前制動(dòng)卡鉗自動(dòng)裝配工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

阮 婷 樊慶地 劉海云

（1.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430065；2.神龍汽車有限公司，湖北武漢 430056）

1 引言

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備用于制造行業(yè)，為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)裝配技術(shù)[1-2]開(kāi)始備受人們的青睞。三菱電梯公司曳引機(jī)裝配線大量使用機(jī)器人和自動(dòng)化裝置，自動(dòng)完成零部件上料、存儲(chǔ)、輸送、裝配、檢測(cè)的全工藝流程[3]。牛文婷等介紹了微小零件的全自動(dòng)裝配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝配前自動(dòng)上料，裝配后零件自動(dòng)鎖緊[4]。王吉岱、郝亞?wèn)|設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的鼓式制動(dòng)器自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，保證各工序之間按照既定的節(jié)拍自動(dòng)完成裝配的工藝過(guò)程[5]。

自動(dòng)裝配技術(shù)雖然廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，但多數(shù)情況下所涉及的都是單一品種的零件裝配過(guò)程。當(dāng)出現(xiàn)零件多品種混流生產(chǎn)時(shí)，往往還是要借助人力解決錯(cuò)裝和漏裝等實(shí)際問(wèn)題。本文對(duì)某汽車生產(chǎn)廠的前制動(dòng)卡鉗自動(dòng)裝配工藝進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一條集自動(dòng)擰緊、自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)分揀系統(tǒng)共同作用的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線。

2 項(xiàng)目概況

某汽車生產(chǎn)廠家要建一條產(chǎn)能為48輛份/小時(shí)的整車生產(chǎn)線，對(duì)應(yīng)需要裝配的前卡鉗的節(jié)拍為96個(gè)/小時(shí)。其中有4種前卡鉗（左、右各兩種），裝配到4種制動(dòng)盤/轉(zhuǎn)向節(jié)合件上（左、右各兩種），參照現(xiàn)有的裝配方式，需要2名操作工，主要完成卡鉗的裝配、零件搬運(yùn)和多品種防差錯(cuò)。

3 現(xiàn)有前制動(dòng)卡鉗裝配工藝

3.1 裝配工藝流程

（1）操作工從滾道拿取一件制動(dòng)盤/轉(zhuǎn)向節(jié)合件放在設(shè)備定位工裝上。

（2）按下設(shè)備啟動(dòng)按鈕，夾具將合件夾緊。

（3）從料箱中拿取與合件對(duì)應(yīng)的制動(dòng)卡鉗，并裝在合件上，再手動(dòng)預(yù)擰緊2個(gè)螺栓。

（4）按下設(shè)備啟動(dòng)按鈕，擰緊頭開(kāi)始擰緊卡鉗螺栓。

（5）將擰緊合格的零件搬到對(duì)應(yīng)料道上，裝配過(guò)程如圖1所示。

3.2 裝配線平面布置

為滿足48輛份/小時(shí)的產(chǎn)能要求，由兩名工人操作兩臺(tái)設(shè)備，分別裝配左、右卡鉗，操作區(qū)域面積25m2，平面布置簡(jiǎn)圖如圖2所示。采取分批次的生產(chǎn)方式，制動(dòng)盤/轉(zhuǎn)向節(jié)合件分左、右兩個(gè)品種（用A，B表示），前卡鉗有四個(gè)品種（左、右各兩種，用左C/D、右C/D表示），料道1和料道2分別存放兩個(gè)品種的左件即AC和AD，料道3和料道4分別存放兩個(gè)品種的右件即BC和BD。裝配完成后，依靠人工識(shí)別零件品種，使用吊具將零件吊運(yùn)至身后對(duì)應(yīng)的滾道上，操作工人再?gòu)?位置走到3位置取卡鉗回到1位置裝配。在此過(guò)程中，工人需要反復(fù)移動(dòng)和轉(zhuǎn)身，非增值時(shí)間較長(zhǎng)，存在節(jié)拍浪費(fèi)，同時(shí)零件在吊運(yùn)時(shí)容易造成磕碰傷，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 卡鉗裝配過(guò)程圖

圖2 卡鉗裝配平面布置圖

4 前卡鉗自動(dòng)裝配線工藝設(shè)計(jì)

為了減員和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，消除零件搬運(yùn)時(shí)造成的工時(shí)浪費(fèi)，設(shè)計(jì)自動(dòng)裝配線時(shí)需著重考慮以下幾點(diǎn)。

（1）優(yōu)化平面布置，零件手邊化，減少移位浪費(fèi)。

（2）優(yōu)化裝配操作方式，減少人等設(shè)備的時(shí)間浪費(fèi)。

（3）采用新的工藝方法進(jìn)行多品種防差錯(cuò)。

（4）改變零件輸送方式，取消吊運(yùn)，減少磕碰傷。

4.1 自動(dòng)裝配線的布局

方案一：本方案在現(xiàn)有平面布局上加以優(yōu)化，平面布置示意圖如圖3所示。操作工人從料筐中取出卡鉗，在預(yù)裝工位上將卡鉗套在制動(dòng)盤/轉(zhuǎn)向節(jié)合件上并帶上螺栓，拍下按鈕，擋料塊放行，零件被輸送到擰緊工位。當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到零件到位信息之后，自動(dòng)啟動(dòng)擰緊程序，兩臺(tái)設(shè)備分別擰緊左件和右件。設(shè)備包含簡(jiǎn)易下料機(jī)構(gòu)，操作工識(shí)別卡鉗品種，選擇對(duì)應(yīng)的料道向下料機(jī)構(gòu)給出指令（通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)），下料機(jī)構(gòu)根據(jù)收到的指令將裝配合格的零件推入對(duì)應(yīng)的料道中。

優(yōu)化后的方案大大減少了操作工的非增值時(shí)間，取消了零件的吊運(yùn)過(guò)程，有效減少磕碰傷和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。此外，占地面積減至21m2。

圖3 方案一平面布置圖

圖4 自動(dòng)裝配平面布置簡(jiǎn)圖

方案二：本方案主要包含自動(dòng)擰緊機(jī)、多品種防差錯(cuò)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)分揀下料機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸滾道、擋料裝置、托盤和信息管理系統(tǒng)等。平面布置示意圖如圖4，取消了人工操作的第2步，并將第4步和第5步合并且自動(dòng)完成。操作工將制動(dòng)盤/轉(zhuǎn)向節(jié)合件放在托盤上，再?gòu)牧峡蛑腥〕雠c之對(duì)應(yīng)的卡鉗，預(yù)裝在合件上，拍下按鈕，擋料塊放行，托盤被輸送到擰緊工位。防差錯(cuò)機(jī)構(gòu)自動(dòng)識(shí)別零件的品種以及判斷卡鉗是否錯(cuò)裝。若信息匹配成功，設(shè)備自動(dòng)擰緊兩個(gè)螺栓，再將零件分配到相對(duì)應(yīng)的料道中。本方案的占地面積為14m2。

綜上所述，兩個(gè)方案都具備一定的自動(dòng)化程度，減少操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度和非增值時(shí)間，滿足工廠的產(chǎn)能和多品種混流生產(chǎn)的要求。對(duì)比兩個(gè)方案之后發(fā)現(xiàn)方案二更優(yōu)，主要有以下幾點(diǎn)。

（1）設(shè)備和人員投入更少。

（2）占地面積更少。

（3）帶有自動(dòng)防錯(cuò)系統(tǒng)，能有效檢測(cè)到預(yù)裝時(shí)操作工的誤裝，避免錯(cuò)誤零件流入下游工位。

因此，選擇方案二作為新生產(chǎn)線的最終方案，得到工廠各個(gè)部門領(lǐng)導(dǎo)和同事的一致認(rèn)可。下文將對(duì)該方案做詳細(xì)的介紹。

4.2 卡鉗擰緊方式

卡鉗的擰緊分兩個(gè)工位：預(yù)擰緊工位和終擰緊工位。操作工將卡鉗套在制動(dòng)盤/轉(zhuǎn)向節(jié)合件上，手動(dòng)將螺栓帶2到3圈。再拍下放行按鈕，零件隨托盤輸送至終擰緊工位。此時(shí)，操作工可以繼續(xù)從料箱中取卡鉗，預(yù)裝下一件總成零件。

當(dāng)前托盤到達(dá)終擰緊工位后，傳感器向PLC控制器發(fā)出零件到位信號(hào)，抬起氣缸將托盤頂起，同時(shí)夾緊裝置將零件加緊。掃描槍開(kāi)始掃描零件條碼（每個(gè)零件上都貼有唯一的條碼），獲取零件信息。PLC控制啟動(dòng)設(shè)備開(kāi)始擰緊，合格零件自動(dòng)放行。這種擰緊方式完全消除了人等設(shè)備的時(shí)間，也避免了工時(shí)浪費(fèi)。

目前擰緊工具精度比較高，能準(zhǔn)確達(dá)到程序給定的力矩范圍，選擇市面上常用的工具都能實(shí)現(xiàn)所需的擰緊精度。

4.3 多品種防差錯(cuò)

多品種防差錯(cuò)裝置主要是利用機(jī)器替代人工目視對(duì)卡鉗做多品種識(shí)別。4種卡鉗（機(jī)械卡鉗和電子卡鉗，分左右件）外形和尺寸相似，僅靠制動(dòng)油管孔的朝向和卡鉗顏色區(qū)分（機(jī)械卡鉗外觀呈灰色，電子卡鉗外觀呈白色）。如圖5所示，摩擦片開(kāi)檔朝操作者，制動(dòng)油管孔朝左為左卡鉗，制動(dòng)油管孔朝右為右卡鉗。

圖5 卡鉗左/右件差異圖

圖5可見(jiàn)制動(dòng)油管孔相對(duì)于卡鉗上端面凸起，可利用光的直線傳播特性做卡鉗左、右件識(shí)別。在設(shè)備上安裝激光對(duì)射開(kāi)關(guān)，如圖6所示，向卡鉗制動(dòng)油管孔凸起處發(fā)射激光信號(hào)，若開(kāi)關(guān)收到信號(hào)，信號(hào)燈呈綠色，表明油管凸點(diǎn)在右側(cè)，該零件為右件。若開(kāi)關(guān)未收到信號(hào)，信號(hào)燈呈紅色，表明油管凸點(diǎn)在左側(cè)，該零件為左件。

圖6 防差錯(cuò)機(jī)構(gòu)圖

PLC控制器將防差錯(cuò)裝置識(shí)別到的卡鉗信息與掃描裝置識(shí)別的條碼信息進(jìn)行匹配，匹配成功時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的擰緊程序，驅(qū)動(dòng)氣缸帶動(dòng)擰緊扳手，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，開(kāi)始對(duì)螺栓進(jìn)行擰緊。若兩處信息匹配失敗，設(shè)備報(bào)警，提醒操作人員卡鉗品種錯(cuò)裝，需要人工干預(yù)，退出托盤重新預(yù)裝卡鉗。多品種防差錯(cuò)機(jī)構(gòu)工作原理流程如圖7所示。

圖7 防差錯(cuò)流程圖

經(jīng)過(guò)一年的使用，防錯(cuò)系統(tǒng)運(yùn)行良好，從未出現(xiàn)誤判的情況，能穩(wěn)定用于大批量生產(chǎn)。

4.4 自動(dòng)分料裝置

擰緊合格的零件被輸送至下游滾道，PLC控制單元將當(dāng)前零件品種信息傳輸?shù)礁鱾€(gè)擋料和推料氣缸感應(yīng)器中，收到信號(hào)的氣缸將啟動(dòng)擋料和推料動(dòng)作，零件被推入對(duì)應(yīng)料道中。工作簡(jiǎn)圖如圖8所示，來(lái)件為2號(hào)零件，PLC將給2號(hào)擋料控制氣缸一個(gè)擋料信號(hào)，擋料塊下降擋住零件前進(jìn)方向，當(dāng)零件到位后，PLC再給2號(hào)推料控制氣缸一個(gè)信號(hào)，推料塊將零件推入2號(hào)料道中，依次循環(huán)。

自動(dòng)分料裝置的應(yīng)用省去了零件從卡鉗擰緊工位吊至滾道的時(shí)間，單件零件節(jié)省工時(shí)25秒。

圖8 自動(dòng)分料簡(jiǎn)圖

5 自動(dòng)裝配工藝應(yīng)用收益

前卡鉗自動(dòng)裝配工藝的應(yīng)用，取得了一系列的收益，不僅提升了裝配效率，還減少了人員和設(shè)備的投入。在生產(chǎn)過(guò)程中從未發(fā)生錯(cuò)裝零件流入下游工位的現(xiàn)象。

5.1 工位效率提升

手動(dòng)裝配前制動(dòng)卡鉗，每輛份工時(shí)1.32分鐘，采用自動(dòng)裝配方式后每輛份工時(shí)0.47分鐘。

5.2 設(shè)備故障率

生產(chǎn)線經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，設(shè)備僅發(fā)生2次故障。一次是掃描槍無(wú)法掃描零件的條碼，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是掃描槍固定裝置松動(dòng)而發(fā)生移位，維修工在5分鐘之內(nèi)完成掃描槍的固定，并使設(shè)備正常運(yùn)行。另一次是，分揀機(jī)構(gòu)的擋料塊無(wú)法正常擋料而發(fā)生設(shè)備報(bào)警，經(jīng)檢查是控制擋料塊的氣缸上有根線斷開(kāi)，在3分鐘之內(nèi)完成修復(fù)工作。設(shè)備故障率不影響正常生產(chǎn)，被工廠所接受。

5.3 經(jīng)濟(jì)收益

1名操作員人工成本10萬(wàn)元/年，自動(dòng)擰緊設(shè)備24萬(wàn)元/臺(tái)，手動(dòng)擰緊設(shè)備19萬(wàn)元/臺(tái)，擰緊工具投入20萬(wàn)元/套，自動(dòng)防錯(cuò)裝置2萬(wàn)元/套。自動(dòng)分料裝置10萬(wàn)元。在48輛份/小時(shí)雙班生產(chǎn)的前提下，自動(dòng)裝配需1臺(tái)設(shè)備和2名操作工，手動(dòng)裝配需兩臺(tái)設(shè)備和4名操作工。由此可知手動(dòng)裝配方式設(shè)備投入需78萬(wàn)元，自動(dòng)裝配方式設(shè)備投入需56萬(wàn)元。具體明細(xì)如表1所示。

表1 投入對(duì)比表

此外，若采用自動(dòng)裝配方式，還可減少2名操作工，即每年人工少投入20萬(wàn)元。

年工時(shí)收益=0.85分鐘/輛份（自動(dòng)裝配節(jié)省工時(shí)）*48輛份/小時(shí)*5800小時(shí)（年工工時(shí)）*1.3元/分鐘=30.8萬(wàn)元。

6 結(jié)論

本文介紹了自動(dòng)裝配技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，詳細(xì)描述了前卡鉗自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的平面布置、多品種識(shí)別和分揀下料等一系列操作，并與現(xiàn)有的裝配方式做了經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比。結(jié)果表明，自動(dòng)裝配技術(shù)的應(yīng)用不僅能減少生產(chǎn)線的占地面積和生產(chǎn)成本，還能有效提高裝配效率和零件的裝配質(zhì)量，為工廠帶來(lái)許多有形和無(wú)形的收益。其成功應(yīng)用為后期項(xiàng)目提供了可靠的經(jīng)驗(yàn)借鑒。