機(jī)器人在汽車二排座椅骨架自動裝箱方向的應(yīng)用探索

陳磊，謝知育

1.延鋒國際座椅系統(tǒng)有限公司寧波杭州灣新區(qū)分公司，浙江寧波 315000；2.鄞州實驗中學(xué)，浙江寧波 315000

0 引言

近年來,我國乘用車SUV車型市場占有率不斷提升，2020年中國SUV產(chǎn)量占汽車產(chǎn)量的37.26%，較2019年上升了約0.65個百分點。截至2021年6月，我國SUV產(chǎn)量完成463.5萬輛，同比增長28.1%，其中六/七人座 SUV車型占比大幅上升。某新車型的二排骨架產(chǎn)品體積與尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單件質(zhì)量達(dá)25 kg，不利于手動生產(chǎn)和搬運作業(yè)，傳統(tǒng)單站生產(chǎn)模式由于作業(yè)模式差和生產(chǎn)過程搬運效率低等原因，正在逐步被淘汰。取而代之的是效率較高的流水線作業(yè)模式，但即使是流水線作業(yè)在大型復(fù)雜骨架裝配制造過程中依然存在產(chǎn)品吊運和裝箱困難問題。如何實現(xiàn)重型骨架高裝載率下的自動化裝箱是困擾當(dāng)前骨架行業(yè)的一大難題，也成為提升生產(chǎn)線“最后一站”效率必須要攻克的一個課題。

本文以某公司乘用車二排重型座椅骨架裝配線實際裝配制造為例，基于FANUC機(jī)器人完成自動裝箱系統(tǒng)設(shè)計，通過在使用過程中不斷優(yōu)化，實現(xiàn)二排重型骨架多項目多產(chǎn)品兼容配套自動裝箱作業(yè)，從而解決二排骨架人工吊裝困難和人機(jī)工程不良問題。

1 自動裝箱作業(yè)流程

自動裝箱作業(yè)流程如圖1所示。其作業(yè)流程為：骨架產(chǎn)品檢驗完成后流轉(zhuǎn)至抓取工位;設(shè)備讀取托盤芯片信息判定當(dāng)前骨架產(chǎn)品信息，調(diào)取對應(yīng)骨架產(chǎn)品程序判斷抓手型號，調(diào)整抓手狀態(tài)，機(jī)器人攜帶抓手運行至抓取工位;抓手判斷產(chǎn)品狀態(tài)是否符合抓取狀態(tài)，符合抓取條件后氣缸夾緊，機(jī)器人攜帶產(chǎn)品運行至裝箱區(qū)域;將產(chǎn)品放至料箱的指定位置氣缸松開，夾具退出產(chǎn)品，機(jī)器人回原點等待下一件骨架產(chǎn)品。

圖1 自動裝箱作業(yè)流程

2 自動裝箱系統(tǒng)組成

自動裝箱系統(tǒng)主要由機(jī)器人、夾具、換槍盤、通信單元等組成。

(1)機(jī)器人。它是自動裝箱系統(tǒng)的重要組成部分，是搬運零件的主要載體，也是整個系統(tǒng)運行的核心。

(2)夾具(抓手)。它是自動裝箱系統(tǒng)的執(zhí)行關(guān)鍵部件，起到產(chǎn)品固定、夾緊作用。

(3)換槍盤。它是夾具的快換工具，具有重復(fù)定位精度高、響應(yīng)速度快、運行平穩(wěn)、可靠性高等特點，且換槍盤機(jī)構(gòu)可提升生產(chǎn)線的柔性化，兼容更多產(chǎn)品在同一生產(chǎn)線生產(chǎn)制造。

自動裝箱系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 自動裝箱系統(tǒng)

3 夾具設(shè)計與運行

3.1 產(chǎn)品抓取狀態(tài)分析

產(chǎn)品裝夾狀態(tài)示意如圖3所示。由流水線抓取到裝箱狀態(tài)可見，產(chǎn)品抓取狀態(tài)在整個過程中發(fā)生了90°的旋轉(zhuǎn)，其重心在產(chǎn)品抓取到裝箱狀態(tài)過程中同樣發(fā)生，這就帶來了產(chǎn)品與夾具的受力點90°的變化。此次需要完成自動裝箱的座椅骨架產(chǎn)品因非均勻等質(zhì)量物體，底部滑軌區(qū)域質(zhì)量集中，上部框架質(zhì)量分散，故產(chǎn)品重心偏低中部。裝箱過程中產(chǎn)品夾緊狀態(tài)及受力點的變化，需要在設(shè)計夾具時充分考慮，保證夾具的設(shè)計能滿足產(chǎn)品抓取及裝箱的要求，在整個過程中保證作業(yè)穩(wěn)定。

圖3 產(chǎn)品裝夾狀態(tài)示意

3.2 夾具設(shè)計

夾具作為整個系統(tǒng)的夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工裝夾具技術(shù)在其中發(fā)揮的作用尤為重要，其能夠最大限度保證工作過程的精確性和高效性。基于座椅骨架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和裝箱要求進(jìn)行該骨架產(chǎn)品的夾具設(shè)計開發(fā)，滿足骨架產(chǎn)品的高裝載率裝箱要求。

基于圖4的六人座骨架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，正常設(shè)計的夾具(抓手)夾緊機(jī)構(gòu)需要夾緊零件上狀態(tài)穩(wěn)定和剛性強(qiáng)的部位，保證零件在整個過程中穩(wěn)定，考慮到該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜和圖5的高裝載率裝箱狀態(tài)，對夾具運行空間有較大限制，故此夾具結(jié)構(gòu)不宜過于復(fù)雜。

圖4 六人座骨架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

圖5 六人座骨架裝箱狀態(tài)

此次設(shè)計，夾具在抓取裝箱過程中保證產(chǎn)品的穩(wěn)定是整個設(shè)計的關(guān)鍵，即設(shè)計如何將零件重力變化和夾具結(jié)構(gòu)相結(jié)合，保證抓手可以滿足在水平夾緊狀態(tài)托起產(chǎn)品過程中，零件與夾具受力點作用于夾具結(jié)構(gòu)底部，零件在產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)至裝箱狀態(tài)時的搬運與裝箱過程，受力點產(chǎn)生變化作用于夾具結(jié)構(gòu)側(cè)邊的要求。該夾具在零件裝箱完成松開夾緊機(jī)構(gòu)后，可以滿足移動短距離的退出，不會給產(chǎn)品帶來重大質(zhì)量風(fēng)險。

結(jié)合上述需求，此次夾具設(shè)計首次引入“U型+銷鎖結(jié)構(gòu)”概念。夾具與產(chǎn)品接觸區(qū)域主要以U型結(jié)構(gòu)體現(xiàn)，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)可以保證產(chǎn)品在抓取過程中的受力穩(wěn)定，同時該結(jié)構(gòu)也可以滿足機(jī)器人搬運和裝箱過程中產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)受力點變化的需求，即受力點由下部至側(cè)邊的轉(zhuǎn)變(圖7)，同時通過銷子鎖死機(jī)構(gòu)保證產(chǎn)品在運行過程中穩(wěn)定無竄動。

圖6 抓手結(jié)構(gòu)

圖7 抓取模擬

4 實際運行效果

4.1 抓取

骨架產(chǎn)品在工位完成型號判斷并解鎖，機(jī)器人調(diào)取對應(yīng)產(chǎn)品抓取程序帶抓手運行至產(chǎn)品解鎖位，抓手伸入預(yù)定位置，機(jī)器人帶抓手運行并與產(chǎn)品接觸，到位后機(jī)器人發(fā)出指令給PLC進(jìn)行信號交互，PLC將信號交互信息進(jìn)行判斷，將對應(yīng)的指令發(fā)送給相關(guān)電氣件，最終指令輸出到夾具夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成產(chǎn)品與夾具的固定。

4.2 運行

骨架產(chǎn)品夾緊后，機(jī)器人根據(jù)程序設(shè)定的運行軌跡至料箱上方，機(jī)器人發(fā)送信息指令給PLC，確認(rèn)該產(chǎn)品在料箱中的準(zhǔn)確位置。機(jī)器人根據(jù)PLC的反饋信號，運行至零件放置點位，并將到位信號反饋給PLC，PLC發(fā)送指令給夾具打開氣缸，完成打開動作后，機(jī)器人運行帶夾具脫離產(chǎn)品，同步PLC記錄料箱該點位狀態(tài)信息。機(jī)器人運行回原點，結(jié)束運行程序。

骨架產(chǎn)品配套滿箱或者根據(jù)后續(xù)產(chǎn)品信息判斷料箱點位不足后，PLC根據(jù)記錄信息將指令發(fā)送給軌道，軌道將滿箱產(chǎn)品送離裝箱作業(yè)區(qū)域。

4.3 運行存在的問題

在生產(chǎn)線的實際運行過程中，采用“U型+銷鎖”的抓手結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人將產(chǎn)品放置在料箱的作業(yè)完成后，因料箱存在尺寸差異，部分料箱會導(dǎo)致產(chǎn)品存在“扶正”的過程，那么抓手退出過程中與產(chǎn)品的“扶正”過程是同時進(jìn)行的，這就導(dǎo)致了抓手的承重機(jī)構(gòu)(U型)與零件管子存在刮擦風(fēng)險。刮擦嚴(yán)重的會讓骨架產(chǎn)品在料箱中傾斜甚至掛件等風(fēng)險，如圖8現(xiàn)場實際運行故障所示。其實夾具設(shè)計原理是符合整個裝箱過程需求的，之所以在運行過程中會出現(xiàn)問題，主要還是料箱尺寸差異過大，夾具無法兼容料箱尺寸差異，導(dǎo)致在夾具退出過程與零件產(chǎn)生了干涉摩擦。料箱原來是為了滿足人工裝箱的，所以對尺寸精度要求并不是非常高，現(xiàn)在由于裝箱方式進(jìn)行了變更，導(dǎo)致上述問題的發(fā)生。但是如果由于裝箱方式的改變需要把所有料箱重新設(shè)計制作，那么新增料箱的投資成本將達(dá)到20萬元左右，還會造成已有的料箱報廢，變相地造成產(chǎn)品制造成本的增加，從而不利于工廠在市場上的競爭。因此需要對夾具進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，提升其兼容料箱尺寸差異的能力，實現(xiàn)低成本、高效益的生產(chǎn)模式。

圖8 現(xiàn)場運行故障

5 夾具優(yōu)化

夾具優(yōu)化的目的是：既滿足骨架產(chǎn)品抓取功能，又要消除干涉區(qū)域。對于工廠首次運用的創(chuàng)新項目，本文采用驗證法進(jìn)行優(yōu)化，首先去除干涉區(qū)域，將U型結(jié)構(gòu)優(yōu)化成V型結(jié)構(gòu)并更換夾具機(jī)構(gòu)上對應(yīng)的部件，進(jìn)行現(xiàn)場實際運行驗證。通過運行驗證產(chǎn)生了新的問題：在骨架產(chǎn)品運行過程中，前面提到的受力點變換問題，改成V型后會導(dǎo)致零件下滑靠近鎖緊銷釘根部，那么在放置完成后有小部分過程氣缸銷釘受力無法順利縮回，兼容性同樣無法滿足料箱差異。

針對夾具銷釘縮回不到位問題，通過分析確定是產(chǎn)品在運行過程中受力點的變化帶來的影響，其在U型結(jié)構(gòu)側(cè)邊的受力在V型結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為部分轉(zhuǎn)移到銷釘上，使得銷釘與孔存在一個壓力以及摩擦力的干涉情況，導(dǎo)致氣缸無法將銷釘縮回到位。因此，需要優(yōu)化當(dāng)前的銷鎖結(jié)構(gòu)。經(jīng)過研究和討論，最后提出以“滑塊固定(圖9黑色區(qū)域)+V型結(jié)構(gòu)”組合替代原有的“U型+銷鎖結(jié)構(gòu)”模式?；瑝K固定結(jié)構(gòu)可以起到產(chǎn)品固定作用，并且氣缸解鎖時，滑塊的受力方向與運動方向一致不存在其他干涉。同時為了進(jìn)一步提升機(jī)構(gòu)的兼容性將V型結(jié)構(gòu)上部去除50%，在保證產(chǎn)品裝箱過程中豎直狀態(tài)穩(wěn)定情況下，進(jìn)一步降低抓手外退過程中產(chǎn)品與抓手機(jī)構(gòu)的接觸可能性，降低產(chǎn)品與零部件干涉概率。通過現(xiàn)場實際運行后，基本消除了上述兩個夾具方案帶來的現(xiàn)場運行問題，此次優(yōu)化的“滑塊固定+V型結(jié)構(gòu)”極大增強(qiáng)了抓手的兼容性和可操作性，優(yōu)化后的夾具抓取狀態(tài)如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后的夾具抓取狀態(tài)

6 結(jié)束語

結(jié)合效率、成本、人機(jī)工程等諸多因素綜合考慮，工業(yè)機(jī)器人在汽車座椅自動化方面的運用范圍將逐步擴(kuò)大，夾具(抓手)作為機(jī)器人和產(chǎn)品間的銜接工具，其相關(guān)結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計尤為重要。未來針對重型骨架和大尺寸產(chǎn)品，要想滿足高裝載率的要求，就會將產(chǎn)品以最小空間體積進(jìn)行包裝，夾具(抓手)在設(shè)計過程中，應(yīng)考慮產(chǎn)品在搬運過程中重心的變化，抓手部件可以承受或者符合受力變化帶來的挑戰(zhàn)，且整個夾具結(jié)構(gòu)不宜過于復(fù)雜。同時設(shè)計抓手還應(yīng)考慮產(chǎn)品尺寸波動與不同包裝料箱間尺寸差異無法平衡所帶來的挑戰(zhàn)。常規(guī)料箱的尺寸精度和機(jī)器人軌跡精度差距往往達(dá)到10倍以上，這也使得設(shè)計夾具(抓手)時需最大程度吸收包裝料箱的尺寸差異，降低精度的差異導(dǎo)致的設(shè)備與料箱雙重投資浪費。