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技术领域

多个实施例涉及用于气缸盖总成的气门机构(valve train)的柔性装配的系 统、方法和工具。

背景技术

气缸盖安装到内燃发动机缸体，以封闭一个或更多个气缸并提供燃烧室 的至少一部分。根据发动机的气缸的构造，可使用一个、两个或更多个气缸 盖。所述气缸盖密封到发动机缸体并通常提供用于将燃料和空气进给到气缸 中的通道，同时还排出燃烧后的排气。出入通道通常由被装配到气缸盖的气 门机构调节。因此，气缸盖与气门机构的组合通常称为气缸盖总成。气门机 构的运转由至少一个凸轮轴驱动。在顶置式凸轮轴的设计中，凸轮轴在气缸 盖总成中被支撑以进行旋转。

气门机构通常包括提升阀(poppet valve)，提升阀被容纳在气缸盖中的 气门导管内进行往复移动。在装配过程中，气门杆插入气缸盖的燃烧侧中。 安装后，气门塞通常通过固定装置或自动化方式保持在安装位置。气缸盖通 常翻转，并且气门弹簧，弹簧帽和保持锁(retainer key)被安装到气门杆。 弹簧被压缩从而允许弹簧帽和保持锁沿气门杆移动，直到保持锁与所述气门 杆上的槽口接合为止。压缩释放，使得弹簧与弹簧帽接合进而对气门塞加载 使其与气缸盖接合。以前，气门机构的安装是手动进行的。后来，在除了气 门弹簧、弹簧帽和保持锁外的单独的单元或站处安装气门的情况下，自动地 完成安装。

发明内容

根据至少一个实施例，提供一种通过将气缸盖定位在第一方位而进行的 装配方法。通过第一机器人将多个第一弹簧帽和多个第一保持锁安装在处于 第一方位的气缸盖中。通过第二机器人将多个第一气门安装在处于第一方位 的气缸盖中，以与所述多个第一保持锁接合。

根据至少另一个实施例，提供一种设置有适配器板的端部执行器。至少 一个致动器被所述适配器板支撑。至少一个轴从致动器伸出。配合表面设置 在所述轴的末端上以与弹簧帽接合。通道被设置为穿过所述轴到达所述配合 表面的中央区域，以将被加压的空气传递到弹簧帽中的多个保持锁上。多个 夹持爪从所述轴的末端伸出以夹持气门弹簧，同时将弹簧帽保持在气门弹簧 和所述轴的配合表面之间。

根据至少另一个实施例，提供一种具有自动化组件的自动化系统，用于 将气缸盖定位在第一方位以进行装配。第一机器人设置有第一工具组件，以 将弹簧帽和保持锁安装在处于第一方位的气缸盖中。第二机器人设置有第二 工具组件，以将气门安装在处于第一方位的气缸盖中。

根据至少另一个实施例，一种装配方法提供了气缸盖气门机构组件的成 套组件，所述成套组件包括气门弹簧、位于气门弹簧上的弹簧帽和位于弹簧 帽的锥形孔内的多个保持锁。使端部执行器定位在所述成套组件上，使得配 合表面面向弹簧帽。使端部执行器朝向所述成套组件移动，直至配合表面接 合弹簧帽为止，使得多个夹持爪夹持气门弹簧。通过端部执行器中的通道输 送被加压的空气，以维持保持锁的方位。

根据至少另一个实施例，一种装配方法提供了端部执行器以将气门弹簧、 气门弹簧上的弹簧帽以及多个保持锁安装到气缸盖总成中的气门杆。端部执 行器通过通道将被加压的空气输送到所装配的气门杆的弹簧帽、气门弹簧、 弹簧帽和保持锁。测量被加压的空气的压力随时间的变化。比较被加压的空 气的测量值，以确定保持锁是否被正确安装。

根据本发明，提供一种端部执行器，包括：适配器板；至少一个致动器， 被支撑在所述适配器板上；至少一个轴，从致动器伸出，在轴的末端上设置 有配合表面以与弹簧帽接合，穿过所述轴至配合表面的中央区域设置有通道， 以将被加压的空气输送到弹簧帽中的多个保持锁上；以及多个夹持爪，从轴 的末端伸出以夹持气门弹簧，同时将弹簧帽保持在气门弹簧和轴的配合表面 之间。

根据本发明的一个实施例，轴设置有中央空腔，其中，端部执行器还包 括：销，被定位在轴的中央空腔中，以限制相对于轴的移动；偏压构件，与 轴和销配合，以将销偏压为与弹簧帽中的所述多个保持锁接合。

根据本发明，一种装配方法，包括：提供成套组件，所述成套组件包括 气门弹簧、位于气门弹簧上的弹簧帽和位于弹簧帽的锥形孔中的多个保持锁； 使端部执行器定位在成套组件上，使得轴的配合表面面对弹簧帽；使端部执 行器朝向成套组件移动，直到轴的配合表面与所述弹簧帽接合为止，从而使 多个夹持爪夹持气门弹簧，并且使销接合所述多个保持锁；通过轴中的通道 输送被加压的空气，以维持所述多个保持锁的方位。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：定位端部执行器，使得气 门弹簧的末端接合围绕气缸盖中的气门导管的气门密封件；致动致动器，使 轴伸出并压缩气门弹簧；将气门安装入气缸盖中，使得气门杆延伸穿过气门 弹簧和所述多个保持锁以与所述销接合，直到轴上的槽经过所述多个保持锁； 以及致动致动器，使轴回缩并使气门弹簧伸出，直到保持锁与气门杆上的槽 接合为止，由此保持弹簧帽和被部分地压缩的气门弹簧。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：通过轴中的通道将被加压 的空气输送到被装配的气门杆的弹簧帽、气门弹簧、弹簧帽和多个保持锁； 测量被加压的空气的压力随时间的变化；以及比较被加压的空气测量值以确 定保持锁是否被正确安装。

根据本发明，一种自动化系统包括：自动化组件，将用于装配的气缸盖 定位在第一方位；具有第一工具组件的第一机器人，将弹簧帽和保持锁安装 入处于第一方位的气缸盖中；以及具有第二工具组件的第二机器人，将气门 安装入处于第一方位的气缸盖中。

根据本发明的一个实施例，自动化组件不接触气门。

根据本发明的一个实施例，自动化组件还包括将气缸盖定位在第一方位 的自动的固定装置。

根据本发明的一个实施例，第二工具组件还适应于安装具有各自弹簧帽 的气门弹簧。

根据本发明的一个实施例，所述自动化系统还包括反作用固定装置，所 述反作用固定装置被定位而接合第二工具组件，以在气门弹簧压缩期间和弹 簧帽和保持锁安装期间向第二工具组件提供反作用力。

根据本发明的一个实施例，所述自动化系统还包括屏障，隔离自动化系 统；以及输送器，穿过所述屏障以将多个气缸盖输送至自动化组件。

根据本发明，一种装配方法包括：提供气缸盖气门机构组件的成套组件， 所述成套组件包括气门弹簧、位于气门弹簧上的弹簧帽以及位于弹簧帽的锥 形孔内的多个保持锁；使端部执行器定向在成套组件上，使得配合表面面向 弹簧帽；使端部执行器朝向成套组件移动，直至配合表面接合弹簧帽，使得 多个夹持爪夹住气门弹簧；以及通过端部执行器中的通道输送被加压的空气， 以维持保持锁的方位。

根据本发明，一种装配方法包括：提供端部执行器以将气门弹簧、气门 弹簧上的弹簧帽以及多个保持锁安装到气缸盖总成中的气门杆；通过端部执 行器中的通道将被加压的空气输送到被装配的气门杆的弹簧帽、弹簧帽和所 述多个保持锁；测量被加压的空气的压力随时间的变化；以及比较被加压的 空气测量值以确定保持锁是否被正确安装。

附图说明

图1是根据实施例的装配线的俯视图；

图2是示出根据实施例的图1的装配线的柔性装配单元在第一装配位置 的透视图；

图3是示出图2的柔性装配单元在另一装配位置的另一个透视图；

图4是示出图2的柔性装配单元在另一装配位置的另一个透视图；

图5是根据实施例的用于图2的柔性装配单元的端部执行器(end  effector)的透视图；

图6是示出图5的具有成套的气门弹簧、弹簧帽和保持锁的端部执行器 的夹持组件在第一装配位置的局部剖视图；

图7是示出图6的夹持组件和套件在第二装配位置的另一个局部剖视图；

图8是示出图6的夹持组件和套件在安装到气缸盖总成中的气门杆的过 程中在第一装配位置的局部剖视图；

图9是示出图8的夹持组件、套件和气缸盖总成在另一装配位置的另一 个局部剖视图；

图10是示出图8的夹持组件、套件和气缸盖总成在另一个第二装配位置 的另一个局部剖视图；

图11是示出图8的夹持组件、套件和气缸盖总成在另一装配位置的另一 个局部剖视图；

图12是示出图8的夹持组件、套件和气缸盖总成在另一装配位置的另一 个局部剖视图；

图13是示出图8的夹持组件、套件和气缸盖总成在第一测试位置的另一 个局部剖视图；

图14是示出图8的夹持组件、套件和气缸盖总成在另一个测试位置的另 一个局部剖视图；

图15是用于测试保持锁的安装的压力与时间的曲线图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细的实施例。然而，应理解的是，公开 的实施例仅为本发明的示例，其可以多种和可变的形式实施。附图无需按比 例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开 的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种 形式实施本发明的代表性基础。

参照图1，示出根据实施例的装配线20。装配线20用于气缸盖总成的装配。 装配线20可专用于单个气缸盖总成的装配，或者可被构造为装配多种气缸盖 总成的构造。后者允许设备和车间空间再利用，而不会产生重复的费用。

装配线20包括用于沿着装配线20输送气缸盖总成的输送系统22。气缸盖 总成可均被支撑在托盘上，所述托盘沿输送系统22输送。输送系统22将每个 气缸盖总成输送到多个站或工作间，以进行多个递增的装配操作。托盘还可 为随后的装配提供成套组件(例如，气门弹簧，弹簧帽和保持锁)。

装配线20包括用于将气门机构安装到气缸盖总成的装配单元24。装配单 元24是自动化的，并被周围防护件26围绕以在行人和自动化设备之间提供物 理屏障。输送系统22延伸到周围防护件26中并从周围防护件26伸出以便为装 配单元24输送气缸盖总成。装配单元24还可包括另外的二级输送系统28，用 于将另外的装配组件(例如，进气门和排气门)传送到装配单元24。或者， 二级输送系统也可以提供成套的气门弹簧、弹簧帽和保持锁。在另一个可选 方案中，气门可设置在托盘上由此省略二级输送系统28。装配线20可包括一 对冗余的装配单元24，以复制装配气缸盖总成的作业能力，并在装配单元24 中的一个需要维护或维修的情况下保持生产。

图2至图4示出了根据实施例的一个装配单元24。气缸盖总成输送系统22 将具有气缸盖32的托盘30和成套组件输送到装配单元24。装配单元24包括三 个自动化组件；根据所描述的实施例，自动化组件包括一级工业机器人34， 二级工业机器人36和自动的固定装置38。一级机器人34传送托盘30并安装成 套组件。二级机器人36安装气门。自动的固定装置38支撑气缸盖32，并定位 气缸盖32用于安装。尽管说明和描述了两个机器人34、36和一个自动的固定 装置38，但对于系统、方法和工具的设置，可考虑机器人和固定装置的任意 组合。

一级机器人34设置有端部执行器40(在图5中更详细地示出)。端部执行 器40包括适配器板(adapter plate)42，用于将端部执行器40作为手臂工具的 端部安装到一级机器人34上。端部执行器40包括用于夹持托盘30的托盘夹持 组件44。再次参照图2，一级机器人34通过托盘夹持组件44夹持托盘30。然后 如图3所示，一级机器人34举起托盘30，并将托盘30放到自动的固定装置38 上。

气缸盖32被传输到置于气缸盖32的发动机侧或燃烧侧的机器人34、36处。 与现有技术不同，气缸盖32不翻转以便安装气门。托盘30包括间隙孔46，隙 孔46用于从气缸盖32的下方接近(access)气门导管。

自动的固定装置38包括支撑结构48(例如，直立的焊件)，用于安装到 底层支撑表面。旋转致动器50(例如，伺服电机)由支撑结构支撑。平台52 枢转地安装到支撑结构48，并被旋转致动器驱动为相对于支撑结构48具有多 个角度位置。平台52是用于定位和支撑托盘30的固定装置。平台52还包括间 隙孔54，以从气缸盖32的下方接近气门导管。

在托盘30和气缸盖32被放置在平台52上后，旋转致动器50使平台52旋转， 使得一排气门导管被垂直定位，或者换句话说，垂直于地面。

再次参照图5，一级机器人34的端部执行器40包括安装到适配器板42的可 更换的适配器56。可更换的适配器56允许机器人34更换用于各种气缸盖构造 的工具，而不需要手动进行工具更换。工具子组件58安装到可更换的适配器 56，用于安装气门弹簧，弹簧帽和保持锁。这些部件的安装通常被称为锁合 (key-up)，因此，用于执行这些操作的工具通常被称为锁合工具。

图4和5示出了锁合工具子组件58的各种构造。锁合工具子组件58具有安 装到可更换的适配器56的框架60。多个线性致动器62安装到框架60并按照线 性排列的方式分隔开，与在气缸盖32中分隔开的线性布置的气门对齐地分开。 对于所描述的实施例，线性致动器62可以是气压缸；然而，考虑任何适合的 线性致动器。

现在参照图5和6所示，每个线性致动器62驱动一个轴64，在图6中，示出 的轴64接近气门组件的套件(kit)66。此时，线性致动器62不被压缩。套件 66包括气门弹簧68、弹簧帽70以及一对保持锁72。每个保持锁72均包括用于 接合到气门杆中对应的槽的三个珠(bead)74。当然，可考虑任何构造的保 持锁。如上所讨论的，对于所描述的实施例，套件66设置在托盘30上。

每个轴64具有设置在轴64的末端上以接合弹簧帽70的配合表面76。一对 夹持爪78还安装到轴64；并且夹持爪78被设置为能够夹持气门弹簧68的尺寸。 弹簧承载的中央销80从轴64伸出并穿过轴64的配合表面76。一级机器人34使 轴64定位为位于套件66的上方并面对套件66。一级机器人34使锁合工具子组 件58朝向套件66移动，使得中央销80接合保持锁72。在安装过程中，中央销 80保持与保持锁72对齐。

在图7中所示，一级机器人34使锁合工具子组件58进一步朝向套件66移 动，由此在维持保持锁72的方位的同时收回中央销80。夹持爪78由弹簧合金 形成并且其尺寸小于气门弹簧68。当夹持爪78压在气门弹簧68上时，夹持爪 78扩张并在气门弹簧68周围施力。轴64移动直到配合表面76接合弹簧帽70为 止，从而夹持爪78将气门弹簧68、弹簧帽70和保持锁72保持在其中。

如图7中所示，密封件82设置在轴64的末端，用于为配合表面76与弹簧帽 70提供严密的流体密封。弹簧承载的中央衬套84围绕中央销80设置在轴64中。 通道86围绕中央轴衬84设置，以提供从轴64到弹簧帽70的流体通道。根据一 个实施例，在端部执行器40和套件66运动期间，流体通道被加压以进一步维 持保持锁72与弹簧帽70和中央销80的接合。或者，可对通道应用真空源，以 绕中央销80使保持锁72抵住配合表面76。致动器62可被冲程至中间压力(标 记为压力1)，以恢复套件66。

再次参照图4，一级机器人34使套件66与在气缸盖32内的气门导管对齐。 反作用条88设置在锁合工具子组件58的框架60上。同样地，静止反作用梁90 从自动的固定装置38的支撑结构48伸出。一级机器人34升起端部执行器40， 使得反作用条88接合反作用梁90。由于平台52的旋转位置，因此气缸盖32和 气门导管垂直于反作用梁90，以在压缩气门弹簧68时提供反作用力。通过将 反作用力分配到静止结构，反作用力不会分配到机器人34。

然后，线性致动器62通过另一个中间压力(标记为大于压力1的压力2) 致动，从而使轴64伸出，如图8中所示。在这个位置，弹簧帽70被压迫而挤压 气门弹簧68，从而压缩气门弹簧68抵住设置在气缸盖32中的气门导管94周围 的气门密封件92。与现有技术不同，在气门弹簧68的压缩过程中，气门杆没 有出现，从而避免由气门杆和保持锁72接合造成的未对齐。

再次参照图2-4，二级机器人36具有端部执行器96，用于从气门机构输送 系统28上的衬垫100取回气门98。端部执行器96可将真空座(vacuum cup)102 应用到气门98的气门塞106的燃烧表面104以进行操作。在平台52的第一旋转 位置中，进气门导管94通常被竖直定位。因此，二级机器人36选择进气门98， 并通过设置在托盘30和平台52中的间隙孔46、54中的间隙将进气门98插入到 气门导管94中。

再次参照图8，二级机器人36将气门98压入气门导管94中。可通过二级机 器人36或通过二级端部执行器96上的致动器或一排致动器提供移动。如图9 中所示，二级机器人36继续移动气门98直到气门杆108延伸超过气门密封件92 而与保持锁72接合为止。此外，致动器62被加压到压力3(大于压力2)，从 而弹簧68进一步被压缩，致动器62达到完全致动的硬停止(hard stop)或极限。

在图10中,气门杆108的进一步前进通过被加压的空气而使保持锁72与 中央衬套84接合，同时气门杆108接触中央销80并使中央销80回缩直到气门塞 106被置于气缸盖32的燃烧表面中为止。中央销80具有一定的移动范围以适应 气门杆108的长度的公差变化。在该步骤期间，致动器62保持在压力3。

在图11中，通过将压力减小到压力4(小于压力3)，锁合工具子组件58 的线性致动器62回缩。在回缩过程中，每个气门弹簧68均伸长，由此将相应 的弹簧帽70朝向保持锁72压缩。被加压的空气保持对保持锁72施力以促使保 持锁72与气门杆108配合。否则，可能会例如由于保持锁72上的油将保持锁72 粘附到中央衬套84、中央销80或密封件82而造成未对齐。在回缩期间，保持 锁72上的珠74与气门杆108中的槽110对齐。

在图12中，通过将气压缸压力减少至压力5(小于压力4)，线性致动器 62继续回缩。当气门弹簧68将弹簧帽70压入保持锁72中时，弹簧帽70中的锥 形孔112使保持锁72朝气门杆108靠拢而使珠74被锁定接合在气门杆108上的 槽110内。在锁定布置中，气门弹簧68仍然被部分地压缩，由此保持锁定接合 并完成气门机构的装配。

与现有技术不同，在气门机构的装配期间，气缸盖32保持在一个位置中， 从而避免了额外的制造设备、制造步骤以及车间占地面积。在弹簧帽70和保 持锁72装配期间，二级机器人36保持气门98处于安装位置，从而避免了用于 将气门98保持在安放位置的任何额外的硬件或自动装置。锁合工具子组件58 的紧凑性允许在不用将凸轮盖从气缸盖32拆卸掉的情况下安装套件66，从而 进一步简化了制造设备、制造步骤及车间占地面积。

通常由自动化地检查气缸盖总成，以确定气门机构是否被正确地装配。 这样的检查通常是由另外的设备完成，这甚至可能在装配线上增加另外的单 元。相反，锁合工具子组件58被构造为从气门机构的装配接近完成的状态下 进行检查，以使额外的循环时间最小化。在图13中，锁合工具子组件58朝向 气缸盖32移动，直到中央销80接触气门杆108为止。在图14中，锁合工具子组 件58进一步移动，直到密封件82接合弹簧帽70为止。在这些步骤过程中，保 持并测量被加压的空气。

图15示出横坐标为时间和纵坐标为压力的曲线图。范围1示出了工具的回 压，这对于本领域公知的真空系统来说可以是正压或负压。范围2是在启用压 力时测量到的。范围3是在检查期间测量到的。如果保持锁72被正确安装，则 空气的压力随时间增大。如果一个或两个保持锁72没有被安装，则压力不随 时间而增大。因此，在锁合工具子组件58完全缩回之前，在安装后能够立即 检查到故障。将范围3的检查值与范围2进行比较，以确定保持锁72的正确安 装。工具和其相关联的管道的回压可能随时间变化。因此，利用范围3与范围 2之间的差异来确定是否被正确的安装。同样，利用范围2与范围1之间的差异 来确定是否被不正确地安装。利用范围内的差异补偿回压的变动。

气缸盖(例如，在此描述的气缸盖32)包括进气和排气的气门机构。在 一个气门机构安装(例如，上述进气的气门机构装配过程)之后，自动的固 定装置38使平台52枢转到第二方位，由此，排气气门导管被竖直定位，即， 垂直于反作用梁90。然后通过利用排气门114，重复进气气门机构的装配步骤， 用于排气气门机构。

对于具有左、右气缸盖的V形构造的发动机来说，装配单元24可以针对 两个气缸盖灵活地装配气门机构组件。通过更换专用于特定构造的工具，装 配单元24能够装配各种构造的气缸盖。

虽然上文描述了多个实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明 的所有可能的形式。更确切的说，说明书中使用的词语为描述性词语而非限 定，并且应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各 种改变。此外，可以组合多个实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。