自动喷油嘴螺栓拧紧及高度检测机的研究与应用

靖玉凯 张新震 刘 政 关 欣

山东中车同力达智能机械有限公司 济南 250022

摘 要：喷油嘴作为发动机的关键部件之一，其工作状态的优劣将严重的影响发动机的性能，而喷油嘴的装配质量决定了它工作的状态。现阶段喷油嘴装配大部分由人工进行，装配质量无法得到保证，且喷油嘴凸出发动机底面高度无法同时检测，导致合格率低，影响生产效率。文中设计了一套喷油嘴螺栓拧紧及凸出高度检测设备，解决了喷油嘴螺栓拧紧力矩和凸出高度检测同时检测的难题，极大的提高了喷油嘴的装配合格率，提高了生产效率。

关键词：喷油嘴；自动拧紧；位置检测；伺服控制

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）22-0031-05

0 引言

螺纹连接是发动机装配过程中应用最广泛的连接工艺，在装配过程中具有高精度、装配方便、零件拆卸便利、重复性好等优点[1]。由于装配喷油嘴的螺栓分布不规则，在装上喷油器固定板及螺母、压紧喷油器过程中，喷油器固定板螺母需先采用气动扳手预紧后，定力矩扳手拧紧至工艺要求力矩的方法，力矩均匀性无法得到保证，需要人工复紧来确保力矩值，装配质量无法保证，生产效率低，存在错漏装或力矩漏上紧等隐患。在装配完成后，还需要人工对喷油器凸出发动机底面的高度进行检测，只有两者都满足工艺要求，该部位的安装才能达标。但由于喷油器凸出高度不易控制，导致装配合格率低，反复拆卸时间长，影响生产。本文针对某发动机装配车间现有的发动机缸型喷油嘴安装的情况，设计了五轴喷油器螺栓拧紧及凸出高度检测设备（以下简称设备），满足了该车间目前19 种类型缸盖喷油嘴的自动装配要求。

1 总体结构

设备为一体式底座机构，龙门式骨架，保证整体结构的刚性；在发动机拧紧位置安装夹紧机构，防止拧紧过程中发动机晃动；采用伺服电机驱动精密滚珠丝杠，拖动拧紧机构在水平轨道上移动，定位精度高，能够很好的适应多数量喷油嘴的发动机。举升定位机构采用气缸控制，动作快速准确。设备布局如图1 所示。

2 拧紧轴结构

拧紧轴用于拧紧喷油嘴压板和高压连接管的螺栓，5 根高精度轴按喷油嘴分布布局如图2 所示，两轴垂直90°布置，且两轴中心距可调，两轴倾斜70°，高压连接管拧紧轴为弯头倾斜布置。气缸1 用于轴1、轴2的升降，气缸2 用于拧紧轴1、2 中心距切换，气缸3用于拧紧轴4、5 升降，气缸4 用于拧紧轴5 进退。通过不同的气缸动作可以快速切换需要的拧紧轴到达指定位置，以便能够适应不同的缸盖类型。

1. 伺服横移机构 2. 控制柜 3. 龙门式骨架4. 举升定位机构 5. 一体式底座

图 1 设备整体布局图

图 2 五轴空间布局

3 检测机构

高度检测为该设备另一个核心机构，发动机缸盖底面加工公差为±1 mm，每次测量公差要求为±0.1 和±0.2 mm 等多种，喷油嘴凸出高度定义为喷油器油嘴凸出缸盖底面的垂直距离，如图3 所示。凸出高度测量基准为油嘴周边的缸盖底面，如图4所示区域。

为了能够兼容两种基准面，设计机械结构如下：检测基准块、弹簧伸缩机构、U 形块、位移传感器、升降气缸安装于支撑钢结构上，自然状态下，检测基准块稍高于U 形块上表面。工作时：升降气缸推出，U 形块、检测基准块与发动机测量基准面贴合，检测基准块通过压缩弹簧伸缩机构，使位移传感器有一定的压缩量，记录此时数值，并以此数值为测量基准点。拧紧轴在拧紧喷油嘴过程中，随着喷油嘴的不断伸出，位置传感器实时记录伸出数值。检测结构见图5。

1. 检测基准块 2.U 形块 3. 弹簧伸缩机构4. 位移传感器 5. 升降机构气缸

图 5 检测结构

4 控制系统

4.1 系统架构

该设备正常生产时为全自动无人工位，通过线体PLC 下发到达指定工位的发动机条码和发动机类型至主控PLC，两个PLC 之间采用S7 通讯协议；主控PLC获取到发动机类型后，根据程序设置自动运行相应的程序，通过Profibus DP 与ATLAS 控制器、位移传感器控制器及伺服控制器进行通讯，从而控制拧紧过程、获取凸出高度以及控制伺服移动到相应的位置，通过HMI显示设备状态及运行结果，PC 机内软件可以显示并保存当前设备的运行状态、故障记录以及拧紧结果等相关的信息。整个控制系统架构图如图6 所示。

图 6 系统架构图

4.2 系统组态

使用西门子博途V13 软件编程，ATLAS 控制器、基恩士GT2 系列位移传感器需要提前安装对应的GSD文件。PLC 采用西门子S7-315-2PN/DP，即可以使用Profibus DP 总线也可以通过Profinet 接口与线体PLC使用S7 协议进行通讯；触摸屏（HMI）使用精智面板TP1200；伺服系统选择西门子S120 系列产品。

4.3 伺服系统

工位节拍为90 s，为了满足快速、精确移动要求，采用S120 系列产品，使用西门子Simotion Scout 软件组态并配置参数。通过111 报文来实现Basic Position 基础定位的功能，包括伺服的点动、回零、限位、程序步、MDI 等。

图 7 系统组态

4.4 位置检测

位移传感器采用基恩士GT2 系列产品，通过放大器单元和Profibus DP 应对通讯单元连接，然后与PLC进行数据交互。该产品分辨率达到0.5μm，超过2 亿次的检测次数，且能够在较为严苛的环境下使用，非常适合该设备工位应用条件。位移系统连接如图8 所示。

图 8 位移传感器系统连接

4.5 拧紧系统

设备采用Atlas PowerMacs 4000 系列拧紧系统，该系统能为各种装配部件中的拧紧操作提供完美的解决方案[3]，使用含2 个带Profibus DP 通讯板卡的主控制器、3 个副控制器以及一个电源控制器。副控制器和主控制器之间采用以太网连接，再通过主控制器连接到设备交换机上。

4.6 HMI

TP1200 属于Simatic 精智面板系列，支持多种通信方式，可以通过Profinet、Profibus 接口连接到相应的网络中，软件组态设计包含添加变量、画面组态及变量关联[4]。依据该设备需求设置不同的界面，分为显示和控制两大部分，详细功能划分如图9 所示。

图 9 触摸屏功能架构

5 程序流程

整个设备的工作流程主要为：喷油器进入预组装工位→人工选垫片并手动拧螺母2 ～ 3 牙→人工根据产品型号选择更换套筒→线体放行喷油器进入拧紧工位，线体挡停托盘及缸盖（含喷油器）→托盘及缸盖（含喷油器）举升定位、夹紧→拧紧机依据线体PLC 下发的缸盖型号自动选择拧紧轴、拧紧工艺及相应位置信息→拧紧机套筒认帽→拧紧轴开始拧紧→按预先设置的程序开始力矩法拧紧；拧紧同时进行喷油器凸出高度检测→如果拧紧合格，且凸出高度也合格，绿色指示灯亮，拧紧结束，设备通过伺服电机运动到下一组拧紧位置→如果拧紧结果或者凸出高度有一个不合格，则根据凸出高度偏大还是偏小旋转执行不同的返修工艺，如果偏大时反松不合格螺栓，重新更换垫片，并二次拧紧，如果偏小继续拧紧至扭矩上限，如果仍不合格，红色指示灯亮，并发出报警信号，进入偏大过程处理。具体流程如图10 所示。其中流程图中步骤“轴选择”和“拧紧程序选择”需要根据不同的发动机缸盖类型输出不同的拧紧轴组合，例如6 个喷油嘴的发动机需要使用到图2 中标示的拧紧轴3、4 和拧紧轴5，那么程序在此选择时，输出气缸3 和气缸4，其他缸盖类型根据实际需求进行控制。

图 10 程序流程图

6 结语

喷油嘴凸出高度关系到燃油的雾化质量，装配过程中螺栓的拧紧工艺和凸出高度是两个重要因素，应用高精度位移传感器通过非标工装检测凸出高度，采用ATLAS 控制器拧紧，设计了全自动喷油器拧紧及凸出高度检测设备并投入使用，该设备可以满足不同缸型多品种、小批量的混线生产要求，极大提高了生产效率，降低了工位节拍，有效的改变了以往人工操作方式，极大的提高了生产线的智能化水平，为企业创造良好的效益。

参考文献

[1] 孔德群, 周建, 杨利. 汽车喷油嘴螺栓断裂的失效分析[J]. 金属加工( 热加工),2019(10):77-79.

[2] 王传军, 李怀珍, 方栋梁.Sinamics S120 在伺服系统测试中的应用[J]. 电机与控制应用,2018,45(7):93-96.

[3] PowerMACS 4000 User Guide[M].Atlas Copco, 2007.

[4] 刘艳军. 反渗透膜自动清洗设备上位监控系统设计[J].无线互联科技,2018,15(24):72，73.

[5] 田永成, 黄丙庆, 李云鹏. 在线式轮装制动盘螺栓自动拧紧机的设计和应用[J].机床与液压,2020,48(4):120-122.

[6] 陈凯, 边群星. 柴油机缸盖全自动拧紧机设计及应用[J].

来源：起重运输机械