1 引言
在大規模自動化生產中，螺栓全自動裝配工藝常常是必不可少的。它不僅可以提高生產率、減輕工人勞動強度，而且更重要的是能夠保證各螺栓的緊固力矩趨于一致，達到設計要求，提高產品的裝配質量和整機性能。這項要求已經逐漸成為產品競爭取勝的主要指標之一。
缸蓋螺栓自動裝配機就是針對冰箱壓縮機內曲軸箱氣缸端蓋的裝配工序而研制的。其特點是速度快、質量穩定、全氣壓控制、結構緊湊、生產運行正常。這種螺栓裝配機的控制技術也適用于汽車、摩托車、家電等自動裝配生產線。
2 工件特點分析及技術要求
曲軸箱是壓縮機的關鍵部件，缸蓋裝配質量直接影響壓縮機的工作性能，因此缸蓋裝配具有嚴格的要求。如圖1所示，首先要測得活塞端面與箱體面之間的間隙，按照分組選配原則，選出對應的密封紙墊，以保證活塞與缸底的間隙值要求。其次，要求螺栓的緊固力矩為8～10Nm(依據缸蓋材料選擇某定值)，四個螺栓的力矩誤差控制在一定范圍，以保證缸蓋受力變形均勻、密封效果好和產品的最佳性能。
圖1 氣缸蓋裝配示意圖
另外，還要求裝配節拍為9秒/臺，人工放入缸蓋組件(缸蓋、鋼墊和四個螺栓穿在一起)，推入曲軸箱，自動緊固螺栓，工作完成后自動將曲軸箱推出。操作要簡單、省力，更換扳手和維修簡便、迅速，設備運行可靠。
3 設備的布局及組成
3.1 設備布局
根據總裝生產線的布局、工件流動時的方向和相關工序的操作特點，為使操作者操作方便，以及減少工件在流動過程中的換向次數，螺栓裝配機宜布置在流水線的前側，如圖2所示，其前面的三頭螺栓機完成工作后，操作者將工件在主滑道上逆時針旋轉90°；然后測量端面間隙，標記密封墊組號；之后在本設備上完成螺栓裝配。這種布局能減少工件轉動次數、減輕勞動強度和提高生產速度。
圖2 裝配機安裝位置圖
3.2 機械部件
設備主要由氣動扳手組件、缸蓋夾具體、下料機構、導向滑道、主滑道和支座等幾部分組成，如圖3所示。
圖3 設備組成圖
氣動扳手選用日本進口產品，型號為UNR60L，在0.5MPa的氣壓下，轉速610r/min，最大扭矩13.0Nm，最大空氣消耗量0.65m3/min。為了使螺栓頭順利進入扳手，扳手組件中裝有彈簧，在四個螺栓頭不能同時進入扳手的情況下，起到讓位和緩沖的作用。另外，扳手組件頭部繞馬達接手中心可以任意方向擺動，也便于螺栓頭的咬入。
缸蓋夾具體用來夾緊缸蓋組件，如圖4所示。夾頭在氣缸的驅動下，同時夾住缸蓋兩個相鄰的側面，另兩個側面由固定支點定位。夾緊后，螺栓中心與伸入夾具體內的扳手頭的中心對應，螺桿指向曲軸箱的導向滑道。
圖4 缸蓋夾緊示意圖
導向滑道是曲軸箱的進出通道，一方面對曲軸箱的運動起導向作用，使其螺孔位置基本對準螺桿；另一方面，在曲軸箱滑入的過程中，其軸頭觸動導向滑道組件中的行程閥，自動使氣動馬達旋轉。
下料裝置用來卸下已經裝配好的工件。即當力矩達到設計要求時，在關閉全部氣動馬達的同時，也使得下料缸動作，通過杠桿機構推出工件?？梢源蟠鬁p輕勞動強度。
主滑道是生產線上工件流動的軌道。支座支撐上述全部機械部件，并兼作氣動控制箱，所有氣動邏輯元件安裝在支座的箱體內，使得設備外形美觀、布局緊湊、安裝維護方便。
4 氣壓控制系統
缸蓋螺栓自動裝配機采用了全氣壓控制方式，氣動控制原理如圖5所示。其中：
氣缸1——缸蓋夾緊缸，用來夾緊缸蓋組件。
氣缸2——下料缸，用來推出緊固后的工件。
氣缸3——氣動扳手馬達，用來緊固螺栓。
閥4——缸蓋夾緊按鈕閥，用來控制夾緊缸動作。
閥5——緊急停止閥，用來處理異常情況。
閥6——行程閥，它靠曲軸箱軸頭壓動而啟動氣馬達旋轉。
閥7——順序閥，當某個螺栓達到緊固力矩時，該閥動作，切斷該馬達的換向閥8。
閥8——馬達控制閥，用來啟停氣動扳手。
閥9——邏輯閥，當閥7切斷某個馬達后，同時使相應的邏輯閥接通，做好停機準備。
閥10——互鎖閥，夾緊缸夾緊工件后，該閥動作，待壓下行程閥6、主換向閥11換向，才能使馬達旋轉；否則，即使壓下行程閥6，也不能接通馬達。
閥11——主換向閥。
閥12——減壓閥，調節控制氣路壓力。
三聯件13——空氣處理裝置，其減壓閥12調節主回路的壓力。
閥14——換向閥。
設備的工作循環及控制過程如下：
(1)將缸蓋組件放入夾具體，按下按鈕閥4，使換向閥14換向，夾緊缸蓋；下料缸回氣，處于后退狀態；同時打開互鎖閥10，做好開機準備。
(2)將曲軸箱送入導向滑道，打開行程閥6，使主換向閥11換向，四只馬達同時啟動；這時，曲軸箱將螺栓頭壓向扳手孔，當螺栓頭進入扳手孔后，螺栓開始旋入。
(3)某螺栓達到規定力矩時，該氣路氣壓升高，相應的順序閥動作，就會關閉該馬達的換向閥，使馬達停轉。此時，另一條氣路使對應的邏輯閥9導通，并等待其余邏輯閥導通。
(4)當四個螺栓緊固，全部邏輯閥均導通之后，控制氣就使換向閥14換向，松開缸蓋，同時，換向閥14使下料缸推出曲軸箱。至此一個工作循環結束，所有元件恢復到原始狀態。
(5)工作過程中如出現異常情況，按下急停閥5，控制氣將強制換向閥14復位，中斷工作循環，等待人工處理故障。
圖5 裝配機氣壓控制原理圖
5 運行試驗分析
設備在調試過程中進行了系統性能試驗和緊固力矩試驗。試驗結果表明：
(1)順序閥7是控制緊固力矩的關鍵元件，其性能和質量必須有較高的要求。
(2)系統各處的減壓和節流元件的開口大小有一定的內在聯系，調整時要綜合考慮、協調處理，使系統達到最佳狀態。
(3)氣動馬達的流量對緊固力矩有一定的影響，選擇好適應生產率要求和螺紋旋入的轉速后，通過調節三聯件13的 總減壓閥及順序閥7的協調壓力，調定螺栓的緊固力矩。
(4)缸蓋材料和螺栓材料的差異對其摩擦力矩影響很大，因此對于不同材料的工件，必須通過試驗來確定每一種組合下的順序閥的起跳壓力。
(5)緊固力矩的重復試驗表明，裝配機的工作精度達到了設計要求。
缸蓋螺栓自動裝配機投入使用的一年中，從未發生過停機故障，速度快、精度高、運行可靠、滿足壓縮機生產線的使用要求。工作性能超過了進口設備，而設備投資僅為進口設備的20%。取得了令人滿意的經濟效益和社會效益。這種控制技術不僅在壓縮機生產中取得成功，同樣在其它類似的自動化生產線中也有推廣價值。