基于非精度料架實現(xiàn)汽車門外板自動上件功能的研究

居成田 ?？○? 倪聰 王文川

摘要：自工業(yè)革命之后，越來越多的人力勞動被機器所取代，制造成本也隨著機器的大量運用而大大降低，如何進一步通過自動化、半自動化減輕人員操作負荷，減輕企業(yè)的人工成本，是目前制造型企業(yè)的發(fā)展趨勢。如何針對老工廠客觀存在的工藝復雜，工序繁瑣，現(xiàn)場的零件種類多、數(shù)量大、形狀復雜、工作空間受限、尺寸波動大等條件，針對性的提出改造方案使其符合企業(yè)的投資成本預算，實現(xiàn)自動化或者是半自動化改造，將會是近幾年的趨勢。

Abstract： Since the industrial revolution， more and more human labor has been replaced by machines， and the manufacturing cost has been greatly reduced with the large-scale use of machines. How to further reduce the personnel operating load through automation and semi-automation and reduce the labor costs of enterprises is the development trend of current manufacturing companies. Based on the objective conditions of the old factory， such as， the complicated process， the cumbersome process， many types of parts， large quantities， complicated shapes， limited working space， large size fluctuations， and so on， how to propose a transformation plan in a targeted manner to meet the investment cost budget of the enterprise and achieve automation or semi-automatic transformation will be the trend in recent years.

關鍵詞：機器人;創(chuàng)新;自動上件;精度定位;工業(yè)工程;MTM分析

Key words： robot;innovation;automatic loading;precision positioning;industrial engineering;MTM analysis

中圖分類號：U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0269-03

0? 引言

一家整車廠已經(jīng)建廠8年左右，成立之初確實是當時的技術領先者。經(jīng)過幾年的技術革新，越來越多的新技術投入到了市場，經(jīng)過幾年的市場檢驗，技術成本大大降低，技術穩(wěn)定性得到了有效的保證。如果直接將新技術套用在老工廠上，那么企業(yè)原先的一些客觀條件將不能與新技術的要求相匹配，想要滿足新技術的要求必須投入更多的成本來滿足，這對于企業(yè)來說是不可接收的。針對這種客觀的大量存在的情況，我們針對具體的客觀情況進行研究分析，并給出可行的方案，幫助老企業(yè)實現(xiàn)自動化轉型，跟上智能制造企業(yè)的步伐，繼續(xù)前進。

1? 課題背景

國家經(jīng)濟的騰飛離不開第二工業(yè)——制造業(yè)的支撐，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人力成本在企業(yè)運營成本中的占比越來越高，如何降低企業(yè)人力成本是工業(yè)工程專業(yè)不變的研究課題。結合新時代新技術的發(fā)展與運用，通過自動化設備改造，以最小的投資成本獲得較大的人力成本回收是每一個制造型企業(yè)都在致力研究的方向，作為企業(yè)的工業(yè)工程專業(yè)工作人員，結合企業(yè)現(xiàn)狀抓牢行業(yè)發(fā)展趨勢，充分運用新技術以及創(chuàng)新思想，實現(xiàn)人工制造型企業(yè)轉變?yōu)橹悄苤圃煨推髽I(yè)的任務，是我們當前研究的主要課題。

2? 現(xiàn)狀分析

整車制造工藝主要是：沖壓、焊接、涂裝、總裝?，F(xiàn)代沖壓技術已經(jīng)在一個較高水平，涂裝工藝亦然，通過工業(yè)機器人的運用，基本可以實現(xiàn)較少人工參與制造。其中的焊裝和總裝是目前整車制造企業(yè)人力成本占比最大的區(qū)域。本文主要研究焊裝車間，焊裝車間的零件多、零件形狀復雜、外覆蓋件表面質量要求高、工藝復雜、使用的設備設施也多，想要實現(xiàn)智能制造，前期規(guī)劃時需要考慮的細節(jié)也很多。下面著重介紹汽車門外板單件上件工藝流程，人工從料架搬運門外板并擺放至上件工裝上，拍復位按鈕給信號機器人，機器人接收信號后自動抓取零件，并完成后續(xù)工藝。如此看來工藝特別簡單，每個節(jié)拍（標準是49s）實際使用25s，勞動負荷率為51.02%。

勞動負荷率=實際節(jié)拍/標準節(jié)拍

如此低勞動負荷率的崗位目前現(xiàn)場有4個，且無法通過MTM分析進行崗位合并，因為4個崗位分布距離較遠，進行崗位合并分析時，由于增加了走動距離，存在超節(jié)拍的現(xiàn)象。這種明顯浪費的現(xiàn)象，嚴重的拖了我們精益管理的后腿。

3? 潛力點挖掘

根據(jù)上文的現(xiàn)狀分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，人工操作的行為其實主要是三步。

第一步，把零件從料架中取出;第二步，零件的運輸;第三步，零件擺放至上件工裝上，進行定位，方便后續(xù)機器人自動抓取。

其中的第二步和第三步，基于目前工廠的技術應用完全有辦法可以實現(xiàn)。難點就在第一步，零件的取出難點較大。

如何實現(xiàn)自動取件功能成為本次研究的重點問題，這是潛力挖掘的關鍵所在。零件在從料架取出時是通過抽取的方式來完成的，如果要通過自動機械手抓取的方式來完成是不可能的，因為料架的空間不允許;同時，此料架的精度不高（料架誤差為±250mm），自動機械手（KUKA）的誤差是±0.06mm，無法完成自動抓取。通過模擬人工搬運的方式，設計制造機械裝置，實現(xiàn)人工抽件的類似工作，模仿人的右手操作，實現(xiàn)自動取件的動作。通過設計制造接料裝置，模擬人工的左手操作，托住零件，防止零件掉落變形，實現(xiàn)零件的取出功能。接料裝置上增加氣缸等氣動單元，實現(xiàn)零件在接料裝置上實現(xiàn)粗定位向精定位的轉變，滿足機械手自動抓取的要求。

4? 模擬驗證

根據(jù)以上的分析與研究，通過實地勘測獲得現(xiàn)場的實際工況，運用三維軟件3DMax畫出設想的裝置，并在軟件中進行模擬仿真。仿真時是基于零件可以順暢的從料架中推入到接料機構中這么一個理想狀態(tài)，因此仿真的主要關注點是這個設計是否可以滿足功能。

4.1 門外板零件寬度較大，推料機構的推桿長度較長

推桿初始設計為鋼結構，推桿的起始點和重點位置均為推桿的一端，另外一端懸空，長時間在重力的作用下是否會影響推桿的垂直度，推桿若由于重力作用發(fā)生變形后，是否會影響推桿的正常推送零件功能。這個問題，通過受力分析以及材料學的研究，最終得出結論，實心推桿的重力太大，時間久了由于剪切應力的作用會導致推桿的形變，進而影響推桿的使用。橫梁受力分析基本可以分為以下三種情況，如圖1。

通過觀察推料機構的狀態(tài)，可以將推桿結構類比為懸臂梁結構，接下來要分析的是懸臂梁的受力情況，通過理論力學中靜力學的基本概念對懸臂梁進行受力分析，圖2是一根普通的懸臂梁在均布載荷作用下的簡單示意圖。

圖3是懸臂梁的剪力分析，可以看到懸臂梁的最大剪力集中在支撐點處，此處最易產(chǎn)生缺陷。

圖4的彎矩圖可以看出，懸臂梁的最大彎矩集中在支撐點處，此處最易產(chǎn)生變形，是較大的風險點。

正常工程設計中，一般都是通過增加加強筋來加固懸臂梁。但是這種方法在長度較長的懸臂梁上效果不明顯。而且容易產(chǎn)生大量的材料成本耗費，施工成本高，且不利于經(jīng)濟效益。根據(jù)推料機構的設計可以觀察到，加強筋不可能增加，增加了加強筋會影響推料機構的正常使用。根據(jù)圖3和圖4的剪力、彎矩公式分析可以發(fā)現(xiàn)，剪力、彎矩計算公式與梁的自重以及長度有關系，結合實際，長度肯定不允許縮短，因此唯一可以優(yōu)化的就是梁的自重。故在設計時采用了空心鋼管的結構，如圖5中的29，最大程度上確保了鋼管的強度以及最小的自重，此設計實現(xiàn)了鋼管自重下降25%。

4.2 接料機構從粗定位到精定位的狀態(tài)轉變

接料機構最重要的兩個功能分別是：一，模仿人類左手進行接料，避免零件被推到一定位置后掉落地面，產(chǎn)生質量缺陷，不能滿足生產(chǎn)需求。二，將零件的粗定位狀態(tài)轉化為精定位狀態(tài)，滿足機械手自動抓取功能。功能二是關鍵功能，也是難點功能。汽車門外板是外覆蓋件，零件厚度僅有0.7mm，很容易產(chǎn)生形變，控制不好力度以及尺寸很容易產(chǎn)生批量變形，對于“分鐘工廠”（一分鐘生產(chǎn)一臺汽車）來說，批量缺陷的損失是無比巨大的，不能接受。接料機構如圖6。

針對以上情況，我們在設計時選擇了硬度較小的尼龍塊結構，可以消除零件表面的劃傷，同時具備一定的回彈性，可以抵消部分形變產(chǎn)生的應力集中。同時通過氣缸或者電機等動力單元實現(xiàn)零件在接料機構中產(chǎn)生小的位移，確保零件位置精準定位。

運用仿真軟件進行工況模擬，最終試驗結果發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)零件的精準定位。

5? 實踐驗證

通過以上的設計、計算、分析、模擬驗證，最終敲定了方案。通過機加工以及標準件外購，然后組裝調試，如圖7。

開始實踐驗證，在驗證過程中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的小問題很多很雜，為了摸清故障的發(fā)生是偶發(fā)還是設計缺陷，通過制作每日狀態(tài)跟蹤問題單來跟蹤記錄分析問題，如圖8。

經(jīng)過4個月的跟蹤記錄分析，我們發(fā)現(xiàn)其中發(fā)生頻次較高的問題主要是脫軌和卡件。

零件從料架往接料結構中推送時，零件會有4‰的概率發(fā)生卡件情況。針對卡件情況，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)脫軌的原因是機構不具備零件到位檢測功能，通過在接料機構上增加零件到位傳感器，來識別零件到位狀態(tài)，反饋給PLC后，再對零件進行夾緊定位。如果零件脫軌，那么設備整體就會反饋故障信號，提醒員工進行故障復位。為了防止零件脫軌，還在加料機構上增加了零件到位限位裝置，消除零件脫軌的可能性。通過大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)零件卡件的原因是料架與運輸Dolly小車之間的偏差太大，設計時沒有考慮到這個問題，通過增加料架粗定位裝置，以及一組料架到位夾緊裝置，來確保料架的粗定位。同時擴大接料裝置的限位公差，消除不同料架尺寸波動導致的卡件情況。

6? 現(xiàn)場運用

經(jīng)過以上的各個過程，在工廠的左前門、右前門、左后門、右后門四個區(qū)域安裝調試好設備，并投入正常生產(chǎn)，有了前期的充分準備，目前在現(xiàn)場使用狀態(tài)良好，如圖9。

7? 結論

①推料機構的長度較長，使用空心管設計的結構可以滿足目前的應用，若在其他嚴苛工況下，可以適當考慮分段式推進機構，經(jīng)過受力分析也是可以滿足需求，但是造價較高，企業(yè)投資時一般會慎用，因此在做設計時還需要著重考慮方案的經(jīng)濟性;

②接料機構的前期、仿真都沒有太大問題，但是對于未知的恐懼，建議可以搭建一個模型進行實踐驗證，通過大數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)仿真與設計時無法發(fā)現(xiàn)的問題，如此可以更好的確保項目的順利完成;

③通過細致觀察分析現(xiàn)場的實際工況，挖掘現(xiàn)場潛力點，并做初步可行性分析，只要發(fā)現(xiàn)潛力點，那就深入跟進，依托已有的成熟技術，尋找專家判斷潛力點分析的難點和重點同時充分發(fā)揮主觀能動性，運用創(chuàng)新思維，重點突破未知領域，實現(xiàn)重難點攻關，因此最終實現(xiàn)使用純機械結構滿足汽車門外板自動上件的功能。創(chuàng)新思維很重要，不僅要敢想還得敢實施。

參考文獻：

[1]劉鴻文.材料力學[M].五版.高等教育出版社.

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