汽車總裝車間車身端發(fā)動(dòng)機(jī)的支承擰緊自動(dòng)化工藝研究和應(yīng)用

陳典漢 廖偉 陳明全

摘要：汽車總裝車間受限于裝配要素和裝配零件種類過多、規(guī)格差異大及人工作業(yè)為主體因素，開展全流程自動(dòng)化工藝改造難度大。針對(duì)以上問題，闡述了一種車身端支承全流程自動(dòng)擰緊工藝，通過可編程邏輯控制器（PLC）控制、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）、視覺識(shí)別多種軟硬件聯(lián)動(dòng)輔助，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況開發(fā)一套螺栓擰緊套筒自動(dòng)切換裝置，實(shí)現(xiàn)多車型、多規(guī)格共線生產(chǎn)模式下支承的自動(dòng)擰緊工藝，并確保100%達(dá)成品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：總裝車間自動(dòng)化工藝 視覺引導(dǎo) 套筒自動(dòng)切換

中圖分類號(hào)：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220359

Abstract： It is difficult to carry out the whole process automation process transformation due to many factors， such as too many assembly elements， too many types of assembly parts， large specification differences and manual operations. To address the above issues， this paper elaborates a whole process automatic tightening process for the body-end support. With Programmable Logic Controller （PLC）， PMS （Power production Management System）， visual recognition and other software and hardware linkage， and in combination with the actual situation on the site， a set of automatic switching device for bolt tightening sleeves is developed， which realizes automatic tightening of the support under the mode of multiple vehicle models with multiple specifications produced on the same line and ensures that 100% of the quality is achieved.

Key words： Assembly workshop process automation technology， Visual guidance， Sleeve automatic switching

作者簡(jiǎn)介：陳典漢（1974—），男，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)槠嚠a(chǎn)品規(guī)劃、汽車新產(chǎn)品量產(chǎn)前生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備、研究與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)引用格式：

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1 前言

汽車總裝車間工藝主要是按圖紙要求完成汽車零部件組裝，特點(diǎn)是零部件種類多，涵蓋安裝、緊固、扭力、粘貼等80多種動(dòng)作要素[1]，自動(dòng)化程度低，是以人工裝配為主的流水線作業(yè)。

為在競(jìng)爭(zhēng)不斷激烈化的市場(chǎng)搶占先機(jī)，主機(jī)廠紛紛致力于新車型研發(fā)，多規(guī)格共線生產(chǎn)常態(tài)化，隨著新技術(shù)、新工藝、新裝備的引進(jìn)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在現(xiàn)有硬件條件下，逐漸暴露出設(shè)備老舊無法適用、有效工位不足、規(guī)格多難識(shí)別、員工職業(yè)傷害增加的困擾事項(xiàng)。如何既解決現(xiàn)場(chǎng)困擾事項(xiàng)，又確保新車型順利投產(chǎn)，削減勞務(wù)成本，是目前汽車行業(yè)內(nèi)總裝車間面臨的共同課題。本項(xiàng)目以發(fā)動(dòng)機(jī)支承擰緊工藝為切入點(diǎn)，采用機(jī)器人取代人工作業(yè)，結(jié)合集約布局規(guī)劃完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)改造，實(shí)現(xiàn)改善作業(yè)環(huán)境及成本削減的雙贏局面。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)支承安裝技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)支承作用

車身端發(fā)動(dòng)機(jī)支承[2]分為左支承和右支承，分別連接和固定發(fā)動(dòng)機(jī)的左右兩側(cè)，是搭載發(fā)動(dòng)機(jī)與車身的重要連接部品，安裝精度、品質(zhì)要求高，安裝不良會(huì)影響整車動(dòng)平衡，引起發(fā)動(dòng)機(jī)異常抖動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)左右支承如圖1所示。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)支承擰緊工藝設(shè)定

發(fā)動(dòng)機(jī)端支承擰緊工藝主要有2種，一是風(fēng)動(dòng)扳手緊固+扭力扳手扭力檢查，二是高精度電動(dòng)工具擰緊，如表1所示。

以某汽車公司為例，生產(chǎn)節(jié)拍為72 JPH，發(fā)動(dòng)機(jī)支承安裝是重要品質(zhì)管理項(xiàng)目，工藝設(shè)定采用人+人保證，確保品質(zhì)穩(wěn)定。以左支承為例，員工1將左支承安裝到車身，采用風(fēng)動(dòng)扳手將支承螺栓緊固到車身，員工2對(duì)左支承安裝狀態(tài)進(jìn)行檢查，并用設(shè)定扭矩值的定扭力扳手進(jìn)行扭力檢查，作業(yè)完成后在螺帽上點(diǎn)紅油標(biāo)記（圖2）。員工作業(yè)工時(shí)約65 s，單班需由2名員工作業(yè)，人員效率較低。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)支承擰緊工序職業(yè)傷害

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)（Ergonomics），評(píng)價(jià)基準(zhǔn)分為姿勢(shì)、體力、工作環(huán)境和心理負(fù)荷4個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，并設(shè)定不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，傷害級(jí)別分為A、B、C級(jí)，其中A級(jí)最高，B級(jí)次之，C級(jí)最低。

車身端發(fā)動(dòng)機(jī)支承緊固時(shí)，不同車型的扭矩標(biāo)準(zhǔn)不同，以某車型為例，圖紙要求的扭矩是80 N·m，員工1采用風(fēng)動(dòng)扳手（脈沖式）進(jìn)行緊固，崗位噪音為86.3 dB（A），環(huán)境噪音職業(yè)傷害達(dá)到了A級(jí)，亟需改善。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)支承自動(dòng)化擰緊工藝難點(diǎn)

車身端支承安裝存在崗位噪音職業(yè)傷害及人員效率低的情況，結(jié)合行業(yè)自動(dòng)化水平的提升及某公司自動(dòng)化項(xiàng)目推進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出改善方案，即在現(xiàn)有硬件條件下進(jìn)行靜止車位改造，采用攜帶高精度電動(dòng)工具的視覺機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)擰緊替代員工作業(yè)，提高人員效率，降低崗位噪音職業(yè)傷害。受限于生產(chǎn)硬件，項(xiàng)目主要存在以下主要困擾。

3.1 主線工位不足

某公司總裝車間廠房建成至今超過20年，輸送線主要為懸掛輸送鏈，近年來，隨著投產(chǎn)車型裝備不斷豐富，主線工位不足，工位負(fù)荷逐年增加，已成為制約其面向未來發(fā)展的重大難題。

受輸送線結(jié)構(gòu)影響，發(fā)動(dòng)機(jī)支承自動(dòng)擰緊時(shí)要求車身處于靜止?fàn)顟B(tài)，為確保裝配品質(zhì)及稼動(dòng)穩(wěn)定，需要對(duì)同步懸掛鏈進(jìn)行改造，傳統(tǒng)方案需占用2.5個(gè)有效工位，該方式導(dǎo)致總裝車間有效工位數(shù)進(jìn)一步減少，崗位密度增加，生產(chǎn)柔性降低。因此，解決主線工位不足成為了主要難點(diǎn)。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)支承規(guī)格識(shí)別難

總裝車間特點(diǎn)是多車型混線生產(chǎn)，不同車型的發(fā)動(dòng)機(jī)支承外觀造型、顏色、大小、車型標(biāo)識(shí)都存在差異，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員主要依靠支承上刻字符標(biāo)識(shí)（圖3）的差異進(jìn)行規(guī)格區(qū)分。

機(jī)器人攜帶視覺系統(tǒng)的高清工業(yè)相機(jī)如何在快速生產(chǎn)模式下克服光照環(huán)境、車身顏色影響因素精準(zhǔn)識(shí)別支承規(guī)格標(biāo)識(shí)成為了另一個(gè)技術(shù)難題。

3.3 自動(dòng)擰緊時(shí)工具套筒自動(dòng)認(rèn)帽難

機(jī)器人攜帶電動(dòng)工具擰緊支承螺栓時(shí)，要求工具套筒從上往下垂直或者以固定角度套入螺帽，進(jìn)而完成擰緊作業(yè)。

機(jī)器人自動(dòng)擰緊過程需避開白車身及相關(guān)零件干涉，因此套筒長(zhǎng)度至少為300 cm，此時(shí)套筒處于懸吊狀態(tài)，移動(dòng)過程中套筒不可避免發(fā)生晃動(dòng)，導(dǎo)致工具套筒難以精準(zhǔn)套入螺帽。套筒越長(zhǎng)，晃動(dòng)就越大，認(rèn)帽難度就越大（圖4）。

3.4 車型間多規(guī)格螺栓自動(dòng)擰緊切換難

總裝車間多車型混線生產(chǎn)，不同車型的發(fā)動(dòng)機(jī)支承安裝圖紙要求力矩不同，螺栓尺寸規(guī)格也不同（表2），因此機(jī)器人擰緊工具需配備不同套筒尺寸規(guī)格對(duì)應(yīng)。受擰緊空間干涉影響，一臺(tái)機(jī)器人作業(yè)時(shí)只能攜帶一種型號(hào)套筒，導(dǎo)致不同車型間不同尺寸規(guī)格套筒切換時(shí)存在困難。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)支承自動(dòng)化擰緊工藝實(shí)現(xiàn)方法

4.1 全車型支承安裝工藝設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)零件特性和自動(dòng)化擰緊工藝要求，對(duì)全車型的發(fā)動(dòng)機(jī)左右支承安裝工藝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[3]，主要考慮：工程變化量最小、品質(zhì)向上；零件包裝及線邊物流周轉(zhuǎn)合理；員工作業(yè)姿勢(shì)改善，勞動(dòng)負(fù)荷最小化；機(jī)器人自動(dòng)化擰緊運(yùn)行軌跡合理。

基于以上要素，明確左右支承安裝工藝：首先由員工1安裝左右支承到車身，采用小力矩電池槍預(yù)緊螺栓（螺帽與支承螺孔表面貼合），確保懸掛鏈吊具運(yùn)行過程中支承零件穩(wěn)固，接著由機(jī)器人攜帶工具自動(dòng)擰緊支承螺栓（圖5）。

4.2 支承擰緊設(shè)備集約

總裝工藝布局規(guī)劃中，各公司均有“集約”的思路，從各類相同零件要素在同一工位安裝的集約；到同一類零件相關(guān)聯(lián)工序在同一區(qū)域或相鄰工位作業(yè)的工藝集約，如實(shí)現(xiàn)前風(fēng)窗玻璃上料-脫脂劑涂布-加強(qiáng)劑涂布-玻璃膠涂布-前擋安裝到車身-安裝質(zhì)檢檢查工藝全流程集約，再到本項(xiàng)目提出的同一工位多類設(shè)備布局集約。

在有效工位數(shù)不制約未來發(fā)展的情況下，創(chuàng)新性提出了“六分制”的概念，即將整車分為左/右前、左/右中、左/右后，充分提高工位利用率，將不同作業(yè)要素集中在同一工位進(jìn)行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備布局的集約化（圖6）[4]。

根據(jù)上述原則，對(duì)總裝車間現(xiàn)有自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行梳理和分析，最終選定將泡沫加注和支承擰緊進(jìn)行集約布局規(guī)劃，充分利用該工位前部剩余空間（圖7），即中部為泡沫加注設(shè)備，前部為支承擰緊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)集約化布局，有效工位“0”損耗。

同時(shí)將該區(qū)域設(shè)定為一個(gè)工作區(qū)進(jìn)行全封閉安全防護(hù)，并進(jìn)行機(jī)器人之間運(yùn)行軌跡安全檢證，設(shè)置保護(hù)程序（圖8），確保作業(yè)安全。

4.3 視覺拍照自動(dòng)識(shí)別支承規(guī)格

白車身進(jìn)入自動(dòng)擰緊工位完成定位，機(jī)器人接收指令后攜帶高清攝像頭對(duì)支承進(jìn)行拍照，自動(dòng)提取支承照片中字符，并與數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)格信息匹配，實(shí)現(xiàn)規(guī)格主動(dòng)防錯(cuò)。不同支承顏色采用不同曝光率，提升識(shí)別準(zhǔn)確率。

4.4 彈簧套筒認(rèn)帽緩沖保護(hù)

白車身進(jìn)入自動(dòng)擰緊工位完成定位，機(jī)器人接收指令攜帶高清攝像頭對(duì)目標(biāo)螺栓進(jìn)行拍照定位，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別XY平面螺栓中心的位置，以此為基準(zhǔn)計(jì)算偏移量，并將結(jié)果發(fā)送至機(jī)器人進(jìn)行視覺引導(dǎo)[5]定位（圖9）。視覺引導(dǎo)定位時(shí)，為避免成像時(shí)陰影干擾，不同車身顏色設(shè)置不同的曝光值[6]。

由于套筒尺寸過長(zhǎng)且處于懸吊狀態(tài)，移動(dòng)過程中不可避免發(fā)生晃動(dòng)，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用彈簧套筒（圖10），認(rèn)帽過程中起緩沖保護(hù)作用，消除晃動(dòng)影響，提高認(rèn)帽成功率。

4.5 多規(guī)格工具套筒自動(dòng)切換裝置

為實(shí)現(xiàn)多規(guī)格自動(dòng)化共線生產(chǎn)，開發(fā)了一套工具套筒自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)（圖11）。機(jī)器人將要更換的套筒放入指定套筒固定座，夾持裝置將其定位固定，套筒切換裝置上升使擰緊工具與套筒松開，套筒分離裝置通過氣缸下降帶動(dòng)工具與套筒分離。同理，機(jī)器人攜帶擰緊工具移動(dòng)至需要更換的套筒固定座，套筒分離裝置通過氣缸的上升帶動(dòng)套筒與擰緊工具結(jié)合，套筒切換裝置下降使擰緊工具與套筒卡緊，完成套筒自動(dòng)切換。

4.6 支承全流程自動(dòng)擰緊工藝設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)支承全流程自動(dòng)擰緊工藝[7]主要分為白車身定位固定、自動(dòng)擰緊程序調(diào)用、擰緊品質(zhì)監(jiān)控3個(gè)階段（圖12）。

根據(jù)全流程自動(dòng)擰緊工藝設(shè)定，結(jié)合時(shí)序圖（圖13）分析機(jī)器人擰緊節(jié)拍，優(yōu)于72 JPH生產(chǎn)節(jié)拍，方案滿足量產(chǎn)使用要求。

4.6.1 階段一：白車身到位自動(dòng)定位固定

吊具搭載白車身進(jìn)入安裝工位后，吊具上方采用懸掛鏈的驅(qū)動(dòng)輪鎖定，吊具下方前端以吊具定位銷為基點(diǎn)，通過氣缸的上下升降帶動(dòng)凹杯，實(shí)現(xiàn)前端定位。吊具下方后端利用平行設(shè)置4個(gè)伸縮氣缸，分別配合4個(gè)抓緊機(jī)構(gòu)固定尾部柱子（圖14），實(shí)現(xiàn)吊具自動(dòng)定位。

4.6.2 階段二：自動(dòng)擰緊程序調(diào)用

吊具搭載白車身完成自動(dòng)定位固定后，吊具前部感應(yīng)器通過AS400系統(tǒng)自動(dòng)獲取車身信息，機(jī)器人接收指令自動(dòng)調(diào)取已有程序及運(yùn)行軌跡，同時(shí)機(jī)器人攜帶高清攝像頭對(duì)支承螺栓拍照，自動(dòng)獲取中心位置，輸出機(jī)器人擰緊坐標(biāo)，輔助機(jī)器人修正軌跡后進(jìn)入自動(dòng)擰緊階段，確保擰緊程序與當(dāng)前生產(chǎn)車型匹配。

4.6.3 階段三：擰緊品質(zhì)監(jiān)控

發(fā)動(dòng)機(jī)支承擰緊工具使用ATLAS高精度擰緊電動(dòng)工具，從擰緊力矩、擰緊時(shí)間、擰緊角度3個(gè)維度有效保證品質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)擰緊數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳與保存。

為便于管理人員直觀掌握支承擰緊狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)配備顯示屏實(shí)時(shí)同步顯示支承擰緊要求、擰緊數(shù)據(jù)及結(jié)果綜合判斷（圖15）。如出現(xiàn)異常，設(shè)備自動(dòng)報(bào)警停機(jī)停線，待專業(yè)人士返修確認(rèn)后方可解除警報(bào)，實(shí)現(xiàn)“品質(zhì)閉環(huán)可追溯式管理”，有效規(guī)避錯(cuò)、漏風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

車身端發(fā)動(dòng)機(jī)支承全流程安裝自動(dòng)化項(xiàng)目的實(shí)施，有效削減崗位職業(yè)傷害要素，噪音降至65 dB（A）以下，削減噪音崗位4個(gè)，對(duì)構(gòu)建綠色總裝奠定基礎(chǔ)?？傃b技術(shù)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員削減，每年取得約60萬元直接經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)項(xiàng)目申請(qǐng)一項(xiàng)套筒自動(dòng)切換發(fā)明專利，削減車型切換稼動(dòng)損失，每年間接增加產(chǎn)值約1.5億元?？傃b品質(zhì)管理上實(shí)現(xiàn)“品質(zhì)閉環(huán)可追溯式管理”，為總裝工序保證能力提升、產(chǎn)品車品質(zhì)穩(wěn)定開創(chuàng)了新思路。

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