7 s/件，設備結(jié)構(gòu)緊湊，動作性能可靠、操作方便，較好地滿足了設計要求，為同類型設備的設計提供了一定的借鑒作用。