協(xié)作機器人在發(fā)動機總成線螺栓擰緊裝配中的應(yīng)用研究

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摘 要：人機協(xié)作機器人具有成本低、安全性好、柔性高、精度高等優(yōu)點，被逐步引入到傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域，在提升制造效率的同時，大量節(jié)約人工成本。本文基于丹麥優(yōu)傲人機協(xié)作機器人，設(shè)計了一種高效的發(fā)動機總成線螺栓的擰緊方案，并首次用于北京奔馳移動式發(fā)動機總成線，取代傳統(tǒng)人工手持電動工具擰緊的模式，完成移動式發(fā)動機總成線的螺栓擰緊過程，實現(xiàn)了人與機器共享工作區(qū)域的人機協(xié)作生產(chǎn)方式。以較低的改造成本，降低了發(fā)動機總成線總體裝配時間，提高了擰緊準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了生產(chǎn)效率和質(zhì)量的全面提升。

關(guān)鍵詞：移動式發(fā)動機總成線 協(xié)作機器人 自動擰緊 效率提升

Research on Application of Collaborative Robot in Bolt Tightening Assembly of Engine Assembly Line

Song Zhuoxi，Li Runze，Xiao Xiao

Abstract：Human-machine collaborative robots have the advantages of low cost， good safety， high flexibility， and high precision. They are gradually introduced into the traditional automobile manufacturing field， which can improve manufacturing efficiency and save labor costs. Based on the Danish Universal Robots man-machine collaborative robot， this paper designs an efficient bolt tightening scheme for the engine assembly line， and it is used for the Beijing Benz mobile engine assembly line for the first time， replacing the traditional manual hand-held power tool tightening mode to complete the movement. The bolt tightening process of the modular engine assembly line realizes the human-machine collaborative production method in which humans and machines share the working area. With a lower transformation cost， the overall assembly time of the engine assembly line has been reduced， and the tightening accuracy has been improved， and the overall improvement in production efficiency and quality has been achieved.

Key words：mobile engine assembly line， collaborative robot， automatic tightening， efficiency improvement

1 引言

流水作業(yè)模式是汽車行業(yè)主機廠總裝車間的主流作業(yè)方式，這種作業(yè)方式的輸送形式是不斷移動的，無走停工位，導(dǎo)致90%左右的工藝操作為人工操作，自動化率相對于沖壓、裝焊、噴漆車間相對較低。比如總裝車間的螺栓擰緊作業(yè)，基本都是人工手持?jǐn)Q緊工具進行擰緊的模式。

受到工人熟練程度和疲勞程度的影響，人工操作的效率和準(zhǔn)確率波動很大，且常發(fā)生裝配錯誤，而協(xié)作機器人因其安全性能好、運動可靠性高、可實現(xiàn)人機協(xié)作柔性生產(chǎn)等優(yōu)點[1]，近些年開始進入總裝領(lǐng)域，進行涂膠、螺栓擰緊、在線檢測等作業(yè)[2]，提升了制造效率和質(zhì)量，節(jié)約了企業(yè)的人力成本，提升了企業(yè)的競爭力[3]。

汽車行業(yè)主機廠總裝車間工位有限，如果采用傳統(tǒng)的大型工業(yè)機器人或其他自動化設(shè)備時，經(jīng)常會占用整個甚至更多的工位，并且需要將整個區(qū)域用安全圍欄圍起來，生產(chǎn)柔性會有所下降，每當(dāng)產(chǎn)品換型，需要大量的改造費用。關(guān)于螺栓擰緊，文獻[4]中詳細描述了傳統(tǒng)大型的多軸擰緊設(shè)備與人機協(xié)作機器人進行螺栓擰緊的優(yōu)缺點，并實現(xiàn)了發(fā)動機裝配線不同機型前端蓋2顆螺栓的自動擰緊。本文將人機協(xié)作機器人引入移動式總裝車間發(fā)動機總成線進行螺栓自動擰緊，設(shè)計了一種高效的發(fā)動機總成線10顆螺栓的擰緊方案，實現(xiàn)了人與機器共享工作區(qū)域的人機協(xié)作生產(chǎn)方式，以較低的改造成本，降低了發(fā)動機總成線總體裝配時間，提高了擰緊準(zhǔn)確性。

2 發(fā)動機總成線傳統(tǒng)的螺栓擰緊裝配方法

由于擰緊位置和過程的復(fù)雜性，發(fā)動機總成線是一條傳統(tǒng)的人工裝配線，所有的擰緊操作都由人工完成，需要操作者手持電動擰緊工具對發(fā)電機到發(fā)動機、空調(diào)壓縮機到發(fā)動機及變速箱到發(fā)動機的螺栓進行擰緊。

發(fā)電機到發(fā)動機擰緊點擰緊步驟：

第一步：順序預(yù)擰緊第①、②顆螺栓到8Nm;第二步：順序擰緊第①、②顆螺栓到20Nm。

空調(diào)壓縮機到發(fā)動機擰緊點擰緊步驟：順序擰緊第③到⑤顆螺栓到20Nm;

變速箱到發(fā)動機擰緊點擰緊步驟：順序擰緊第⑥到⑩顆螺栓到38.5Nm;

這種傳統(tǒng)的擰緊方式共需要56秒/車，包含取放擰緊工具、工具掃碼選擇擰緊程序、螺栓擰緊等三個過程。關(guān)于擰緊策略，在文獻[5]中有詳細闡述，本文不再贅述。

3 基于優(yōu)傲10人機協(xié)作機器人的自動擰緊方案設(shè)計

3.1 硬件構(gòu)成

在發(fā)動機總成線采用吊掛設(shè)備總成，通過機械定位搭載協(xié)作機器人，協(xié)作機器人夾持電動擰緊工具進行自動擰緊的方式，實現(xiàn)發(fā)動機、空調(diào)壓縮機及變速箱共10顆螺栓的擰緊。機器人采用側(cè)掛的方式，機器人布置方案應(yīng)保證所有擰緊點的可達性。

3.2 機器人選型

由于目標(biāo)擰緊點動態(tài)扭矩最大扭矩為38.5Nm，選擇采用丹麥優(yōu)傲人機協(xié)作機器人，機器人型號應(yīng)采用優(yōu)傲10，具體技術(shù)參數(shù)為：負載10Kg，工作半徑1300mm，重復(fù)精度±0.03mm，重量28.9Kg，功率250Kw。

3.3 定位結(jié)構(gòu)

3.3.1 設(shè)備與發(fā)動機隨行

必須確保在自動擰緊過程中擰緊工具與發(fā)動機保持物理上精確隨動，為此，設(shè)計兩級隨行結(jié)構(gòu)，如下：

第一級：設(shè)備與發(fā)動機抱具初步隨行。為了保證與發(fā)動機行走過程中的精確定位，設(shè)計了設(shè)備與發(fā)動機抱具夾緊結(jié)構(gòu)，確保設(shè)備與發(fā)動機抱具進行初步隨行，保證了后續(xù)夾緊的便利性。

第二級：機器人與已初步合裝到發(fā)動機上的變速箱箱體進行機械定位和夾緊，將設(shè)備與發(fā)動機合為一體，確保在生產(chǎn)線移動過程中機器人和發(fā)動機位置相對精確定位。

當(dāng)夾具上面的定位銷對準(zhǔn)變速箱上面的銷孔（定位點），按下按鈕后，變速箱夾緊氣缸夾緊，變速箱側(cè)面和后端夾緊點被夾緊，機器人可開始工作。

3.3.2 電動工具定位

在機器人第六軸末端采用機器人夾持電動擰緊工具的方式，安裝電動擰緊工具的夾具，該夾具將機器人及擰緊工具固連在一起，無相對晃動量，確保工具設(shè)備整體相對固定，實現(xiàn)了螺栓的自動擰緊過程中擰緊工具和發(fā)動機位置相對靜止，確保擰緊過程的一致性和穩(wěn)定性。

3.4 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)備應(yīng)采用符合戴姆勒Integra 5標(biāo)準(zhǔn)的PLC對2套并行的系統(tǒng)進行控制，1是機器人及設(shè)備控制系統(tǒng)，2是擰緊控制系統(tǒng)。機器人及設(shè)備控制系統(tǒng)影響設(shè)備開動率，擰緊控制系統(tǒng)影響擰緊合格率，所以在系統(tǒng)設(shè)計階段，既要對完成工藝要求的功能進行信息交互定義，又需要對兩個系統(tǒng)的交互性和結(jié)果顯示進行定義，以免相互干擾，造成無效的生產(chǎn)線停線或擰緊失敗。

設(shè)備柱燈：在設(shè)備上顯示機器人運行及設(shè)備狀態(tài)的柱燈。功能：對機器人和設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，設(shè)備正常亮綠燈，如果機器人及定位設(shè)備故障紅燈閃爍并聲音報警，如機器人保護性停止、氣缸未打開到位等都屬于設(shè)備故障，通過此柱燈顯示結(jié)果。

通過這兩個柱燈顯示，可實時監(jiān)控此系統(tǒng)實際運行的狀態(tài)，并即使采取相應(yīng)措施。

3.5 人機協(xié)作機器人自動擰緊實現(xiàn)過程設(shè)計

基于所設(shè)計的設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)和電氣拓撲結(jié)構(gòu)，圖2-4中10顆螺栓人機協(xié)作機器人自動擰緊實現(xiàn)步驟如下：

第一步：操作者將擰緊設(shè)備整體推至起點等待;第二步：人工按下按鈕設(shè)備整體Y向伸出至設(shè)定位置;第三步：人工調(diào)整設(shè)備與發(fā)動機變速箱的相對位置，將設(shè)備推向變速箱并手動輔助后端銷夾緊機構(gòu)與變速箱尾銷結(jié)合;第四步：當(dāng)后段定位機構(gòu)夾緊后，開關(guān)檢測到位，其他夾緊機構(gòu)自動夾緊到位;第五步：人工按下“夾緊完成”按鈕，掃碼設(shè)備自動掃碼選擇擰緊程序，夾持?jǐn)Q緊工具的機器人手臂根據(jù)機器人控制系統(tǒng)提前設(shè)置的軌跡順序到達擰緊點位置，之后自動選擇擰緊程序進行自動擰緊。第六步：機器人擰緊結(jié)束后自動回到起始位置，觸發(fā)自動動作打開夾緊裝置，確保設(shè)備與發(fā)動機及輸送線完全脫離;第七步：操作者人工按下返回確認按鈕，設(shè)備自動回到安裝起點位置，自動擰緊完成。

4 效果與效益

通過實際的測試，該設(shè)備可以按照工藝圖紙要求實現(xiàn)10顆螺栓自動擰緊，操作也十分簡單方便，能夠完美地替代人工手持電工工具擰緊，除去人工手動按按鈕定位設(shè)備位置和手動按按鈕退出的時間，節(jié)約工時共計46秒。

該設(shè)備自2020年4月投產(chǎn)以來，通過在線優(yōu)化，自2020年6月起，設(shè)備開動率穩(wěn)定到99.5%以上;擰緊合格率穩(wěn)定在99.4%以上。數(shù)據(jù)表明，此設(shè)備穩(wěn)定性好，且可以確保擰緊質(zhì)量。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)的人工手持工具擰緊方案對比，本文中描述的人機協(xié)作機器人在移動式發(fā)動機總成線上的自動擰緊方案，實現(xiàn)了人機共享一個工作區(qū)域協(xié)同工作，具有低成本高柔性的優(yōu)勢，達到了節(jié)約工作區(qū)域和操作時間的雙重目的，提升了操作一致性，確保了產(chǎn)品質(zhì)量。

本文設(shè)計的方案具有如下先進性：

（1）在不斷移動的輸送線中，保證了機器人與工作對象（如車身/移栽對象）的相對位置。

（2）實現(xiàn)了協(xié)作機器人與工具端的協(xié)同工作，在保證操作者安全的前提下能夠與協(xié)作機器人共享工作空間，避免協(xié)作機器人占用過多空間或工位，快速處理協(xié)作機器人的保護性停止（即機器人碰撞檢測后的自動停止）的故障，避免對產(chǎn)量及線速造成影響。

此方案的實施以較低的改造成本，在現(xiàn)有移動式發(fā)動機總成線上，實現(xiàn)了一種高效的發(fā)動機總成線螺栓的擰緊方案，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻：

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