余濤,殷旅江,周晶晶,祝定勍,任小冬,汪鐵云
1.湖北汽車工業(yè)學院 湖北十堰 442000
2.十堰國藥東風口腔醫(yī)院 湖北十堰 442002
3.東風汽車動力零部件有限公司 湖北十堰 442000
風扇驅(qū)動主要用于發(fā)動機、冷卻系統(tǒng)及切削液的散熱。汽車發(fā)動機在高溫工作環(huán)境下必須得到適度的冷卻,保證其在適宜的溫度下工作,才能發(fā)揮發(fā)動機良好的工作性能,滿足耐久性和廢氣排放的要求。風扇驅(qū)動在此起著關(guān)鍵性作用,可以保證發(fā)動機不會因高溫而產(chǎn)生故障。這也對風扇驅(qū)動本體(見圖1)的加工、裝配及使用性能提出了很高的要求,運用機器人技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)線產(chǎn)能的提升、質(zhì)量的保證及人員的解放勢在必行[1-3]。
圖1 風扇驅(qū)動本體
風扇驅(qū)動本體零件主要加工要求見表1,原工藝平面布置方式如圖2所示(圖中圓圈標記為操作者位置),原加工工藝流程見表2。
表1 風扇驅(qū)動本體零件主要加工要求 (單位:mm)
圖2 原工藝平面布置方式
表2 原加工工藝流程
原工藝過程存在的主要問題如下。
1)自動化程度很低。加工中主要依靠人工進行送料、裝夾、取料和檢驗等,人工轉(zhuǎn)運勞動強度大,零件表面易產(chǎn)生磕碰傷。
2)質(zhì)量保障能力較低。生產(chǎn)中人為因素較多,質(zhì)量保障狀態(tài)不可控,檢測方式及測量儀器可操作性差。
3)生產(chǎn)效率較低。周邊銑削毛刺需手工去除,生產(chǎn)過程全部靠人工來完成。設(shè)備平行布局比較適合多品種柔性化生產(chǎn),但在“一人三機”的作業(yè)模式下,工序之間距離最長達4.95m,操作人員行走路線較長,勞動強度大,生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品質(zhì)量難以保障。操作人員受生理因素的限制,不能持續(xù)高負荷地響應(yīng)設(shè)備節(jié)拍,勢必影響生產(chǎn)線的效率。
以汽車零部件發(fā)動機風扇驅(qū)動本體加工工序的智能制造單元為背景,集成工業(yè)機器人、數(shù)控加工和末端執(zhí)行機構(gòu)等模塊,融入MES系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與可視化,通過工作島設(shè)備與信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通,實現(xiàn)離散型工作島智能化。
風扇驅(qū)動本體加工島合二為一,拋棄車削工藝,4臺加工中心組合成島平行布局,并輔以第七軸,由1臺關(guān)節(jié)臂機器人值守(見圖3)。結(jié)合設(shè)備外形尺寸確定機器人的工作范圍,結(jié)合機加夾具裝夾數(shù)量確定夾指結(jié)構(gòu),結(jié)合零件質(zhì)量確定機器人的額定負載。
圖3 關(guān)節(jié)臂機器人
(1)自動上下料 采用自動上下料機器人設(shè)備組成自動上下料系統(tǒng),整體布局如圖4所示,主要由六軸關(guān)節(jié)臂機器人、上料輸送鏈、下料輸送鏈、缺料檢測機構(gòu)、零件定位機構(gòu)、零件矯姿機構(gòu)、零件翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、零件轉(zhuǎn)存機構(gòu)和切屑清理機構(gòu)等組成。
圖4 自動上下料系統(tǒng)整體布局
自動上下料工藝流程為:首先通過物流小車將物料放置在輸送鏈上,然后運用六軸機器人進行物料抓取,通過機械抓手進行定位并將物料放置到夾具上,加工中心進行加工,完成后機器人取料并放置到下一工序夾具中。自動上下料工作站如圖5所示,可完成加工設(shè)備連線、零件碼放、區(qū)域作業(yè)陣地的上料和下料等工作,減少重復且無創(chuàng)造性的勞動,降低作業(yè)人員勞動強度。
圖5 自動上下料工作站
(2)定位可靠 機器人末端執(zhí)行機構(gòu)主要由機器人抓手、萬向浮動順從裝置、機器人碰撞傳感器、零件檢測裝置和機器人毛刺清理工具等組成。萬向浮動順從裝置(見圖6)是零件在夾具上可靠定位的關(guān)鍵,機器人上料雖然是按坐標定位,但考慮到零件個體的差異及抓料的誤差,坐標設(shè)定時必須要“過定位”,因此需要借助該裝置1~2mm的調(diào)節(jié)量來抵消這種誤差,確保零件“定準位”[4,5]。
圖6 萬向浮動順從裝置
(3)采用集成工序 重新組合工序,實現(xiàn)“以鏜代車”(見圖7)。風扇驅(qū)動本體加工島摒棄車削工序,3道工序重新組合為2道工序。既能節(jié)省設(shè)備資源,同時又減少了零件裝夾次數(shù),工藝穩(wěn)定性更高,而且工序集成化恰好又降低了智能改造的難度。
圖7 “以鏜代車”工藝優(yōu)化
該集成工序集成了加工中心、機器人和自動輸送鏈系統(tǒng),在確保產(chǎn)品高精度要求的同時,以自動化解決了生產(chǎn)效率提升的掣肘。
(4)精益生產(chǎn) 通過作業(yè)觀察,發(fā)現(xiàn)機器人串行作業(yè)模式一旦被人工干預,3臺設(shè)備中可能會存在多達2臺設(shè)備待料的情況,直到下一個作業(yè)循環(huán)開始。改為并行作業(yè)模式后(見圖8),3臺設(shè)備中無論哪臺先加工完成,或是哪臺需要上下料,都不受任何工況影響,使生產(chǎn)效率最大化。
圖8 串行模式優(yōu)化為并行模式
(5)自動去毛刺與清潔模塊 自動去毛刺裝置如圖9所示,通過優(yōu)化刀具角度來控制毛刺形狀,并通過調(diào)整切削軌跡來控制毛刺大小,使用高速專用倒角刀進行自動去毛刺操作。
圖9 自動去毛刺裝置
高壓定點沖(吹)屑能確保零件清潔及定位可靠(見圖10),使操作人員勞動強度進一步降低,節(jié)省加工時間。
圖10 高壓定點沖屑
(6)定點檢測模塊 定點抽檢臺如圖11所示,抽檢模式的設(shè)計更有利于質(zhì)量管控,而且抽檢靈活性更高,無需中斷加工島生產(chǎn),機器人可自動將抽檢零件送至指定位置。
圖11 定點抽檢臺
(7)生產(chǎn)信息數(shù)字化 按照生產(chǎn)管理的需要,建立相應(yīng)的生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng),如圖12所示。
圖12 生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)
實時監(jiān)控系統(tǒng)顯示設(shè)備和工序的生產(chǎn)過程實時信息,進行報警信息監(jiān)控及刀具壽命管理,生產(chǎn)管理人員可以及時查看生產(chǎn)運行的現(xiàn)行狀態(tài)和生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)。通過ERP系統(tǒng)接收客戶計劃訂單,利用MES系統(tǒng)進行生產(chǎn)調(diào)度及組織生產(chǎn),同時對產(chǎn)品生產(chǎn)全過程進行管理、質(zhì)量控制和追溯,接入PDM系統(tǒng)實現(xiàn)對發(fā)動機風扇驅(qū)動本體生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全生命周期管理,滿足商用車零件生產(chǎn)流程的智能化。另外,通過管理系統(tǒng)和車間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,實現(xiàn)車間管理智能化:通過WMS系統(tǒng)進行物料的供給管理,保證產(chǎn)品、物料質(zhì)量的可追溯性;通過構(gòu)建車間網(wǎng)絡(luò)和信息安全體系以及SCADA系統(tǒng)對車間設(shè)備的運行進行有效監(jiān)控,保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)(見圖13)。
圖13 設(shè)備運行監(jiān)控
普通加工和智能制造效果對比見表3。
表3 普通加工和智能制造效果對比
通過實踐驗證,運用智能制造方案,風扇驅(qū)動本體“機器換人”項目完成后取得了顯著的效果。
1)新工藝流程中的單班操作人員由原來的14人減少為8人,合計減少6名操作者,降低人工成本 48萬元/年(按兩班制統(tǒng)計)。
2)加工設(shè)備由原來的9臺減少至現(xiàn)在的6臺,大大降低了設(shè)備投入成本。
3)產(chǎn)品質(zhì)量保障能力得到全面提升,產(chǎn)品一次合格率由95.4%提高到99.2%。
4)通過機械連續(xù)作業(yè)與智能化加工方法的結(jié)合,生產(chǎn)線產(chǎn)能相比人工上下料JPMH(人均小時勞動生產(chǎn)率)提升11%,大幅度降低了生產(chǎn)的綜合管理成本,每年多創(chuàng)造產(chǎn)值近300萬元。
風扇驅(qū)動本體的智能制造方案,不僅是實現(xiàn)零件加工自動化、提高生產(chǎn)效率和滿足產(chǎn)品制造精度要求的較好方法,而且為企業(yè)提升經(jīng)營效益提供了重要保障。后續(xù)計劃將智能制造自動化機械加工設(shè)備、自動去毛刺的工藝方法進行橫向推廣,應(yīng)用到其他系列風扇驅(qū)動本體及系列主軸承蓋產(chǎn)品的加工中,進一步提高生產(chǎn)效益,降低操作人員勞動強度。