一種發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上料角度校正及運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃 華，吳明杰

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 寶駿基地發(fā)動(dòng)機(jī)工廠，廣西 柳州 545007）

曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件之一，其生產(chǎn)過(guò)程中，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]，曲軸毛坯件上料需要人工手動(dòng)搬運(yùn)，并旋轉(zhuǎn)至特定角度，配合防錯(cuò)托盤(pán)才得以實(shí)現(xiàn)完整上料過(guò)程。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，按某公司單班生產(chǎn)750件增壓曲軸，上料需人工搬運(yùn)約760件11 kg的零件，并旋轉(zhuǎn)放置在托盤(pán)。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該上料方式長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)毛坯角度放置錯(cuò)誤，撞擊工裝，成本高，效率低的問(wèn)題，并在開(kāi)啟多線(xiàn)加工時(shí)需安排相應(yīng)人員參與。分析其根本原因在于人工重復(fù)工作動(dòng)作存在惰性，操作不穩(wěn)定，人工維護(hù)成本高等。因此，設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，方便后期維護(hù)的曲軸上料角度校正及運(yùn)輸裝置成為了迫切需要解決的問(wèn)題。

1 曲軸上料角度校正及運(yùn)輸裝置結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)的曲軸上料角度校正及運(yùn)輸裝置由基礎(chǔ)框架、懸臂梁、支撐座組件、水平直線(xiàn)氣缸、直線(xiàn)滑軌、夾爪氣缸及轉(zhuǎn)向滑軌組件、機(jī)械夾爪組件、曲柄連桿結(jié)構(gòu)等部分組成。由支撐座組件承接來(lái)料，實(shí)現(xiàn)初步角度校正，機(jī)械夾爪夾緊工件后轉(zhuǎn)向滑軌組件結(jié)合曲柄連桿結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)抓緊工件的夾爪組價(jià)定向90°旋轉(zhuǎn)，直線(xiàn)氣缸結(jié)合直線(xiàn)軸承、直線(xiàn)滑軌等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)全貌如圖1所示。

圖1 裝置全貌圖

2 曲軸角度

一般生產(chǎn)中，曲軸第2第3平衡塊垂直朝上時(shí)，默認(rèn)曲軸角度為0°（見(jiàn)圖2）。

在后工序加工前，需要先將曲軸的芯軸側(cè)向視圖角度調(diào)整為圖3所示狀態(tài)才可無(wú)干涉放入加工工位。因?yàn)榍S在經(jīng)過(guò)機(jī)器人夾取上料放置時(shí)角度為任意角度，故需要人工旋轉(zhuǎn)或設(shè)計(jì)機(jī)械裝置對(duì)其角度進(jìn)行校正才可正確放置到托盤(pán)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(shè)計(jì)

料到托盤(pán)時(shí)曲軸需已校正為90°，而機(jī)器人上料時(shí)，工件角度任意。通過(guò)研究曲軸的結(jié)構(gòu)知曲軸有連桿頸偏心結(jié)構(gòu)，故在結(jié)構(gòu)上加以限位就能實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)作為氣缸向上頂升，帶動(dòng)主軸頸V型塊上升至最大行程，經(jīng)支撐主軸頸2、主軸頸3來(lái)承接曲軸工件，而后感應(yīng)器傳達(dá)信號(hào)，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(guò)程工件憑借自身重力配合支撐座限位，結(jié)束后工件必定被限制為0°狀態(tài)，此時(shí)工件為角度初校正完成狀態(tài)。設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)階段也得到了證實(shí)。筆者在實(shí)驗(yàn)中多次改變零件初始角度，在經(jīng)過(guò)初步角度校正后，零件均保持0°狀態(tài)（圖4及表1）。

圖4 角度初校正實(shí)驗(yàn)圖示

表1 角度初校正實(shí)驗(yàn)記錄表

4 機(jī)械夾爪組件設(shè)計(jì)

機(jī)械夾爪組件在裝置中主要起抓取夾緊及運(yùn)輸工件的作用。留意到夾爪夾取工件后夾取端需承擔(dān)工件重量，直接導(dǎo)致夾取工件后旋轉(zhuǎn)過(guò)程中需承載不平衡扭矩，夾取端單側(cè)附加重力約105 N，將引起附加扭矩在裝置頻繁動(dòng)作過(guò)程中使組件變形及磨損，極大降低組件壽命。故設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)重量的配重塊結(jié)構(gòu)（圖6左側(cè)），平衡組件夾取后定向旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的不平衡力。

在夾爪設(shè)計(jì)上，只要對(duì)連桿頸這一偏心結(jié)構(gòu)進(jìn)行限位即可保持工件在夾緊移載過(guò)程中不會(huì)發(fā)生角度偏移。故設(shè)計(jì)過(guò)程中，基礎(chǔ)定位面為第2、4主軸頸圓周面，再通過(guò)限位第1、4連桿頸圓周，最后定位及夾緊第3主軸頸[2]實(shí)現(xiàn)整個(gè)夾取及限位過(guò)程（圖5右側(cè)）。使用過(guò)程中可通過(guò)預(yù)設(shè)的孔位改變限位工裝位置實(shí)現(xiàn)多型號(hào)曲軸兼容夾取。

圖5 夾爪組件結(jié)構(gòu)圖示

5 導(dǎo)向滑軌組件設(shè)計(jì)

導(dǎo)向滑軌組件主要由導(dǎo)軌和搖桿組成。導(dǎo)軌在裝置中主要起導(dǎo)向作用，結(jié)合搖桿和機(jī)械夾爪，對(duì)曲軸進(jìn)行定向旋轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，欲使搖桿帶動(dòng)夾爪組件恰好旋轉(zhuǎn)90°，就必須將導(dǎo)軌的中心高度差設(shè)置為與搖桿力臂長(zhǎng)度X相同[3]（圖6）。與搖桿相連的滾動(dòng)軸承和傳動(dòng)桿均采用鍵與之相連，從而降低應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)上，與導(dǎo)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(lái)的單一方向負(fù)荷（其余部分由懸臂部件承受）。

圖6 導(dǎo)向滑軌組件結(jié)構(gòu)圖示

其次，導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)行程距離的組合。設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)塊和螺釘、螺母的組合結(jié)構(gòu)（圖7）。通過(guò)調(diào)整好螺釘進(jìn)入導(dǎo)軌的深度，再鎖緊螺母，就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌角度和距離的微調(diào)，降低了機(jī)械件的生產(chǎn)精度，一定程度上降低了裝置成本，還方便現(xiàn)場(chǎng)裝置的安裝和調(diào)試。

圖7 滑軌可調(diào)結(jié)構(gòu)示意

6 水平移載組件設(shè)計(jì)

水平移載組件在裝置動(dòng)作過(guò)程中主要起承載裝置部分重力和負(fù)責(zé)直線(xiàn)運(yùn)載的作用，由直線(xiàn)導(dǎo)軌、滑塊、懸臂、驅(qū)動(dòng)安裝板和直線(xiàn)氣缸組成（圖8）。懸臂主要分擔(dān)大部分機(jī)械夾爪組件和曲軸毛坯工件的重力。直線(xiàn)導(dǎo)軌和滑塊主要承載運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的徑向力和驅(qū)動(dòng)安裝板傳遞的壓力，直線(xiàn)氣缸則作為動(dòng)力來(lái)源，驅(qū)動(dòng)水平移載。整個(gè)組件運(yùn)動(dòng)可靠性強(qiáng)，受力分布均勻，能降低故障率的同時(shí)降低維護(hù)成本。

圖8 水平移載組件結(jié)構(gòu)示意

7 方案功能驗(yàn)證

基于以上設(shè)計(jì)成功制造了曲軸上料角度校正及運(yùn)輸裝置，如圖9所示，并在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行簡(jiǎn)單安裝和實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)軌經(jīng)過(guò)調(diào)整到適當(dāng)位置并固定后，結(jié)合搖桿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)夾爪組件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中流暢無(wú)卡頓，可實(shí)現(xiàn)所需角度的定向旋轉(zhuǎn)，且全程不需要大推力驅(qū)動(dòng)，符合設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證夾取搬運(yùn)功能顯示，夾爪移動(dòng)到位，夾取曲軸工件，返回下料工位途中實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)，動(dòng)作過(guò)程夾爪穩(wěn)定夾持工件，工件未發(fā)生掉落和移位等情況（見(jiàn)圖9）；緊湊氣缸下降到達(dá)下料位置后，夾爪放料，過(guò)程穩(wěn)定無(wú)異常。表明設(shè)計(jì)合理、可行。

圖9 工件夾取移載示意

8 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)曲軸上料角度需求及曲軸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)提出一種發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上料角度校正及運(yùn)輸方案，實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的裝置可實(shí)現(xiàn)曲軸上料角度自動(dòng)校正及運(yùn)輸，裝置拼裝及運(yùn)作過(guò)程均較為順利。該裝置上料過(guò)程較人工操作更加穩(wěn)定可靠，整個(gè)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能分區(qū)清晰明了。設(shè)備運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)均采用滾動(dòng)形式，裝置中唯一涉及滑動(dòng)的支撐座接觸條涉及可拆卸結(jié)構(gòu)，磨損后可直接拆卸更換，降低了后期維護(hù)成本。方案配合機(jī)器人及視覺(jué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)完全的曲軸自動(dòng)化上料，給生產(chǎn)車(chē)間帶來(lái)減員增效的效益，下一步將進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)使用和完善。