發(fā)動機主軸承蓋自動拆分單元的設(shè)計及應(yīng)用

吳連偉，宋永正，欒建偉，王 平，張世軍，李炳賢

（濰柴動力股份有限公司一號工廠，山東 濰坊 261061）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，機器人和PLC技術(shù)隨著工業(yè)機器人的快速發(fā)展，其在汽車制造、機械加工、焊接、上下料、磨削拋光、搬運碼垛、裝配、噴涂等作業(yè)中得到越來越多的應(yīng)用[1-2]。機器人開始漸漸的替代了單一的勞動力，把機器人應(yīng)用在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)里的自動化裝配行業(yè)，擁有提高生產(chǎn)效率和減少生產(chǎn)成本的作用。

某發(fā)動機裝配生產(chǎn)線主軸承蓋裝配工序，主要負責發(fā)動機主軸承蓋抓取、拆分和碼垛。主軸承蓋通過兩個定位銷的過盈配合實現(xiàn)主軸承蓋和機體裝配在一起。一直以來主要通過銅棒敲擊以人工手動抓取、拆分，并將主軸承蓋旋轉(zhuǎn)90°按順序碼料，放置于發(fā)動機自動轉(zhuǎn)運托盤專用位置。

目前國內(nèi)外在發(fā)動機裝配領(lǐng)域，還沒有專門對主軸承蓋自動拆分的研究及相應(yīng)的成果，只停留在主軸承蓋本身的材質(zhì)、鑄造特點以及主軸承蓋孔的受力分析等方面，還未見綜合性的主軸承蓋自動拆分的作業(yè)分析以及裝配特點研究，但已出現(xiàn)了相關(guān)作業(yè)研究，如湘潭大學(xué)高贏等[3-4]在2020年對發(fā)動機瓦蓋上料機器人進行了研究，并采用視覺引導(dǎo)機器人對曲軸瓦蓋自動上料到裝配生產(chǎn)線，但涉及上料，無自動拆分的技術(shù)突破。大連工業(yè)大學(xué)白茂東等[5-6]在2015年對凸輪軸瓦蓋螺栓擰緊與打標裝置進行設(shè)計及分析，實現(xiàn)發(fā)動機瓦蓋的自動化裝配，但仍然無瓦蓋自動拆分的研究及相應(yīng)的設(shè)計應(yīng)用。相關(guān)文獻表明，發(fā)動機主軸承蓋大部分依靠人工操作，由于該作業(yè)勞動強度大及存在一定安全隱患，所以急需研究一種發(fā)動機主軸承蓋自動拆分裝置代替人工工作。

分析了本設(shè)計的主軸承蓋自動拆分單元的結(jié)構(gòu)及各部分的功能和作用，詳細說明了程序編程及單元的調(diào)試過程。

1 自動拆分單元的功能

發(fā)動機機體上有6個主軸承蓋（圖1），1個止推主軸承蓋（圖2），其上有14個主軸承螺栓孔，主要用于固定發(fā)動機曲軸。

圖1 主軸承蓋

圖2 止推軸承蓋

通過設(shè)計制作主軸承蓋自動拆分單元（圖3），實現(xiàn)主軸承蓋自動抓取、拆分、碼料且具備防錯功能，取代人工操作，有效防止質(zhì)量事故的發(fā)生，提升裝配過程保障能力。

圖3 主軸承蓋自動拆分單元工裝及布局

該自動拆分單元具備以下特點：

（1）具備機型自動識別功能，實現(xiàn)三種機型的自動識別。

（2）由人工手動裝配轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器人自動裝配，取代人工操作，可縮短作業(yè)時間約15 s。

（3）具備數(shù)據(jù)存儲功能和視覺防錯，防止人為因素造成錯漏裝，保證產(chǎn)品質(zhì)量，防錯率達100%。

（4）零部件裝配實現(xiàn)100%定位，保障產(chǎn)品裝配一致性。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

主軸承蓋自動拆分單元主要由機器人、支撐板、漲斷機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、移載結(jié)構(gòu)等功能結(jié)構(gòu)組成。機器人提供裝配時的運動和動力；支撐板作為所有零件裝配的一個連接板；漲斷機構(gòu)對進入發(fā)動機主軸承蓋進行分解，其原理通過氣缸帶工裝沖擊主軸承蓋；夾緊機構(gòu)通過夾緊氣缸攜帶自制夾爪，對分解開的主軸承蓋進行夾緊保證移動過程中不脫離漲斷機構(gòu)；移栽機構(gòu)利用導(dǎo)軌加無桿氣缸將漲斷夾緊后的主軸承蓋移動到工裝頂端，便于機器人放置，如圖3所示。

根據(jù)發(fā)動機機體尺寸，對發(fā)動機主軸承蓋區(qū)域進行測繪，通過測繪尺寸可知，發(fā)動機每個主軸承蓋間隔距離約為130 mm，能夠活動的范圍260 mm×130 mm，要求設(shè)計的工裝寬度不能大于260 mm，結(jié)合機器人規(guī)格、參數(shù)和現(xiàn)場空間尺寸，運用Croe軟件對機器人整體工裝進行三維模擬仿真，設(shè)計自動拆分單元整體工裝的輪廓，找出位置干涉點和問題點并修改和完善。

2.1 整體工裝設(shè)計

利用主軸承蓋開檔區(qū)域，根據(jù)輸送托盤位置確認主軸蓋放置位置，設(shè)計主軸承蓋抓取工裝，該裝置主要由支撐板、漲斷機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、移載機構(gòu)等組成（圖4）。

圖4 主軸承蓋抓取工裝

主軸承蓋工裝，使其進入到發(fā)動機內(nèi)部區(qū)域，能夠?qū)Πl(fā)動機主軸承蓋起到拆分、漲斷、移栽，并且解決機器人在抓取過程不受干涉影響，避免機器人抓取過程中的磕、碰、傷發(fā)生。

2.2 主軸承蓋支撐板

主軸承蓋支撐板（圖5）是承載漲斷機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、導(dǎo)軌、氣缸等零部件的載體，并固定于機器人末端，是自動拆分單元的主要結(jié)構(gòu)之一。

圖5 主軸承蓋支撐板

支撐板一側(cè)設(shè)計導(dǎo)軌槽及26個M3螺紋孔，安裝導(dǎo)軌時能夠進行平行調(diào)整。為了降低整體重量，且不影響支撐板的強度，中間部分設(shè)計間斷鏤空。另一側(cè)底端安裝插鍵式支撐塊，增加鍵槽的剛性，鍵槽上方運用M4螺栓連接氣缸，支撐板兩側(cè)共8個M6螺紋孔用于連接機器人工裝。

2.3 漲斷機構(gòu)

漲斷機構(gòu)（圖6）動作分6種：正常漲斷、漲斷時出現(xiàn)阻力時、漲斷氣缸連續(xù)撞擊3次，主軸承蓋結(jié)合面分離。漲斷時出現(xiàn)阻力最大時，漲斷氣缸連續(xù)撞擊3次主軸承蓋結(jié)合面不能分離時，機器人自動返回到初始位置，放棄自動抓取，需人工干預(yù)。

圖6 漲斷裝置設(shè)計圖

漲斷機構(gòu)將主軸承蓋與發(fā)動機進行分解，由于主軸承蓋兩側(cè)帶有定位銷，且定位銷為間隙配合，在設(shè)計漲斷機構(gòu)時分別對缸徑為M8、M10、M12的三種氣缸進行測試實驗。實驗結(jié)果表明M8氣缸不能夠滿足漲斷要求，漲斷力較小成功率較低，而M12雖然能夠滿足漲斷要求，但由于氣缸缸徑大，氣缸的外形尺寸較大，機器人在抓取主軸承蓋時在發(fā)動機內(nèi)部較小的空間運動，難免偶爾磕碰氣缸，存在一定的質(zhì)量隱患，最終選擇缸徑為M10的用于漲斷。

為了保證漲斷的成功率，一方面對其漲斷氣缸進行增壓處理，即將0.45 kPa氣壓通過調(diào)整增壓泵壓力閥，調(diào)整時觀察壓力表提升到0.65 kPa，并且更改PLC程序?qū)幼鞣秩危憾ㄎ讳N配合較松正常漲斷、一次成功，到位后夾緊進行下一動作；定位銷配合略緊，漲斷時阻力大、漲斷氣缸連續(xù)撞擊三次，任意一次主軸承蓋結(jié)合面分離，夾緊進行下一步動作；定位銷緊密配合，漲斷時出現(xiàn)阻力最大時，漲斷氣缸連續(xù)撞擊三次主軸承蓋結(jié)合面不能分離時，機器人自動返回到初始位置，放棄自動抓取，發(fā)動機放行需人工干預(yù)。

2.4 夾緊機構(gòu)

夾緊機構(gòu)（圖7）主要實現(xiàn)主軸承蓋的夾緊。夾緊機構(gòu)主要的零件為夾緊氣缸，選用SMC的夾爪氣缸，經(jīng)測量支撐板厚度為12 mm加上無桿氣缸滑臺厚度及夾爪氣缸30 mm的厚度，在發(fā)動機內(nèi)部還有70 mm的活動范圍，且該夾爪氣缸帶有自導(dǎo)向及內(nèi)部緩沖，能夠?qū)χ鬏S承蓋起到保護作用。

圖7 夾緊裝置設(shè)計圖

夾爪部分材料選用T7鋼具有較好的塑性和強度，能夠承受震動和沖擊載荷，它相比其他材料硬度適中且具有較大的韌性。L型結(jié)構(gòu)（圖7）連接氣缸，由于夾爪與主軸承蓋接觸部分為不規(guī)則面，為了保證接觸可靠，對主軸承蓋側(cè)面進行扣型后，再對夾爪進行修改，最大程度切合側(cè)面，保證夾緊可靠。

2.5 移栽機構(gòu)

移栽機構(gòu)（圖8）主要用于主軸承蓋的放置。當機器人探入發(fā)動機內(nèi)部進行漲斷夾緊后，機器人攜帶瓦蓋移出發(fā)動機，機器人第6關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)180°移動到發(fā)動機托盤上方。為保證過程順暢，更改機器人及PLC程序，當移出發(fā)動機后，機器人移動前同時觸發(fā)無桿氣缸使攜帶夾緊裝置及漲斷機構(gòu)移栽至支撐板另一端，機器人移動到放置位，進行主軸承蓋放置。

圖8 移栽機構(gòu)設(shè)計圖

該過程設(shè)計防錯裝置，當移栽過程瓦蓋脫落時，機器人回至原位，設(shè)備報警人工進行檢查，無誤后再進行啟動。

3 自動拆分單元裝配過程

3.1 機器人程序及信號交互調(diào)試

3.1.1 機器人動作調(diào)試

調(diào)試機器人位置姿態(tài)設(shè)置動作流程，使其發(fā)動機到位后能夠準確進行定位插銷。機器人運動到指定位置，進行漲斷，夾緊后抓取主軸承蓋。抓取位置及放置位置按照工藝要求設(shè)定機器人運動路徑并完成指定動作。

漲斷、夾緊、移載動作采用SMC氣缸實現(xiàn)漲開、夾緊，移載動作，具體動作為當漲斷機構(gòu)張開到位時，主軸蓋結(jié)合面分離，夾緊機構(gòu)夾緊將主軸承蓋加緊，移載機構(gòu)動作，將主軸蓋移載到預(yù)放的位置。機器人上移到不干涉位置，旋轉(zhuǎn)180°將預(yù)放置位主軸承蓋放置到托盤存放位置，完成動作后進行放行（圖9）。

圖9 動作流程圖

3.1.2 電氣信號交互

調(diào)試動作程序及輸送線的信號好交互，實現(xiàn)三種機型自動確認識別，輸送托盤自動確認識別，輸送停止、放行等邏輯關(guān)系，確保動作完成。實現(xiàn)機器人與各個輸送線動作及抓取、放置位置動作交互（圖10）。

圖10 電氣信息交互圖

采用PLC控制，滿足RS485通訊要求，由于設(shè)備交換數(shù)據(jù)較多，通訊協(xié)議選擇使用MODBUS TCP通訊協(xié)議，信號方面涉及線體信號、R2機械手及主軸承瓦蓋機器人三者信號交互。由于為混線生產(chǎn)，托盤共用，在H機型托盤進入前需要滿足機體定位銷頂起的要求，針對這一特點，該設(shè)備需具備識別功能。安裝機械開關(guān)，用于區(qū)分機型托盤，發(fā)動機輸送線、托盤線體、機器人三者滿足信息共享，當機器人在工作時，后工位的發(fā)動機及托盤禁止向前輸送，當發(fā)動機、托盤運輸?shù)轿缓螅娇蛇M入工作區(qū)域。

由于主軸承瓦蓋與發(fā)動機為對應(yīng)關(guān)系，針對這一特點，對PLC程序進行修改，對拆分后的發(fā)動機與托盤自動匹配，使其R2機械手抓取發(fā)動機放置托盤時形成對應(yīng)，調(diào)試動作程序及輸送線的信號好交互，實現(xiàn)三種機型自動確認識別，輸送停止、放行等邏輯關(guān)系，確保動作完成，實現(xiàn)機器人與各個輸送線動作及抓取、放置位置動作交互。

3.2 自動防錯及自動識別功能

設(shè)計自動防錯功能，機型與輸送托盤進行比較進行配比，使其托盤與發(fā)動機保持一致，利用H機型托盤定位銷升起特性，對托盤進行自動識別，主軸承蓋對應(yīng)放置，避免主軸承蓋裝配錯誤。

機器人方面，發(fā)動機及線體放行條件，必須滿足定位裝置回原位，機器人回到原位并輸出信號，保證發(fā)動機及托盤放行時不干涉其他設(shè)備，機器人抓取過程，設(shè)計多次頂升功能，每個主軸承瓦蓋頂起三次，其中一次頂起成功后，進行下一步動作，當三次頂起失敗后，機器人自動回原位，并放行，人工進行拆解。

4 應(yīng)用效果及場景

將以上設(shè)計的主軸承蓋自動拆分單元應(yīng)用在生產(chǎn)線，如圖10所示，運行穩(wěn)定可靠，整體作業(yè)效率提升15%，降低主軸承蓋人工拆卸3220次/班，降低勞動強度6440 kg/（班·人）。具備數(shù)據(jù)存儲和視覺防錯功能，防錯率達100%。同時可以實現(xiàn)零部件裝配100%定位，有力的保證發(fā)動機產(chǎn)品一致性。

圖10 應(yīng)用場景

主軸承蓋自動拆分單元應(yīng)用在發(fā)動機裝配線主軸承蓋工序，同時可以將自動拆分單元的技術(shù)應(yīng)用在機體把和定位銷拆卸工序、主軸承螺栓拆分工序等等，可以廣泛應(yīng)用在發(fā)動機裝配領(lǐng)域。

5 結(jié)語

隨著智能制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用[7-10]，智能設(shè)備代替低技能高強度的操作快速發(fā)展，自動化、柔性化是發(fā)動機裝配生產(chǎn)線的一個重要發(fā)展趨勢。本設(shè)計的主軸承蓋自動拆分單元能代替人工拆分主軸承蓋的作業(yè)流程，極大地降低了操作者的勞動強度，實現(xiàn)了產(chǎn)線的智能化改造升。設(shè)計過程中充分考慮到安全問題，機器人設(shè)置安全防碰極限，設(shè)備外圍設(shè)置防護網(wǎng)，保證設(shè)備安全運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了主軸承蓋的自動抓取、拆分、碼垛等，代替了人工作業(yè)，讓機器承擔更多的簡單、重復(fù)危險的工作，從而解放勞動者的雙手讓他們承擔更多的創(chuàng)造性工作；設(shè)備同時具備防錯和機型自動識別功能，防止了質(zhì)量問題發(fā)生并提升了過程保障能力。