基于MOTOMAN工業機器人的發動機曲軸自動化裝配

李海東

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261041)

曲軸是發動機最重要的機件，其有兩個重要部位：主軸頸、連桿頸，主軸頸被安裝在缸體和曲軸箱上，連桿頸與連桿大頭孔連接。裝配曲軸是柴油機裝配的重要環節，精度要求高、勞動強度大，裝配過程須防止磕碰傷，確保配合間隙，其裝配質量直接影響著發動機的可靠性與壽命。

1 設計背景及意義

1.1 設計背景

柴油機裝配線設計為采用人工操作專用吊具吊裝曲軸的2、5缸連桿頸完成裝配(如圖1所示)。人工裝配曲軸時難以找正曲軸主軸頸與軸瓦位置，存在主軸頸、連桿頸和軸瓦的劃傷、磕碰傷及表面二次污染等質量隱患，試車過程甚至出現劃瓦、曲軸抱死等惡性事故，且裝配勞動強度大及效率難以保證，存在諸多安全隱患。

1.2 設計意義

2016年，隨著“汽車發動機數字化車間”通過驗收，“柴油機智能制造綜合試點示范項目”入圍國家智能制造試點示范項目，在生產制造環節，打造“智慧工廠”，推進互聯網與工業生產的有機結合，將智能制造貫穿產品制造全過程。在關鍵工序普及機器人——MOTOMAN機器人實現曲軸自動化裝配，有效提高生產效率、提升產品質量，將工人從高危、繁重的勞動工序中解放出來，標志著柴油機裝配線裝備技術研究與工藝優化的新突破。經使用證明，滿足柴油機裝配要求，取得了良好的社會效益和經濟效益。

2 設計方案

2.1 總體方案

根據柴油機裝配線現場工藝布局：自主設計步距式輸送鏈，實現了曲軸自動輸送；自主設計機器人搬運曲軸專用夾具，實現曲軸的夾緊及到位鎖緊；利用加工車間缸蓋生產線閑置的一臺UP系列工業機器人，自主編制機器人程序和輸送鏈控制PLC程序，實現機器人與輸送鏈、輸送鏈與裝配線控制系統的信號對接；自主設計機型防錯軟硬件聯鎖保護裝置，實現了機型的自動識別與切換等工作。圖2為方案總圖。

2.2 MOTOMAN機器人

加工車間2004年投產的豐田兩氣門缸蓋生產線，配套有5臺MOTOMAN機器人，負責該生產線加工中心之間的自動上下料作業。因公司產品升級換型，截至2016年該生產線累計有3臺MOTOMAN-UP350D機器人閑置。經論證，該MOTOMAN-UP350D機器人滿足曲軸(重量：80～120 kg)裝配作業負荷要求，通過自主開發相應軟硬件裝置，實現曲軸的自動化裝配，滿足原有柴油機裝配線工藝布局，實現曲軸裝配的省人化、自動化。機器人本體標準規格見表1。

表1 機器人本體標準規格

名稱MOTOMAN-UP350D式樣YR-UP0350D-A00構造垂直多關節型(6自由度)負荷/kg350重復定位精度/mm±0.5容許力矩R軸(手腕旋轉)/(N·m)1 960B軸(手腕擺動)/(N·m)1 960T軸(手腕回轉)/(N·m)823本體重量/kg2 200

2.3 曲軸輸送鏈

根據曲軸回轉直徑約為240 mm，單支重量80～120 kg等基本參數，設計選用節距P=150 mm的輥輪式彎板鏈條，相鄰兩曲軸之間間隔60 mm以上，滿足曲軸吊裝、預裝配作業無干涉的要求；設計為兩排鏈條輸送，通過固定在鏈條彎板上的尼龍V型托架分別托曲軸2、6主軸頸，滿足曲軸輸送的要求。在兩排鏈條之間對應每支曲軸的下方共計設置22塊不銹鋼防護罩(長735 mm×寬290 mm)，與設置在輸送鏈外圍的不銹鋼防護罩，實現輸送鏈內部傳動裝置的封閉，既美觀大方，又確保了人機安全，如圖3。根據現場區域：輸送鏈全長3 650 mm×寬1 300 mm×高970 mm，完成8根曲軸的輸送，滿足曲軸裝配作業要求。在輸送鏈前端的機器人取料位設置氣動V型舉升裝置和曲軸類型識別裝置，實現曲軸類型識別和準確定位。

2.4 曲軸專用夾具

根據曲軸結構特點，設計由橫梁、左手爪、右手爪、夾緊裝置四部分構成的專用夾具。在橫梁中間區域設置有定位臺階口、螺紋孔、定位銷孔，通過螺栓及定位銷與上部的機器人T軸手臂連接盤進行定位連接及固定。橫梁左右兩端分別設置安裝孔與下方區域的直線導軌滑塊，通過螺栓固定連接，并通過直線導軌滑塊分別與左、右手爪上的直線導軌進行配合連接。鎖緊氣缸采用FESTO品牌DNC-KP系列氣缸(自帶鎖緊裝置)，其兩端分別與左、右手爪固定連接，從而驅動夾具左、右手爪的夾緊與松開，并保證在左、右手爪夾持曲軸到位后，對氣缸活塞桿鎖住，保證裝配過程中曲軸夾持可靠，滿足曲軸裝配安全要求，如圖4。左、右手爪夾持曲軸兩端工藝銷孔，避免裝配過程對曲軸磕碰傷和裝配過程污染等質量隱患，從而避免了軸瓦損傷和試車過程中劃瓦等質量事故。

2.5 柴油機托盤定位

將曲軸裝配由人工方式升級為機器人自動裝配，需要在原裝配線托盤到位停止功能基礎上，增加托盤到位停止后的氣動插銷定位功能，實現裝配過程中每臺柴油機到位的一致性。因該插銷機構為該裝配線現有的裝置，只需要安裝一段帶插銷裝置的專機工位所用的定位型輸送輥道，替代原來的人工裝配工位所用的到位型輸送輥道，即可滿足機器人自動裝配作業要求。圖5為柴油機托盤定位。

2.6 程序設計

自主編寫MOTOMAN機器人程序和曲軸輸送鏈控制PLC程序，修改完善原裝配線托盤輸送線控制程序，實現機器人控制系統與輸送鏈系統、輸送鏈系統與裝配線托盤輸送線控制系統的信號對接。

3 結語

MOTOMAN機器人實現曲軸自動化裝配是柴油機裝配線自主應用機器人的首例，標志著柴油機裝配線裝備技術研究與工藝優化的新突破，經使用證明，滿足柴油機裝配要求。在總結該項目經驗的基礎上，項目組自主設計完成柴油機裝配線實現機器人自動裝配曲軸箱。兩臺MOTOMAN-UP350D機器人成功應用于柴油機裝配線，分別實現曲軸和曲軸箱的自動化裝配，并通過設備運行可靠性驗證。圖6曲軸箱機器人自動裝配單元。

2016年12月，項目組自主設計完成36 m七軸機器人自動上下料項目。至此，3臺閑置的MOTOMAN-UP350D機器人均得到有效再利用，并在推進“智慧工廠”建設，取得了良好的社會效益和經濟效益。

[1]黃希, 王恒, 田威,等. 基于工業機器人的飛機部件柔性化裝配系統研究[J].制造業自動化， 2013(12): 143-146.

[2] 黎田, 胡曉雪, 姚為,等. 機器人在航天裝備自動化裝配中的應用研究[J]，自動化柔性裝配應用. 2014(21): 102-104.

[3]大連組合機床研究所. 組合機床設計：第一冊 機械部分[M] .北京: 機械工業出版社，1975.

[4] 沈建新,田威. 基于工業機器人的飛機柔性裝配技術[J]. 南京航空航天大學學報， 2014(4): 181-189.