基于视觉的发动机丝堵螺栓自动拧紧设备设计开发

AUTO TIME
151
MANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺
时代汽车
基于视觉的发动机丝堵螺栓自动拧紧设备设计开发
竭尽超　梁忠耀
上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545000
摘 要： 在发动机缸盖加工过程中，需要通过丝堵对缸盖水道进行密封装配，以保证发动机冷却系统的正常运行。

在丝堵的装配工艺中，行业内多采用人工预装或通过排序机排序后再自动装配的方式，人工预装存在自动化率低的问题，而通过排序机排序则有导致丝堵碰伤、附着的螺纹胶损伤等质量风险。

本文介绍的缸盖丝堵自动拧紧设备通过视觉系统定位，配合真空吸附柔性抓取机构，再通过中转装置进行丝堵方向转化，最终使用薄壁弹性夹爪夹紧丝堵拧紧的方案，从根本上提升丝堵装配工艺的自动化率并降低质量风险。

关键词：丝堵螺栓　自动拧紧　视觉系统　真空吸附
1　引言
缸盖是发动机的重要组成部分，其安装在缸体上并与缸体密封形成燃烧室。

燃烧室作为化学能转变的地点，承受极大的热负荷，所以需要在缸盖内部铸造有冷却水套，通过水循环将做功后的余热带走，而水套密封多采用丝堵或闷盖来。

本文是对丝堵自动装配的工艺设备研究与应用。

本文自动装配的丝堵如图1所示，M22的螺纹表面附着有密封胶，并且在丝堵螺帽底部设计有软性密封带，作用是对水道进行密封，保证发动机冷却系统的运行。

在丝堵装配工艺中，行业内多采用通过排序机排序或人工预装后再自动装配的方式，通过排序机排序有导致丝堵碰伤、附着的螺纹胶损伤等质量风险，而人工预装除存在自动化率低的问题外。

基于以上原因，设计开发无质量风险的发动机丝堵螺栓自动拧紧设备。

2　设计规划
2.1　工艺流程
经过多角度方案评估，设计工艺流程如
图2所示。

2.2　节拍分解
设备运行分为输送辊道的动作及机器人拧紧动作两部分，两部分同时进行，详细步骤如表1，节拍59秒。

3　设备机构设计
该设备由丝堵平台、机器人抓手两部分机构组成。

3.1　丝堵平台部分
如图3所示，丝堵平台由丝堵存放平台和中转区组成。

3.1.1　丝堵存放平台设计
丝堵存放平台由平台推拉板、底座支架等组成。

（1）平台推拉板：使用固定的挡块，保证每盒丝堵都放置在固定位置，便于摄像头进行视觉探测，确定丝堵个体的坐标位置。

Engine Automatic Plug Bolts Tighten Equipment Based on Visual Design and Development
Jie Jinchao Liang Zhongyao
Abstract ：
I n the process of engine cylinder head processing, it is necessary to seal and assemble the cylinder head channel through screw block to ensure the normal operation of engine cooling system. In the assembly process of wire plug, the industry mostly adopts the way of manual pre-assembly or automatic assembly after sorting by sorting machine. Manual pre-assembly has the problem of low automation rate, while sorting by sorting machine may lead to the quality risk of wire plug collision and damage of attached thread glue. The automatic screw tightening equipment of cylinder head introduced in this paper is positioned by the visual system, combined with the vacuum adsorption fl exible grasping mechanism, and then the direction of screw plugging is transformed by the transfer device. Finally, the scheme of clamping screw tightening with thin-wall elastic gripper is adopted to fundamentally improve the automation rate of the screw plugging assembly process and reduce the quality risk.
Key words ：plug bolt, automatic tighten, visual system application, vac-sorb
图1　缸盖丝堵装配位置及实物
图2　设计工艺流程
152
AUTO TIME
MANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺
并且使丝堵平铺数量达到576个，满足加工288个缸盖的数量，从而保证每次投料可以运行一个班次以上。

（2）底座支架：其地脚采用可调高度的设计，便于在不同的场地保证水平。

且在底座支架中心位置留有空余空间，可将机器人工作区、人员操作区使用防护网分隔开。

3.1.2　中转区设计
中转区由铜制平台片、中转区底座支架、中转区斜台、延长平台、丝堵在位传感器等组成。

（1）铜制平台片：与丝堵直接接触，选用铜合金制保证丝堵密封面质量；（2）中转区底座支架：采用特殊的三瓣式设计，可与特制的丝堵薄壁抓手配合使用；（3）中转区斜台：装置采用倾斜放置，可使丝堵在重力
的控制下，每次落位的位置一致；（4）延长平台：固定在底座支架上，起到将中转区延长出底座支架的作用，避免机器人带动抓手在中转区取放料、取料过程中，与底座支架等发生干涉；（5）丝堵在位传感器：选用感
应距离4mm 的传感器，用于确定丝堵落位状态。

3.2　机器人抓手部分
如图4所示，机器人抓手由机器人、拧紧轴、固定支架、视觉系统、真空吸附系统、拧紧轴套、薄壁抓手等部分组成。

（1）机器人选型：计算抓手重量约20KG，选取负载重量、臂展长度合适的机器人；（2）拧紧轴选型：拧紧头弹性压缩量≥20mm，并具备转速控制功能；（3）固定
支架：可以在其上安装拧紧轴、视觉系统、真空吸附装置，并保证在实现各功能时不与缸盖辊道、丝堵平台等干涉，支架厚度、强度可以满足扭矩要求；（4）视觉系统：软件通过OPENCV 自主开发，硬件选用工业相机；（5）真空吸附系统：丝堵M22，其底面直径18mm，自主开发的视觉系统平均误差经过测试最大为单方向4mm，选择吸盘10mm 吸盘（PFG-10），可以在兼容视觉误差的情况下，准确吸附丝堵，吸盘材质选择丁腈橡胶有较好的耐磨性；（6）拧紧轴套：采用柱体弹簧构造，可通过机器人运动产生压缩量，保证预拧紧时给丝堵压紧压力；（7）薄壁抓手：采用弹簧钢制造的三个均布弹簧
片夹紧，可以实现在狭小的空间内进行拧紧，抓手采用镂空设计可与中转区进行配合并抓取丝堵。

4　程序完善
通过实际运行检验，逐步完善程序逻辑功能，降低设备故障率，如下：
（1）料层逻辑判断功能：只使用测距传感器判断丝堵所在层数存有一定偏差，补充通过视觉和逻辑判定丝堵所在层数，保证层数正确，从而提升吸盘取料的准确性；（2）隔板多次吸附功能：每层丝堵装完后，机器
人将带动真空吸附对隔板吸起并放入隔板存放区，而丝堵来料包装中的隔板如果因卡住而导致吸不起来，设备将停止运行，影响设备故障率，基于该情况，利用视觉系统判断是否存在真空吸附失效，如失效可以进行3次真空吸附尝试，如仍不合格可以直接转至
下一盒丝堵重新开始；（3）一键人工换料
表
1　设备运行节拍分解
①
②
③
④
⑤
①铜制平台片
②中转区底座支架③中转区斜台④延长平台
⑤丝堵在位传感器
图3　丝堵平台
丝堵纸盒
丝堵中转区
送料托盘
图4　机器人及抓手
拧紧轴
真空发生器真空吸盘
拧紧轴套薄壁抓手
视觉系统
固定支架
机器人
（下转第155页）
AUTO PARTS | 汽车零部件
时代汽车
定的氢。

3.2　解决方案
3.2.1　垫圈硬度适当降低，改产品的
垫圈硬度要求偏高,并且是80年代引进
奥地利斯太尔车桥技术，未进行修改过。

查证国内外该类最新产品的技术要求，硬
度值都没有这么高，建议适当降低到32-
38HRC。

3.2.2　表面镀锌应采用碱性镀锌和除氢
处理。

或者采用磷化表面处理工艺代替镀锌
表面处理。

参考文献：
[1]谢颖 汉德车桥：科技创新抢占转型发展制
高点 《商用汽车》 2012年第23期106-
106.
[2]李静 吴秋艳 车轮螺栓及车轮螺母设计优化
《汽车实用技术》 2012年第4期 91-93.
[3]李剑玉十字槽沉头螺钉断裂失效分析《理
化检验：物理分册》2018年，卷54，期2.图9　断口附近金相组织
表2　试样化学成分分析结果（%）
功能：每次更换丝堵需要手动操作的动作过
多，设置一键人工换料的固定程序方便员工
操作，并提高效率；（4）中转区缺料的自动
填料功能：设备重启后，设备逻辑状态可能
会丢失，出现设备报警或节拍浪费，设置程
序当中转区没有丝堵的情况时优先对中转区
进行补料。

5　设计特点及可推广性
（1）本设备设计采用的薄壁夹爪，使用
特殊的弹簧片在兼容中转区转换的情况下夹
定丝堵，而非行业内普遍应用的磁性夹取，
避免了磁化带来的质量风险的同时，实现了
在狭小空间的拧紧动作；（2）本设备采用真
空吸附方式配合视觉系统定位的方式进行零
件抓取，真空吸附的兼容性、可操作性极强，
可抓取零件的种类十分多样化，提升该方案
应用扩展性；（3）对于视觉系统的应用，行
业内多采用视觉系统固定在被拍摄工件上方，
而本设备为保证每盒丝堵的3层深度都能够
被清晰拍照，将视觉系统集成在机器人抓手
上，为后续的视觉应用扩展提供可能；（4）
本设备采用利用中转区进行抓取转化的设计，
为视觉定位配合柔性抓取提供一种新的设计
思路。

6　结语
（1）缸盖水道丝堵密封对发动机冷却
系统至关重要，而水道丝堵自动拧紧工艺，
行业内多为通过排序机自动上料再进行拧
紧的方式，而排序机的两种主流设计分别
是搓板式和震动送料式，两种主流排序机
都会对丝堵的螺纹、密封胶产生一定的破
坏，引起质量风险。

本文设备将视觉定位
系统应用在其中，并通过真空吸附系统、
中转装置、弹性夹爪等完成丝堵的自动预
紧，从而完全消除对丝堵破坏的质量风险。

（2）缸盖丝堵自动预紧设备的开发，
具有创新性及可推广性，如采用真空吸附
方式的柔性抓取、采用弹簧片设计的薄壁
夹爪可在狭小空间内完成拧紧、采用机器
人带动视觉系统定位拍照、采用中转装置
完成零件的抓手转换等，为柔性拧紧的设
计提供新思路。

参考文献：
[1]陈凯，黄丙庆.基于视觉的发动机飞轮机
器人拧紧系统[J].制造业自动化，2017（5）.
[2]李群.多功能螺纹自动拧紧系统的设计与
应用
[J]. 工程技术研究，2020（18）.
作者简介
竭尽超： （1986—），男，吉林长春人，本科，
工程师，研究方向发动机制造工艺。

（上接第152页）
AUTO TIME 155。