一种发动机曲轴上料角度校正及运输方案设计与应用

黄 华，吴明杰

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 宝骏基地发动机工厂，广西 柳州 545007）

曲轴作为发动机最重要的部件之一，其生产过程中，因其结构复杂[1]，曲轴毛坯件上料需要人工手动搬运，并旋转至特定角度，配合防错托盘才得以实现完整上料过程。实际生产过程中，按某公司单班生产750件增压曲轴，上料需人工搬运约760件11 kg的零件，并旋转放置在托盘。通过调查发现该上料方式长期运行中会出现毛坯角度放置错误，撞击工装，成本高，效率低的问题，并在开启多线加工时需安排相应人员参与。分析其根本原因在于人工重复工作动作存在惰性，操作不稳定，人工维护成本高等。因此，设计了一种稳定性强，使用寿命长，方便后期维护的曲轴上料角度校正及运输装置成为了迫切需要解决的问题。

1 曲轴上料角度校正及运输装置结构及功能简介

设计的曲轴上料角度校正及运输装置由基础框架、悬臂梁、支撑座组件、水平直线气缸、直线滑轨、夹爪气缸及转向滑轨组件、机械夹爪组件、曲柄连杆结构等部分组成。由支撑座组件承接来料，实现初步角度校正，机械夹爪夹紧工件后转向滑轨组件结合曲柄连杆结构可以实现抓紧工件的夹爪组价定向90°旋转，直线气缸结合直线轴承、直线滑轨等结构实现X、Z向的移载，移载依靠选定好的气缸行程将工件传送到位。其结构全貌如图1所示。

图1 装置全貌图

2 曲轴角度

一般生产中，曲轴第2第3平衡块垂直朝上时，默认曲轴角度为0°（见图2）。

在后工序加工前，需要先将曲轴的芯轴侧向视图角度调整为图3所示状态才可无干涉放入加工工位。因为曲轴在经过机器人夹取上料放置时角度为任意角度，故需要人工旋转或设计机械装置对其角度进行校正才可正确放置到托盘或工位上。

图2 曲轴工件0°示意

图3 曲轴工件90°示意

3 支撑座组件设计

料到托盘时曲轴需已校正为90°，而机器人上料时，工件角度任意。通过研究曲轴的结构知曲轴有连杆颈偏心结构，故在结构上加以限位就能实现初步角度校正。故支撑座组件主要依靠工件自身重力，配合第2、3连杆颈的限位实现曲轴角度初步校正[1]。其由安装底板、顶升气缸组件接触条、连杆颈限位支撑座、防掉落限位板、主轴颈V型块组件组成。

该部分结构设计动作为气缸向上顶升，带动主轴颈V型块上升至最大行程，经支撑主轴颈2、主轴颈3来承接曲轴工件，而后感应器传达信号，顶升气缸下降至最低，期间主轴颈V型块脱离工件，而连杆颈限位支撑座上的接触条支撑曲轴连杆颈1、4。此过程工件凭借自身重力配合支撑座限位，结束后工件必定被限制为0°状态，此时工件为角度初校正完成状态。设计在实验阶段也得到了证实。笔者在实验中多次改变零件初始角度，在经过初步角度校正后，零件均保持0°状态（图4及表1）。

图4 角度初校正实验图示

表1 角度初校正实验记录表

4 机械夹爪组件设计

机械夹爪组件在装置中主要起抓取夹紧及运输工件的作用。留意到夹爪夹取工件后夹取端需承担工件重量，直接导致夹取工件后旋转过程中需承载不平衡扭矩，夹取端单侧附加重力约105 N，将引起附加扭矩在装置频繁动作过程中使组件变形及磨损，极大降低组件寿命。故设计了可调节重量的配重块结构（图6左侧），平衡组件夹取后定向旋转带来的不平衡力。

在夹爪设计上，只要对连杆颈这一偏心结构进行限位即可保持工件在夹紧移载过程中不会发生角度偏移。故设计过程中，基础定位面为第2、4主轴颈圆周面，再通过限位第1、4连杆颈圆周，最后定位及夹紧第3主轴颈[2]实现整个夹取及限位过程（图5右侧）。使用过程中可通过预设的孔位改变限位工装位置实现多型号曲轴兼容夹取。

图5 夹爪组件结构图示

5 导向滑轨组件设计

导向滑轨组件主要由导轨和摇杆组成。导轨在装置中主要起导向作用，结合摇杆和机械夹爪，对曲轴进行定向旋转。在设计过程中，欲使摇杆带动夹爪组件恰好旋转90°，就必须将导轨的中心高度差设置为与摇杆力臂长度X相同[3]（图6）。与摇杆相连的滚动轴承和传动杆均采用键与之相连，从而降低应力集中。设计上，与导轨相接触的轴承选用圆锥滚子轴承，承受部分装置重力带来的单一方向负荷（其余部分由悬臂部件承受）。

图6 导向滑轨组件结构图示

其次，导轨设计为可调节行程距离的组合。设计了调节块和螺钉、螺母的组合结构（图7）。通过调整好螺钉进入导轨的深度，再锁紧螺母，就能实现导轨角度和距离的微调，降低了机械件的生产精度，一定程度上降低了装置成本，还方便现场装置的安装和调试。

图7 滑轨可调结构示意

6 水平移载组件设计

水平移载组件在装置动作过程中主要起承载装置部分重力和负责直线运载的作用，由直线导轨、滑块、悬臂、驱动安装板和直线气缸组成（图8）。悬臂主要分担大部分机械夹爪组件和曲轴毛坯工件的重力。直线导轨和滑块主要承载运动过程中产生的径向力和驱动安装板传递的压力，直线气缸则作为动力来源，驱动水平移载。整个组件运动可靠性强，受力分布均匀，能降低故障率的同时降低维护成本。

图8 水平移载组件结构示意

7 方案功能验证

基于以上设计成功制造了曲轴上料角度校正及运输装置，如图9所示，并在试验区进行简单安装和实验。导轨经过调整到适当位置并固定后，结合摇杆结构带动夹爪组件在运动过程中流畅无卡顿，可实现所需角度的定向旋转，且全程不需要大推力驱动，符合设计要求。验证夹取搬运功能显示，夹爪移动到位，夹取曲轴工件，返回下料工位途中实现定向旋转，动作过程夹爪稳定夹持工件，工件未发生掉落和移位等情况（见图9）；紧凑气缸下降到达下料位置后，夹爪放料，过程稳定无异常。表明设计合理、可行。

图9 工件夹取移载示意

8 结语

本文根据曲轴上料角度需求及曲轴结构的特点提出一种发动机曲轴上料角度校正及运输方案，实验表明，所设计的装置可实现曲轴上料角度自动校正及运输，装置拼装及运作过程均较为顺利。该装置上料过程较人工操作更加稳定可靠，整个方案结构简单，功能分区清晰明了。设备运动结构均采用滚动形式，装置中唯一涉及滑动的支撑座接触条涉及可拆卸结构，磨损后可直接拆卸更换，降低了后期维护成本。方案配合机器人及视觉系统可实现完全的曲轴自动化上料，给生产车间带来减员增效的效益，下一步将进入生产线使用和完善。