基于MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸自動(dòng)化裝配

李海東

(濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261041)

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的機(jī)件，其有兩個(gè)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(jī)裝配的重要環(huán)節(jié)，精度要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝配過(guò)程須防止磕碰傷，確保配合間隙，其裝配質(zhì)量直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與壽命。

1 設(shè)計(jì)背景及意義

1.1 設(shè)計(jì)背景

柴油機(jī)裝配線設(shè)計(jì)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(shí)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(zhì)量隱患，試車過(guò)程甚至出現(xiàn)劃瓦、曲軸抱死等惡性事故，且裝配勞動(dòng)強(qiáng)度大及效率難以保證，存在諸多安全隱患。

1.2 設(shè)計(jì)意義

2016年，隨著“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化車間”通過(guò)驗(yàn)收，“柴油機(jī)智能制造綜合試點(diǎn)示范項(xiàng)目”入圍國(guó)家智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目，在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，打造“智慧工廠”，推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合，將智能制造貫穿產(chǎn)品制造全過(guò)程。在關(guān)鍵工序普及機(jī)器人——MOTOMAN機(jī)器人實(shí)現(xiàn)曲軸自動(dòng)化裝配，有效提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量，將工人從高危、繁重的勞動(dòng)工序中解放出來(lái)，標(biāo)志著柴油機(jī)裝配線裝備技術(shù)研究與工藝優(yōu)化的新突破。經(jīng)使用證明，滿足柴油機(jī)裝配要求，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案

根據(jù)柴油機(jī)裝配線現(xiàn)場(chǎng)工藝布局：自主設(shè)計(jì)步距式輸送鏈，實(shí)現(xiàn)了曲軸自動(dòng)輸送；自主設(shè)計(jì)機(jī)器人搬運(yùn)曲軸專用夾具，實(shí)現(xiàn)曲軸的夾緊及到位鎖緊；利用加工車間缸蓋生產(chǎn)線閑置的一臺(tái)UP系列工業(yè)機(jī)器人，自主編制機(jī)器人程序和輸送鏈控制PLC程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與輸送鏈、輸送鏈與裝配線控制系統(tǒng)的信號(hào)對(duì)接；自主設(shè)計(jì)機(jī)型防錯(cuò)軟硬件聯(lián)鎖保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了機(jī)型的自動(dòng)識(shí)別與切換等工作。圖2為方案總圖。

2.2 MOTOMAN機(jī)器人

加工車間2004年投產(chǎn)的豐田兩氣門缸蓋生產(chǎn)線，配套有5臺(tái)MOTOMAN機(jī)器人，負(fù)責(zé)該生產(chǎn)線加工中心之間的自動(dòng)上下料作業(yè)。因公司產(chǎn)品升級(jí)換型，截至2016年該生產(chǎn)線累計(jì)有3臺(tái)MOTOMAN-UP350D機(jī)器人閑置。經(jīng)論證，該MOTOMAN-UP350D機(jī)器人滿足曲軸(重量：80～120 kg)裝配作業(yè)負(fù)荷要求，通過(guò)自主開發(fā)相應(yīng)軟硬件裝置，實(shí)現(xiàn)曲軸的自動(dòng)化裝配，滿足原有柴油機(jī)裝配線工藝布局，實(shí)現(xiàn)曲軸裝配的省人化、自動(dòng)化。機(jī)器人本體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格見表1。

表1 機(jī)器人本體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格

名稱MOTOMAN-UP350D式樣YR-UP0350D-A00構(gòu)造垂直多關(guān)節(jié)型(6自由度)負(fù)荷/kg350重復(fù)定位精度/mm±0.5容許力矩R軸(手腕旋轉(zhuǎn))/(N·m)1 960B軸(手腕擺動(dòng))/(N·m)1 960T軸(手腕回轉(zhuǎn))/(N·m)823本體重量/kg2 200

2.3 曲軸輸送鏈

根據(jù)曲軸回轉(zhuǎn)直徑約為240 mm，單支重量80～120 kg等基本參數(shù)，設(shè)計(jì)選用節(jié)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(yù)裝配作業(yè)無(wú)干涉的要求；設(shè)計(jì)為兩排鏈條輸送，通過(guò)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(duì)應(yīng)每支曲軸的下方共計(jì)設(shè)置22塊不銹鋼防護(hù)罩(長(zhǎng)735 mm×寬290 mm)，與設(shè)置在輸送鏈外圍的不銹鋼防護(hù)罩，實(shí)現(xiàn)輸送鏈內(nèi)部傳動(dòng)裝置的封閉，既美觀大方，又確保了人機(jī)安全，如圖3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域：輸送鏈全長(zhǎng)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(yè)要求。在輸送鏈前端的機(jī)器人取料位設(shè)置氣動(dòng)V型舉升裝置和曲軸類型識(shí)別裝置，實(shí)現(xiàn)曲軸類型識(shí)別和準(zhǔn)確定位。

2.4 曲軸專用夾具

根據(jù)曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)由橫梁、左手爪、右手爪、夾緊裝置四部分構(gòu)成的專用夾具。在橫梁中間區(qū)域設(shè)置有定位臺(tái)階口、螺紋孔、定位銷孔，通過(guò)螺栓及定位銷與上部的機(jī)器人T軸手臂連接盤進(jìn)行定位連接及固定。橫梁左右兩端分別設(shè)置安裝孔與下方區(qū)域的直線導(dǎo)軌滑塊，通過(guò)螺栓固定連接，并通過(guò)直線導(dǎo)軌滑塊分別與左、右手爪上的直線導(dǎo)軌進(jìn)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(qū)動(dòng)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(duì)氣缸活塞桿鎖住，保證裝配過(guò)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(guò)程對(duì)曲軸磕碰傷和裝配過(guò)程污染等質(zhì)量隱患，從而避免了軸瓦損傷和試車過(guò)程中劃瓦等質(zhì)量事故。

2.5 柴油機(jī)托盤定位

將曲軸裝配由人工方式升級(jí)為機(jī)器人自動(dòng)裝配，需要在原裝配線托盤到位停止功能基礎(chǔ)上，增加托盤到位停止后的氣動(dòng)插銷定位功能，實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程中每臺(tái)柴油機(jī)到位的一致性。因該插銷機(jī)構(gòu)為該裝配線現(xiàn)有的裝置，只需要安裝一段帶插銷裝置的專機(jī)工位所用的定位型輸送輥道，替代原來(lái)的人工裝配工位所用的到位型輸送輥道，即可滿足機(jī)器人自動(dòng)裝配作業(yè)要求。圖5為柴油機(jī)托盤定位。

2.6 程序設(shè)計(jì)

自主編寫MOTOMAN機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)與輸送鏈系統(tǒng)、輸送鏈系統(tǒng)與裝配線托盤輸送線控制系統(tǒng)的信號(hào)對(duì)接。

3 結(jié)語(yǔ)

MOTOMAN機(jī)器人實(shí)現(xiàn)曲軸自動(dòng)化裝配是柴油機(jī)裝配線自主應(yīng)用機(jī)器人的首例，標(biāo)志著柴油機(jī)裝配線裝備技術(shù)研究與工藝優(yōu)化的新突破，經(jīng)使用證明，滿足柴油機(jī)裝配要求。在總結(jié)該項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組自主設(shè)計(jì)完成柴油機(jī)裝配線實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)裝配曲軸箱。兩臺(tái)MOTOMAN-UP350D機(jī)器人成功應(yīng)用于柴油機(jī)裝配線，分別實(shí)現(xiàn)曲軸和曲軸箱的自動(dòng)化裝配，并通過(guò)設(shè)備運(yùn)行可靠性驗(yàn)證。圖6曲軸箱機(jī)器人自動(dòng)裝配單元。

2016年12月，項(xiàng)目組自主設(shè)計(jì)完成36 m七軸機(jī)器人自動(dòng)上下料項(xiàng)目。至此，3臺(tái)閑置的MOTOMAN-UP350D機(jī)器人均得到有效再利用，并在推進(jìn)“智慧工廠”建設(shè)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]黃希, 王恒, 田威,等. 基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)部件柔性化裝配系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化， 2013(12): 143-146.

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

[3]大連組合機(jī)床研究所. 組合機(jī)床設(shè)計(jì)：第一冊(cè) 機(jī)械部分[M] .北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1975.

[4] 沈建新,田威. 基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)柔性裝配技術(shù)[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014(4): 181-189.