李明记，朱英辉，刘玉启，安 静

(滨州渤海活塞有限公司 研发部，山东 滨州 256602)

0 引言

目前发动机用活塞的密封还是靠活塞环来实现[1]，其中活塞环由油环、一道气环和二道气环组成。活塞环内径要小于活塞外径，这样在活塞环装入活塞环槽时就需要将活塞环内径撑大，从而保证活塞头部能够进入活塞环内并且不能划伤活塞外圆，同时活塞环内径撑大范围应该控制在一定范围内，并且要求高的装配质量。当前活塞环的装配以手动装配和半自动装配为主[2]；部分全自动活塞环装配设备由于其柔性差，不能适应多品种活塞环装配，因此没有得到广泛使用。手动装配和半自动装配生产效率低，装配质量不稳定，因此满足不了发动机节能降耗的需求。为了实现工业4.0和无人化工厂需要，适应多品种的全自动化活塞环装配设备的研发势在必行，鉴于此，研发了一种高柔性汽油机全自动活塞环装配设备，其解决了全自动活塞环装配设备适应多品种活塞环装配的难题。

1 设备构造

该设备采用弹入式活塞环装配方式。其整体分为3大部分，上料部分、活塞环装配部分和下料部分；其中上料部分由上料垛机和上料料道组成；活塞环装配部分由组合式油环3个装配工位(衬环、上刮片和下刮片)、气环两个工位、气环装配状态检测两个工位和活塞环全检测工位，共计8个工位；下料部分由进给料道和分组料道组成，如图1所示。其允许活塞装配范围为φ60 mm～φ100mm。

图1 设备整体布局图

该设备装环部分有8个装配及检测工位[3]，3个上下料工位，共有9个周转机械手进行工位间物料周转，其中，机械手1负责“上料工位与衬环装配工位”周转，机械手9负责“所有环检测工位与合格品下料”和“所有环检测工位与不良品下料工位”周转，机械手运行均采用气缸驱动，其周转机械手布局图如图2所示。

图2 周转机械手布局图

衬环工位部分的装配机构[4]如图3所示，它由活塞环储料料仓、自动分离衬环的凸轮机构、活塞环推料机构、由曲柄摇杆机构演化而来的四爪撑环机构和衬环开口分离机构等组成，此工位能够实现钢带式活塞环的自动分环、推环、撑环和防止环开口搭接等功能。

图3 衬环工位装配机构图

刮片环工位[5-6](上、下刮片)部分装配机构如图4所示，它由活塞环储料料仓、活塞环推料机构和四爪撑环机构等组成，其结构相对衬环工位要简单些，其分环功能是靠料仓底面与推板间的间隙来实现的，此机构能够实现储料、推环和撑环的功能。

图4 刮片环工位装配机构图

气环工位[5-6](一道气环、二道气环)部分装配机构如图5所示，它由活塞环储料料仓、活塞环推料机构和两爪撑环机构等组成[7]，其机构中的撑环机构为两爪式，主要是根据气环的结构特点，气环开口要比油环部分的上下刮片开口宽很多，气环的环厚度在1mm以上，同时气环的强度和刚性都较刮片环要大很多。两爪机构撑环在受力和布局方面都要优于四爪机构，所以在气环工位撑环部分优先选用两爪机构。

图5 气环工位装配机构图

活塞压盘机构是当预安装活塞环处于撑开机构中等候安装时，活塞压盘机构通过气缸带动导向杆，利用压盘将活塞压紧到安装位置，使活塞环槽与活塞环对正，然后将活塞环装入对应的活塞环槽中，其上下运动和摆动是依靠导向杆的凸轮机构实现的。活塞压盘机构如图6所示。

图6 活塞压盘机构图

气环检测工位是在气环安装到位后，经过环推出气缸将安装好的活塞环推出至检测窗口，通过视觉检测相机进行检测，判断活塞环安装是否漏装，安装方向是否正常等，其机构如图7所示。

图7 气环检测工位机构图

全检测工位[8]是在所有活塞环安装完毕后，通过机械手将活塞放置在全检测工位上，伺服电机带动活塞旋转一周，通过视觉检测相机对活塞环的一周进行检测，检测是否存在重叠、断裂、错装等情况，其机构如图8所示。

图8 全检测工位机构图

2 设备工作原理

全自动活塞环装配设备采用步进式方式，垛机负责活塞的上料工作；机械手负责活塞在各工位间的周转工作，每一个机械手负责相邻两个工位的取活塞和放活塞两种动作；最终活塞环装配状态由分组料道负责分组。此设备的工作原理及工作过程如图9所示。

全自动活塞环装配设备各工位的料仓采用内径定位和开口导向机构，可以保证活塞环在下料的过程中不至于开口叠加导致推环机构无法将活塞环推到位的情况。油环的内撑机构采用的是四杆机构中曲柄摇杆机构演化形式，其末端是用四爪来内撑活塞环。气环(一道气环和二道气环)部分采用的是杠杆机构形式，其末端是利用两爪来撑活塞环的开口。活塞环检测工位采用的是高可靠性和稳定性的视觉检测系统，整个控制系统是采用的西门子PLC。

图9 全自动活塞环装配设备工作原理图

3 控制系统

全自动活塞环装配设备的控制系统包括两部分，活塞环装配部分控制系统和垛机部分控制系统，其各构成部分之间的信息传输方式如图10所示。

图10 各构成部分间信息传输方式图

活塞环装配部分的装配模式包括，手动模式、半自动模式、自动模式3种，这样可以适合于不同用户的需求。电气控制部分采用的是SIEMENS S7_300PLC，采用触摸屏人机交互界面，活塞环装配部分操作界面如图11所示。

图11 活塞环装配部分操作界面图

活塞环装配部分的动力主要由气缸来提供，而气缸的运动方向由双电控电磁阀来控制，其中以油环衬环工位为例，其四爪气缸、撑环气缸和压紧气缸采用双作用气缸来实现；导引上升气缸和固定打开气缸采用单作用气缸来实现；除导引上升气缸采用进气和排气双节流外，其余气缸都是排气节流。其气动原理图如图12所示。

图12 油环衬环工位气动原理图

整个设备在工作过程中，气缸的工作状态由磁性开关和接近开关的反馈信号来进行实时监控，并且将反馈信号传送给上位机，上位机根据信号状态来控制气缸动作或发出故障信号报警信息等。

对于整个设备的控制部分来说，机械手部分的控制相对较复杂些，它即需要9个机械手之间相互协调又需要相邻机械手与对应装配工位之间相互协调，其中机械手1的自动状态监控人机交互界面如图13所示。

图13 机手1自动状态监控图

在整个设备中上料垛机[9]部分执行单独的控制系统[10]，其控制系统采用西门子PLC控制，其中上料垛机系统操作界面如图14所示。

图14 上料垛机系统控制界面图

4 视觉检测系统

该设备采用了高检测精度和高可靠性的视觉检测系统[11]对活塞环的装配状态进行检测。其中活塞环的有无和是否断裂是活塞环检测技术要求的重点，也是所有环检查的难点，因为在五道环(如图15所示)中有4种环是不一样的，不具备统一的特征，在检测的时候很难有一致的思路去解决各种环的各种需求。所以最后全检测工位所使用的相机是不同于前两道气环检测相机的，前两道气环检测相机为面扫描相机，而最后全检测工位所使用相机为线扫描相机。线扫描相机为CCD感光芯片上的点阵呈线状分布的相机，其所成图像为一维“线”图像，也就是说线扫描相机一次拍出的图像只是一条线，为了得到整个二维图像，通常需要移动被测物体(本设备所采用的形式)或相机本身，同时不间断拍照，与面扫描相机一次成像相比，线扫描相机需要多次成象后，将所成的“线”像拼成一幅完整的图像。视觉检测控制界面如图16所示。

图15 五道环环槽分布图

图16 视觉检测控制界面图

5 结论

该汽油机全自动活塞环装配设备可以实现不同外径的活塞环装配任务，在更换活塞产品时只需要更换部分工装件就可以，其结构相对紧凑，操作方便，自动化程度高，装配节拍快，进而降低了活塞环装配成本，大幅度减轻了操作人员的劳动强度，在装配质量和效率上有了大幅度提高，因而受到用户的欢迎。