基于MOTOMAN工业机器人的发动机曲轴自动化装配

李海东

(潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261041)

曲轴是发动机最重要的机件，其有两个重要部位：主轴颈、连杆颈，主轴颈被安装在缸体和曲轴箱上，连杆颈与连杆大头孔连接。装配曲轴是柴油机装配的重要环节，精度要求高、劳动强度大，装配过程须防止磕碰伤，确保配合间隙，其装配质量直接影响着发动机的可靠性与寿命。

1 设计背景及意义

1.1 设计背景

柴油机装配线设计为采用人工操作专用吊具吊装曲轴的2、5缸连杆颈完成装配(如图1所示)。人工装配曲轴时难以找正曲轴主轴颈与轴瓦位置，存在主轴颈、连杆颈和轴瓦的划伤、磕碰伤及表面二次污染等质量隐患，试车过程甚至出现划瓦、曲轴抱死等恶性事故，且装配劳动强度大及效率难以保证，存在诸多安全隐患。

1.2 设计意义

2016年，随着“汽车发动机数字化车间”通过验收，“柴油机智能制造综合试点示范项目”入围国家智能制造试点示范项目，在生产制造环节，打造“智慧工厂”，推进互联网与工业生产的有机结合，将智能制造贯穿产品制造全过程。在关键工序普及机器人——MOTOMAN机器人实现曲轴自动化装配，有效提高生产效率、提升产品质量，将工人从高危、繁重的劳动工序中解放出来，标志着柴油机装配线装备技术研究与工艺优化的新突破。经使用证明，满足柴油机装配要求，取得了良好的社会效益和经济效益。

2 设计方案

2.1 总体方案

根据柴油机装配线现场工艺布局：自主设计步距式输送链，实现了曲轴自动输送；自主设计机器人搬运曲轴专用夹具，实现曲轴的夹紧及到位锁紧；利用加工车间缸盖生产线闲置的一台UP系列工业机器人，自主编制机器人程序和输送链控制PLC程序，实现机器人与输送链、输送链与装配线控制系统的信号对接；自主设计机型防错软硬件联锁保护装置，实现了机型的自动识别与切换等工作。图2为方案总图。

2.2 MOTOMAN机器人

加工车间2004年投产的丰田两气门缸盖生产线，配套有5台MOTOMAN机器人，负责该生产线加工中心之间的自动上下料作业。因公司产品升级换型，截至2016年该生产线累计有3台MOTOMAN-UP350D机器人闲置。经论证，该MOTOMAN-UP350D机器人满足曲轴(重量：80～120 kg)装配作业负荷要求，通过自主开发相应软硬件装置，实现曲轴的自动化装配，满足原有柴油机装配线工艺布局，实现曲轴装配的省人化、自动化。机器人本体标准规格见表1。

表1 机器人本体标准规格

名称MOTOMAN-UP350D式样YR-UP0350D-A00构造垂直多关节型(6自由度)负荷/kg350重复定位精度/mm±0.5容许力矩R轴(手腕旋转)/(N·m)1 960B轴(手腕摆动)/(N·m)1 960T轴(手腕回转)/(N·m)823本体重量/kg2 200

2.3 曲轴输送链

根据曲轴回转直径约为240 mm，单支重量80～120 kg等基本参数，设计选用节距P=150 mm的辊轮式弯板链条，相邻两曲轴之间间隔60 mm以上，满足曲轴吊装、预装配作业无干涉的要求；设计为两排链条输送，通过固定在链条弯板上的尼龙V型托架分别托曲轴2、6主轴颈，满足曲轴输送的要求。在两排链条之间对应每支曲轴的下方共计设置22块不锈钢防护罩(长735 mm×宽290 mm)，与设置在输送链外围的不锈钢防护罩，实现输送链内部传动装置的封闭，既美观大方，又确保了人机安全，如图3。根据现场区域：输送链全长3 650 mm×宽1 300 mm×高970 mm，完成8根曲轴的输送，满足曲轴装配作业要求。在输送链前端的机器人取料位设置气动V型举升装置和曲轴类型识别装置，实现曲轴类型识别和准确定位。

2.4 曲轴专用夹具

根据曲轴结构特点，设计由横梁、左手爪、右手爪、夹紧装置四部分构成的专用夹具。在横梁中间区域设置有定位台阶口、螺纹孔、定位销孔，通过螺栓及定位销与上部的机器人T轴手臂连接盘进行定位连接及固定。横梁左右两端分别设置安装孔与下方区域的直线导轨滑块，通过螺栓固定连接，并通过直线导轨滑块分别与左、右手爪上的直线导轨进行配合连接。锁紧气缸采用FESTO品牌DNC-KP系列气缸(自带锁紧装置)，其两端分别与左、右手爪固定连接，从而驱动夹具左、右手爪的夹紧与松开，并保证在左、右手爪夹持曲轴到位后，对气缸活塞杆锁住，保证装配过程中曲轴夹持可靠，满足曲轴装配安全要求，如图4。左、右手爪夹持曲轴两端工艺销孔，避免装配过程对曲轴磕碰伤和装配过程污染等质量隐患，从而避免了轴瓦损伤和试车过程中划瓦等质量事故。

2.5 柴油机托盘定位

将曲轴装配由人工方式升级为机器人自动装配，需要在原装配线托盘到位停止功能基础上，增加托盘到位停止后的气动插销定位功能，实现装配过程中每台柴油机到位的一致性。因该插销机构为该装配线现有的装置，只需要安装一段带插销装置的专机工位所用的定位型输送辊道，替代原来的人工装配工位所用的到位型输送辊道，即可满足机器人自动装配作业要求。图5为柴油机托盘定位。

2.6 程序设计

自主编写MOTOMAN机器人程序和曲轴输送链控制PLC程序，修改完善原装配线托盘输送线控制程序，实现机器人控制系统与输送链系统、输送链系统与装配线托盘输送线控制系统的信号对接。

3 结语

MOTOMAN机器人实现曲轴自动化装配是柴油机装配线自主应用机器人的首例，标志着柴油机装配线装备技术研究与工艺优化的新突破，经使用证明，满足柴油机装配要求。在总结该项目经验的基础上，项目组自主设计完成柴油机装配线实现机器人自动装配曲轴箱。两台MOTOMAN-UP350D机器人成功应用于柴油机装配线，分别实现曲轴和曲轴箱的自动化装配，并通过设备运行可靠性验证。图6曲轴箱机器人自动装配单元。

2016年12月，项目组自主设计完成36 m七轴机器人自动上下料项目。至此，3台闲置的MOTOMAN-UP350D机器人均得到有效再利用，并在推进“智慧工厂”建设，取得了良好的社会效益和经济效益。

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