一種發動機曲軸上料角度校正及運輸方案設計與應用

黃 華，吳明杰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 寶駿基地發動機工廠，廣西 柳州 545007）

曲軸作為發動機最重要的部件之一，其生產過程中，因其結構復雜[1]，曲軸毛坯件上料需要人工手動搬運，并旋轉至特定角度，配合防錯托盤才得以實現完整上料過程。實際生產過程中，按某公司單班生產750件增壓曲軸，上料需人工搬運約760件11 kg的零件，并旋轉放置在托盤。通過調查發現該上料方式長期運行中會出現毛坯角度放置錯誤，撞擊工裝，成本高，效率低的問題，并在開啟多線加工時需安排相應人員參與。分析其根本原因在于人工重復工作動作存在惰性，操作不穩定，人工維護成本高等。因此，設計了一種穩定性強，使用壽命長，方便后期維護的曲軸上料角度校正及運輸裝置成為了迫切需要解決的問題。

1 曲軸上料角度校正及運輸裝置結構及功能簡介

設計的曲軸上料角度校正及運輸裝置由基礎框架、懸臂梁、支撐座組件、水平直線氣缸、直線滑軌、夾爪氣缸及轉向滑軌組件、機械夾爪組件、曲柄連桿結構等部分組成。由支撐座組件承接來料，實現初步角度校正，機械夾爪夾緊工件后轉向滑軌組件結合曲柄連桿結構可以實現抓緊工件的夾爪組價定向90°旋轉，直線氣缸結合直線軸承、直線滑軌等結構實現X、Z向的移載，移載依靠選定好的氣缸行程將工件傳送到位。其結構全貌如圖1所示。

圖1 裝置全貌圖

2 曲軸角度

一般生產中，曲軸第2第3平衡塊垂直朝上時，默認曲軸角度為0°（見圖2）。

在后工序加工前，需要先將曲軸的芯軸側向視圖角度調整為圖3所示狀態才可無干涉放入加工工位。因為曲軸在經過機器人夾取上料放置時角度為任意角度，故需要人工旋轉或設計機械裝置對其角度進行校正才可正確放置到托盤或工位上。

圖2 曲軸工件0°示意

圖3 曲軸工件90°示意

3 支撐座組件設計

料到托盤時曲軸需已校正為90°，而機器人上料時，工件角度任意。通過研究曲軸的結構知曲軸有連桿頸偏心結構，故在結構上加以限位就能實現初步角度校正。故支撐座組件主要依靠工件自身重力，配合第2、3連桿頸的限位實現曲軸角度初步校正[1]。其由安裝底板、頂升氣缸組件接觸條、連桿頸限位支撐座、防掉落限位板、主軸頸V型塊組件組成。

該部分結構設計動作為氣缸向上頂升，帶動主軸頸V型塊上升至最大行程，經支撐主軸頸2、主軸頸3來承接曲軸工件，而后感應器傳達信號，頂升氣缸下降至最低，期間主軸頸V型塊脫離工件，而連桿頸限位支撐座上的接觸條支撐曲軸連桿頸1、4。此過程工件憑借自身重力配合支撐座限位，結束后工件必定被限制為0°狀態，此時工件為角度初校正完成狀態。設計在實驗階段也得到了證實。筆者在實驗中多次改變零件初始角度，在經過初步角度校正后，零件均保持0°狀態（圖4及表1）。

圖4 角度初校正實驗圖示

表1 角度初校正實驗記錄表

4 機械夾爪組件設計

機械夾爪組件在裝置中主要起抓取夾緊及運輸工件的作用。留意到夾爪夾取工件后夾取端需承擔工件重量，直接導致夾取工件后旋轉過程中需承載不平衡扭矩，夾取端單側附加重力約105 N，將引起附加扭矩在裝置頻繁動作過程中使組件變形及磨損，極大降低組件壽命。故設計了可調節重量的配重塊結構（圖6左側），平衡組件夾取后定向旋轉帶來的不平衡力。

在夾爪設計上，只要對連桿頸這一偏心結構進行限位即可保持工件在夾緊移載過程中不會發生角度偏移。故設計過程中，基礎定位面為第2、4主軸頸圓周面，再通過限位第1、4連桿頸圓周，最后定位及夾緊第3主軸頸[2]實現整個夾取及限位過程（圖5右側）。使用過程中可通過預設的孔位改變限位工裝位置實現多型號曲軸兼容夾取。

圖5 夾爪組件結構圖示

5 導向滑軌組件設計

導向滑軌組件主要由導軌和搖桿組成。導軌在裝置中主要起導向作用，結合搖桿和機械夾爪，對曲軸進行定向旋轉。在設計過程中，欲使搖桿帶動夾爪組件恰好旋轉90°，就必須將導軌的中心高度差設置為與搖桿力臂長度X相同[3]（圖6）。與搖桿相連的滾動軸承和傳動桿均采用鍵與之相連，從而降低應力集中。設計上，與導軌相接觸的軸承選用圓錐滾子軸承，承受部分裝置重力帶來的單一方向負荷（其余部分由懸臂部件承受）。

圖6 導向滑軌組件結構圖示

其次，導軌設計為可調節行程距離的組合。設計了調節塊和螺釘、螺母的組合結構（圖7）。通過調整好螺釘進入導軌的深度，再鎖緊螺母，就能實現導軌角度和距離的微調，降低了機械件的生產精度，一定程度上降低了裝置成本，還方便現場裝置的安裝和調試。

圖7 滑軌可調結構示意

6 水平移載組件設計

水平移載組件在裝置動作過程中主要起承載裝置部分重力和負責直線運載的作用，由直線導軌、滑塊、懸臂、驅動安裝板和直線氣缸組成（圖8）。懸臂主要分擔大部分機械夾爪組件和曲軸毛坯工件的重力。直線導軌和滑塊主要承載運動過程中產生的徑向力和驅動安裝板傳遞的壓力，直線氣缸則作為動力來源，驅動水平移載。整個組件運動可靠性強，受力分布均勻，能降低故障率的同時降低維護成本。

圖8 水平移載組件結構示意

7 方案功能驗證

基于以上設計成功制造了曲軸上料角度校正及運輸裝置，如圖9所示，并在試驗區進行簡單安裝和實驗。導軌經過調整到適當位置并固定后，結合搖桿結構帶動夾爪組件在運動過程中流暢無卡頓，可實現所需角度的定向旋轉，且全程不需要大推力驅動，符合設計要求。驗證夾取搬運功能顯示，夾爪移動到位，夾取曲軸工件，返回下料工位途中實現定向旋轉，動作過程夾爪穩定夾持工件，工件未發生掉落和移位等情況（見圖9）；緊湊氣缸下降到達下料位置后，夾爪放料，過程穩定無異常。表明設計合理、可行。

圖9 工件夾取移載示意

8 結語

本文根據曲軸上料角度需求及曲軸結構的特點提出一種發動機曲軸上料角度校正及運輸方案，實驗表明，所設計的裝置可實現曲軸上料角度自動校正及運輸，裝置拼裝及運作過程均較為順利。該裝置上料過程較人工操作更加穩定可靠，整個方案結構簡單，功能分區清晰明了。設備運動結構均采用滾動形式，裝置中唯一涉及滑動的支撐座接觸條涉及可拆卸結構，磨損后可直接拆卸更換，降低了后期維護成本。方案配合機器人及視覺系統可實現完全的曲軸自動化上料，給生產車間帶來減員增效的效益，下一步將進入生產線使用和完善。