1 引言
在大规模自动化生产中，螺栓全自动装配工艺常常是必不可少的。它不仅可以提高生产率、减轻工人劳动强度，而且更重要的是能够保证各螺栓的紧固力矩趋于一致，达到设计要求，提高产品的装配质量和整机性能。这项要求已经逐渐成为产品竞争取胜的主要指标之一。
缸盖螺栓自动装配机就是针对冰箱压缩机内曲轴箱气缸端盖的装配工序而研制的。其特点是速度快、质量稳定、全气压控制、结构紧凑、生产运行正常。这种螺栓装配机的控制技术也适用于汽车、摩托车、家电等自动装配生产线。
2 工件特点分析及技术要求
曲轴箱是压缩机的关键部件，缸盖装配质量直接影响压缩机的工作性能，因此缸盖装配具有严格的要求。如图1所示，首先要测得活塞端面与箱体面之间的间隙，按照分组选配原则，选出对应的密封纸垫，以保证活塞与缸底的间隙值要求。其次，要求螺栓的紧固力矩为8～10Nm(依据缸盖材料选择某定值)，四个螺栓的力矩误差控制在一定范围，以保证缸盖受力变形均匀、密封效果好和产品的最佳性能。
图1 气缸盖装配示意图
另外，还要求装配节拍为9秒/台，人工放入缸盖组件(缸盖、钢垫和四个螺栓穿在一起)，推入曲轴箱，自动紧固螺栓，工作完成后自动将曲轴箱推出。操作要简单、省力，更换扳手和维修简便、迅速，设备运行可靠。
3 设备的布局及组成
3.1 设备布局
根据总装生产线的布局、工件流动时的方向和相关工序的操作特点，为使操作者操作方便，以及减少工件在流动过程中的换向次数，螺栓装配机宜布置在流水线的前侧，如图2所示，其前面的三头螺栓机完成工作后，操作者将工件在主滑道上逆时针旋转90°；然后测量端面间隙，标记密封垫组号；之后在本设备上完成螺栓装配。这种布局能减少工件转动次数、减轻劳动强度和提高生产速度。
图2 装配机安装位置图
3.2 机械部件
设备主要由气动扳手组件、缸盖夹具体、下料机构、导向滑道、主滑道和支座等几部分组成，如图3所示。
图3 设备组成图
气动扳手选用日本进口产品，型号为UNR60L，在0.5MPa的气压下，转速610r/min，最大扭矩13.0Nm，最大空气消耗量0.65m3/min。为了使螺栓头顺利进入扳手，扳手组件中装有弹簧，在四个螺栓头不能同时进入扳手的情况下，起到让位和缓冲的作用。另外，扳手组件头部绕马达接手中心可以任意方向摆动，也便于螺栓头的咬入。
缸盖夹具体用来夹紧缸盖组件，如图4所示。夹头在气缸的驱动下，同时夹住缸盖两个相邻的侧面，另两个侧面由固定支点定位。夹紧后，螺栓中心与伸入夹具体内的扳手头的中心对应，螺杆指向曲轴箱的导向滑道。
图4 缸盖夹紧示意图
导向滑道是曲轴箱的进出通道，一方面对曲轴箱的运动起导向作用，使其螺孔位置基本对准螺杆；另一方面，在曲轴箱滑入的过程中，其轴头触动导向滑道组件中的行程阀，自动使气动马达旋转。
下料装置用来卸下已经装配好的工件。即当力矩达到设计要求时，在关闭全部气动马达的同时，也使得下料缸动作，通过杠杆机构推出工件。可以大大减轻劳动强度。
主滑道是生产线上工件流动的轨道。支座支撑上述全部机械部件，并兼作气动控制箱，所有气动逻辑元件安装在支座的箱体内，使得设备外形美观、布局紧凑、安装维护方便。
4 气压控制系统
缸盖螺栓自动装配机采用了全气压控制方式，气动控制原理如图5所示。其中：
气缸1——缸盖夹紧缸，用来夹紧缸盖组件。
气缸2——下料缸，用来推出紧固后的工件。
气缸3——气动扳手马达，用来紧固螺栓。
阀4——缸盖夹紧按钮阀，用来控制夹紧缸动作。
阀5——紧急停止阀，用来处理异常情况。
阀6——行程阀，它靠曲轴箱轴头压动而启动气马达旋转。
阀7——顺序阀，当某个螺栓达到紧固力矩时，该阀动作，切断该马达的换向阀8。
阀8——马达控制阀，用来启停气动扳手。
阀9——逻辑阀，当阀7切断某个马达后，同时使相应的逻辑阀接通，做好停机准备。
阀10——互锁阀，夹紧缸夹紧工件后，该阀动作，待压下行程阀6、主换向阀11换向，才能使马达旋转；否则，即使压下行程阀6，也不能接通马达。
阀11——主换向阀。
阀12——减压阀，调节控制气路压力。
三联件13——空气处理装置，其减压阀12调节主回路的压力。
阀14——换向阀。
设备的工作循环及控制过程如下：
(1)将缸盖组件放入夹具体，按下按钮阀4，使换向阀14换向，夹紧缸盖；下料缸回气，处于后退状态；同时打开互锁阀10，做好开机准备。
(2)将曲轴箱送入导向滑道，打开行程阀6，使主换向阀11换向，四只马达同时启动；这时，曲轴箱将螺栓头压向扳手孔，当螺栓头进入扳手孔后，螺栓开始旋入。
(3)某螺栓达到规定力矩时，该气路气压升高，相应的顺序阀动作，就会关闭该马达的换向阀，使马达停转。此时，另一条气路使对应的逻辑阀9导通，并等待其余逻辑阀导通。
(4)当四个螺栓紧固，全部逻辑阀均导通之后，控制气就使换向阀14换向，松开缸盖，同时，换向阀14使下料缸推出曲轴箱。至此一个工作循环结束，所有元件恢复到原始状态。
(5)工作过程中如出现异常情况，按下急停阀5，控制气将强制换向阀14复位，中断工作循环，等待人工处理故障。
图5 装配机气压控制原理图
5 运行试验分析
设备在调试过程中进行了系统性能试验和紧固力矩试验。试验结果表明：
(1)顺序阀7是控制紧固力矩的关键元件，其性能和质量必须有较高的要求。
(2)系统各处的减压和节流元件的开口大小有一定的内在联系，调整时要综合考虑、协调处理，使系统达到最佳状态。
(3)气动马达的流量对紧固力矩有一定的影响，选择好适应生产率要求和螺纹旋入的转速后，通过调节三联件13的 总减压阀及顺序阀7的协调压力，调定螺栓的紧固力矩。
(4)缸盖材料和螺栓材料的差异对其摩擦力矩影响很大，因此对于不同材料的工件，必须通过试验来确定每一种组合下的顺序阀的起跳压力。
(5)紧固力矩的重复试验表明，装配机的工作精度达到了设计要求。
缸盖螺栓自动装配机投入使用的一年中，从未发生过停机故障，速度快、精度高、运行可靠、满足压缩机生产线的使用要求。工作性能超过了进口设备，而设备投资仅为进口设备的20%。取得了令人满意的经济效益和社会效益。这种控制技术不仅在压缩机生产中取得成功，同样在其它类似的自动化生产线中也有推广价值。