半自動助力臂在汽車總裝線中的應用

李書劍，吳 丹

半自動助力臂在汽車總裝線中的應用

李書劍，吳 丹

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

汽車裝配線作為汽車制造過程的關鍵工序，操作員工多，勞動強度大，因此作為減輕員工作業(yè)強度的工藝裝備——助力臂得到廣泛應用。隨著智能制造的推廣，汽車制造也逐步向自動化、半自動化的方向轉化。文章通過分析總裝車間助力臂的特點，以天窗為例，解決來料定位、取料、進入車身等過程遇到的難點，順利開發(fā)了天窗半自動助力臂，從而降低勞動強度，減少人員投入，降低制造成本。最后提出半自動助力臂推廣應用的展望，為降低勞動強度，智能制造跨出重要的一步做準備。

助力臂；半自動；總裝線

引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，汽車走入了千家萬戶，成為人們出行的一種主要交通工具，如何縮短汽車生產周期，在最短的時間內制造出物美價廉的產品是汽車企業(yè)生存與發(fā)展的關鍵[1]。汽車制造中最后一環(huán)的汽車裝配線，也是關鍵工序之一，對汽車性能、質量有著直接的影響[2]。在傳統(tǒng)汽車制造中，裝配線零件多而零散，部分零件質量較重，員工勞動強度大，作為減輕員工作業(yè)強度的工藝裝備，助力臂被諸多汽車廠廣泛應用于汽車裝配線，諸如儀表板、擋風玻璃、座椅、車門、蓄電池、輪胎、天窗、油箱等[3]。

本文主要通過分析汽車助力臂的應用背景，探討半自動助力臂應用條件以及需要解決的難點，開發(fā)出天窗、座艙模塊等半自動助力臂，并推廣到后橋、備胎等助力臂，以及提出其他模塊或者大零件助力臂向半自動化的可能性。

1 裝配車間特點及助力臂的發(fā)展

1.1 裝配車間特點

隨著汽車的發(fā)展，汽車向模塊化發(fā)展，通過集成模塊間的劃分，可實現(xiàn)模塊間的自由組合，滿足不同用戶個性化、定制化需求與專項功能需求，提升企業(yè)的設計實施效率與設計質量，使平衡式生產作業(yè)模式變得更易實現(xiàn)[4]。但模塊化也帶來了挑戰(zhàn)，例如大多數模塊一般質量較重。

在汽車總裝線上主要的模塊有座艙模塊（coc- kpit）、頂襯模塊（headliner）、前懸架模塊（front vertical suspension）、副車架模塊（front horizontal module）、后橋模塊（rear axle）、輪胎及備胎模塊（wheel tire & spare tire）、前端模塊或者散熱器模塊（CRFM）等，如圖1。

①—cockpit；②—headliner；③—front vertical suspension；④—front horizontal module；⑤—rear axle；⑥—wheel tire；⑦—CRFM。

1.2 助力臂的發(fā)展

助力臂巧妙地應用力的平衡原理，使操作者對重物進行相應的推拉，就可在空間內平衡移動定位。重物在提升或下降時形成浮動狀態(tài)，無需熟練的點動操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正確地放到空間中的任何位置，因此在汽車總裝線上得到廣泛的應用[5]。在汽車裝配線上，主要應用在車門的拆裝、天窗助力臂、座艙模塊助力臂、座椅助力臂、副車架助力臂、后橋助力臂等。

一套完整的助力臂主要由三部分組成：助力臂主體、抓取夾具（機械手）及安裝結構。如圖2的車門助力臂，①為助力臂主體，控制助力臂的夾取以及移動，設計時需考慮空載或者夾取工件的重力平衡；②為直接夾取車門的機械手部分，設計時需考慮同工廠不同平臺的零件差異；③是根據現(xiàn)場情況進行對接的部分，例如可以與鋼結構進行連接。

①—助力臂主體；②—機械手；③—安裝結構。

工業(yè)4.0及智能制造2025的倡導，汽車制造已逐步向“電動化、網聯(lián)化、智能化、共享化”的新四化發(fā)展，因此對助力臂提出了新的要求，需逐步向半自動、全自動助力臂轉化。

①—快進工位；②—靜止工位，安裝；③—快出工位。

由于全自動的助力臂一般需要有一個完全靜止的工位（如圖3中的工位②）以方便車身和零件進行精準拼合，在前后各一個工位有追趕的操作，如圖3中的①、③工位，對生產線改造較大、費用較高，所以本文主要推廣的為半自動助力臂，即助力臂自動取料進入車身后，手工拼合安裝，拼合后自動返回進行下一個操作循環(huán)，既可降低勞動強度，又可降低投資成本。

2 天窗半自動助力臂在總裝線的應用

汽車天窗主體材料是玻璃，能夠改善車內空氣流通，增加新鮮空氣，開闊視野，帶來健康舒適感受。在市場調研中，已有近半數的消費者認為天窗對購車重要，天窗的新車裝車率呈現(xiàn)快速上升趨勢。由于天窗體積大、質量重，所以一般由助力臂輔助操作。

圖4 天窗助力臂操作圖

隨著車型尺寸逐步加大，在取天窗到主線時增加了難度，需要通過增加輔助人員和操作工時來滿足天窗取料及安裝，從而造成非增值操作，提高了整車制造成本，因此開發(fā)一種半自動天窗助力臂對制造過程有著重要的意義。

在制造助力臂過程中存在一些制造難點：（1）天窗來料位置的精確性；（2）天窗助力臂與料架的順利對接；（3）天窗順利進入車身并加以拼合。在該案例中，主要開發(fā)的是半自動助力臂，因此天窗進入車身后的拼合過程中采用的是人工操作，其他操作均由助力臂通過程序控制自動完成。

2.1 物料的精確定位

想實現(xiàn)物料的精確夾取，首先需要解決的是物料位置的一致性和唯一性。

當天窗料架通過AGC驅動天窗料架移動到圖示中左右防撞桿之間，AGC通過預埋的感應磁條進行初導向，進入圖5防撞桿①區(qū)域后，再次導向，最后通過防撞桿②精確導向天窗料架的位置，防止天窗料架的左右方向躥動，從而保證了天窗的向定位。

圖5 天窗料架Y向定位

圖6 天窗料架X向定位

當料架進入助力臂可抓取的區(qū)域后，由移栽機上的機構③和④對料架夾緊，以保證料架前后躥動，從而保證了天窗的向定位，如圖6。

2.2 助力臂的精確夾取

天窗料架保證了天窗的精確定位，天窗移載機可以不斷抓取料架上的天窗，從而保證了天窗在向位置的一致性，因此助力臂只需要這個特定的位置就可以實現(xiàn)與移載機的對接操作。

圖7 天窗移載機和助力臂

本案例天窗移載機上裝有檢測傳感器，如圖7中的Ⅰ和Ⅱ，考慮到不同車型的大小天窗，本案例引入兩個傳感器進行感應識別，如果Ⅱ無相應，反饋助力臂為小天窗。同時傳感器Ⅰ和Ⅱ可以檢測到天窗料架上天窗的位置，啟動取料架，吸起天窗，等待天窗助力臂夾取；當檢測到天窗料架上無天窗時，釋放圖6中的夾緊機構，反饋AGC進行天窗補料。

2.3 助力臂夾取天窗進入車身

解決物料的精確夾取問題后，下一步就是解決輔助臂順利進入車身的問題，可以通過光柵識別車輛進入工位后，助力臂進行向移動，將天窗移動設定的位置后，通過操作人員對助力臂進行微調，以便天窗上的安裝孔對準車身安裝孔，最后安裝天窗。

完成一個循環(huán)后，操作者打開助力臂上的自動取料按鈕，助力臂將自動返回天窗料架位置，接取下一個天窗，進行循環(huán)操作。

2.4 效益分析

通過以上對半自動助力臂特點的分析，并通過合理使用機械結構、傳感器等，從而解決助力臂中的物料定位、助力臂順利對接、物料自動補充等的設計難點，最后開發(fā)出半自動助力臂，如圖8。

①—助力臂；②—移載機；③—料架。

使用該設備后，減少了取料、取料過程中定位天窗、天窗助力臂返回等非增值操作，具體節(jié)省時間見表1，并且該設備已經對天窗進行自動定位，提高裝配的一致性和穩(wěn)定性。

表1 半自動助力臂節(jié)省時間

操作時間/s 移動天窗助力臂到料架8 定位天窗，取料5 天窗助力臂移除工位3 合計16

3 半自動助力臂在汽車總裝線的推廣

根據上文分析，可以從模塊的精確定位、自動取料等方式考慮模塊半自動助力臂的可行性，從而開發(fā)出座艙模塊半自動助力臂（圖9）、后橋半自動助力臂（圖10）、備胎自動放置助力臂等，并已應用到汽車裝配線上，提高了總裝車間自動化使用效率，降低員工勞動強度。

圖9 座艙模塊半自動助力臂

圖10 后橋半自動助力臂

根據之前模塊化的分析，以及汽車產品結構特點，目前車門、前懸、副車架、風擋玻璃、散熱器、排氣管等零件質量較重，也需要助力臂輔助安裝。由于風擋玻璃為吸盤式，安裝時有定位銷，也逐漸實現(xiàn)了半自動化或自動化的助力臂；其他零件，如排氣管、散熱器等，不同車型的造型不同，零件差異性較大，對多車型的工廠實現(xiàn)自動化還存在一定難度。

4 結論

本文主要分析了助力臂在汽車裝配線上的重要作用，根據智能制造的發(fā)展觀點，分析半自動化助力臂開發(fā)的必要性以及開發(fā)難點，從物料的精確定位、助力臂與物料的順利對接等方面進行了分析，從而開發(fā)了天窗半自動助力臂，并結合現(xiàn)場的特點、半自動助力臂應用情況，進而推廣到座艙、后橋、備胎等模塊。

通過半自動助力臂的使用，可以節(jié)省非增值操作時間，從而可以轉化為提高操作效率，減少勞動人數投入，進而降低整車制造成本，并且可以提高總裝車間的自動化比率，為智能制造做準備。

隨著智能制造的發(fā)展，無論主機廠還是助力臂制造商都加大了投資力度，相信在不久的將來，半自動、自動助力臂將在汽車裝配廠得到廣泛的應用。

[1] 李偉偉,劉小兵,王德明,等.淺談模塊化設計在汽車生產中的應用[J].汽車零部件,2013(03):98-100.

[2] 張少輝.助力機械在汽車裝配調整線上的應用及設計[J].裝備制造技術,2008(08):168-169+173.

[3] 張金枝,肖立軍.助力機械手在汽車制造業(yè)中的應用[A].中國機械工程學會工業(yè)自動化分會.企業(yè)應用集成系統(tǒng)與技術學術研究會論文集[C].中國機械工程學會工業(yè)自動化分會:中國機械工程學會機械工業(yè)自動化分會,2006:3.

[4] 王運峰.模塊化設計在專用汽車制造中的優(yōu)勢及其應用示例[J].商用汽車,2019(06):46-49.

[5] 卜東飛,肖洋,潘雷.助力機械手在汽車總裝車間的應用[J].汽車制造業(yè),2017(016):56-57.

Application of Semi-automatic Assist Arm in Automobile Assembly Line

LI Shujian, WU Dan

( SAIC General Motors Co., Ltd., Shanghai 201206 )

As the key process of automobile manufacturing, automobile assembly line has many opera- tors and great labor intensity. As the technological equipment to reduce the working intensity of emplo- yees, assist arm has been widely used. With the popularization of intelligent manufacturing, automobile manufacturing has gradually turned to automation and semi-automation. By analyzing the characteristics of the assist arm in the assembly plant, and taking the sunroof as an example, this paper solves the difficulties encountered in the process of positioning, taking materials and entering the car body, and successfully develops the semi-automatic sunroof assist arm, then to reduce labor intensity, personnel input and manufacturing cost. Furthermore, the prospect of popularization and application of semi- automatic assist arm is put forward to prepare for the important step of reducing labor intensity and intelligent manufacturing.

Assist arm; Semi-automatical; General assembly line

TK416+.4

A

1671-7988(2022)02-123-05

TK416+.4

A

1671-7988(2022)02-123-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.028

李書劍，男，中級工程師，現(xiàn)任上汽通用汽車有限公司VME總裝工藝工程師，熟悉汽車開發(fā)流程，通過虛擬評估確保產品的可裝配性，并不斷優(yōu)化設備投資和工藝設計，推動產品的開發(fā)工作順利進行。