商用汽車駕駛室擋風玻璃分裝輔助設備研發(fā)應用

高曉斌，方園園，楊 榮

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

商用汽車裝配整體分為兩個大單元，一個單元為底盤裝配，另一個單元為駕駛室裝配。駕駛室裝配完成后，通過空中轉運設備將其轉運至底盤線，實現(xiàn)兩大裝配單元的合一。合裝完成進行車輛油液的裝配調試，商用車即可完成整車下線。

在駕駛室裝配單元，擋風玻璃是駕駛室的重要組成部分。商用汽車駕駛室裝配作業(yè)中，擋風玻璃作為駕駛室裝配作業(yè)的大型零部件，其裝配方式有兩種，一種是擋風玻璃嵌入式密封膠條裝配，全過程人工參與作業(yè)多；另一種是擋風玻璃整體涂膠粘接裝配，機器人抓取玻璃涂膠，機器人與虛擬制造技術（Virtual Manufacturing Techn- ology, VMT）視覺系統(tǒng)配合，視覺系統(tǒng)識別駕駛室，監(jiān)測膠型，滑臺識別玻璃，匹配完成進行粘接，全過程人工參與率極低。按照公司生產規(guī)劃，現(xiàn)有公司主流車型的擋風玻璃裝配以嵌入式密封膠條裝配為主，此種裝配主要是人工作業(yè)裝配，作業(yè)過程勞動強度大，嚴重影響員工的職業(yè)健康。亟需設計一臺輔助設備，幫助員工降低擋風玻璃裝配過程中的勞動強度，保護員工職業(yè)健康。

1 擋風玻璃嵌入式密封膠條作業(yè)分析

擋風玻璃裝配至駕駛室前，需先將密封膠條與擋風玻璃合裝，此過程需要員工先將玻璃搬運至合裝臺上。而擋風玻璃垂直放在工位器具內，在合裝臺上又是平面放置，員工與工位器具總作業(yè)區(qū)域是東西跨度1.8 m，南北跨度5 m（如圖1所示），因此，員工作業(yè)間距平均約為4 m，主流車型擋風玻璃長約2.5 m，寬約0.9 m，每塊重約32.8 kg，玻璃即重又大，因此必須兩名人員配合彎腰抬起玻璃90°翻轉，然后搬運4 m才可到達合裝臺。

圖1 改善前作業(yè)區(qū)域

根據駕駛室產量220輛/班，兩名員工每班配合搬運約7.2 t的擋風玻璃，并負重行走880 m，且兩名員工每班彎腰220次。從數(shù)據看出，進行擋風玻璃裝配作業(yè)的員工，其勞動強度非常大，已嚴重影響到員工的身心健康。

2 項目目標

根據現(xiàn)場裝配作業(yè)人員的身體狀況，本次設計的輔助設備必須徹底解決擋風玻璃彎腰作業(yè)問題，并且有效降低員工負重行走的勞動強度。

3 解決方案及思路

通過作業(yè)分析，駕駛室擋風玻璃裝配的勞動強度主要來源兩方面，一方面是重物搬運；另一方面是彎腰作業(yè)。要解決此工位勞動強度大，員工職業(yè)健康受損的問題，必須從這兩方面出發(fā)進行輔助設備的設計。通過詳細分析這兩方面的內容，開發(fā)輔助設備的設計思路有三點，一是輔助設備設計必須模擬員工彎腰作業(yè)過程，保證擁有90°翻轉功能；二是根據擋風玻璃在工位器具的放置狀態(tài)與在合裝臺分裝時的狀態(tài)，分析其運行的高低差，設計的輔助設備必須擁有上升下降功能；三是玻璃工位器具與員工的作業(yè)范圍，輔助設備必須覆蓋工位器具區(qū)域，且在區(qū)域內轉運靈活。

4 方案設計

4.1 擋風玻璃抓取設計

根據擋風玻璃表面光滑的特性，設計采用吸盤吸附抓取，可以高效地實現(xiàn)玻璃抓取。從安全角度出發(fā)，并結合吸盤特性，根據玻璃大小，設計吸盤四個，并設計方形框架，吸盤安裝于框架四角，框架寬500 mm，窄330 mm。為保證擋風玻璃的抓取與轉運安全性，從吸盤的運行方式分析，將其組合分為兩個一組，且對角設計，控制氣路也按照兩組設計，如圖2所示，且各控制氣路均有獨立的監(jiān)控儀表，實現(xiàn)兩組吸盤獨立控制和獨立監(jiān)控。在此情況下，即使一組氣路故障，也不會發(fā)生玻璃墜落安全風險。吸附動作的開與關依靠換向閥控制。

圖2 氣控原理圖

4.2 擋風玻璃90°翻轉設計

擋風玻璃從工位器具至合裝臺，玻璃需90°翻轉，因此設計翻轉結構時，其設計的角度必須≥90°才可滿足翻轉運行要求。根據玻璃尺寸及翻轉角度，并保障翻轉動作穩(wěn)定可靠，選擇缸徑 80 mm，伸縮長度150 mm的氣缸進行設計。采用軟件模擬運行機構，并進行角度測算，如圖3、圖4所示，通過不斷地測算調整，最終選擇結構緊湊、翻轉角度合適的翻轉機構。

圖3 三維翻轉測試

圖4 三維翻轉測試

4.3 擋風玻璃轉運設計

擋風玻璃合裝臺高度800 mm，玻璃從工位器具取出后，進行90°翻轉，然后抬高350 mm，才可以放置在合裝臺上進行密封膠條的嵌入玻璃作業(yè)，因此，輔助設備設計時，必須考慮設備具備上升下降功能，且升降范圍大于350 mm。從設備設計的整體思路出發(fā)，為降低設計難度，輔助設備設計決定采用單一能量（壓縮空氣）作為其運行動力，因此升降功能實現(xiàn)優(yōu)先采用氣缸方式。根據抓取工裝的重量與擋風玻璃的重量及大小，包括升降高度，選擇缸徑100 mm，伸縮長度500 mm的氣缸。

擋風玻璃工位器具放置位置與合裝臺空間距離為東西跨度約1.8 m，南北跨度約5 m，根據此作業(yè)范圍，決定此處設計采用標準輕型吊車軌道結構（兩縱一橫），縱軌跨度設計5.5 m，橫軌跨度設計2 m。其運行范圍如圖5所示。

圖5 改善后作業(yè)區(qū)域

4.4 資源準備

根據設計方案，收集準備資源，因為創(chuàng)新的獨特性，資源的收集從來都是困難重重，為保證項目順利實施，充分發(fā)揮團隊技術技能優(yōu)勢，分辨并分析現(xiàn)場舊資源，做到項目不但有創(chuàng)新，而且能充分節(jié)約投入費用。

吸盤框架采用鋁合金型材，大幅度減輕抓取工裝重量，并且鋁合金型材選用的是現(xiàn)場閑置的測量框架，并對材料進行重新裁剪加工，然后拼裝完成；翻轉結構根據設計尺寸，采用長度560 mm，寬50 mm方形鋼管設計，如圖6所示；縱橫軌道采用現(xiàn)場報廢設備的舊資源進行整合，在新的作業(yè)區(qū)域重新安裝軌道基礎，完成軌道架設；升降氣缸來源于現(xiàn)場報廢設備；氣控元件、吸盤、操作盒、翻轉氣缸及氣管路等收集路徑，主要來源于其他閑置設備與備件；本次的資源收集以舊資源為主，新投入大幅度壓縮，有效地為公司節(jié)約了投入費用。

圖6 翻轉結構設計

4.5 方案的驗證

資源收集到位后，利用單位特有的創(chuàng)新實踐基地對設計方案進行逐項驗證，以解決設計細節(jié)問題。首先驗證吸盤抓取功能，吸盤吸附抓取，玻璃抓取牢固可靠；其次驗證90°翻轉功能，調整翻轉動作和速率，保證翻轉過程穩(wěn)定安全；最后在現(xiàn)場驗證縱橫軌道空間跨距及運行靈敏性，保證設備投入使用可有效保障作業(yè)效率，降低員工勞動強度，保護員工職業(yè)健康。

通過多次調整和驗證，各項功能均達到了設計要求，滿足了現(xiàn)場使用標準。利用生產停線間隙，將驗證完成的設備安裝至現(xiàn)場，并進行最后的調試、調整。

5 現(xiàn)場應用

如圖7、圖8所示，設備完成現(xiàn)場安裝調試后，指導員工進行設備的使用操作；從玻璃抓取、轉運到最后的放置，均實現(xiàn)了設備的應用，無需人員進行任何彎腰及搬運動作。

圖7 現(xiàn)場應用

圖8 現(xiàn)場應用

6 效果分析

設備在現(xiàn)場實際應用后，對其應用效果進行跟蹤分析，220輛/班的產量時，勞動強度方面，約7.2 t/班的玻璃搬運重量直接降低為0 t，且負重行走為0 m；職業(yè)健康方面，兩人220次/班（每塊玻璃1次）的彎腰頻次減少為0次，且設備僅需1人操作，作業(yè)人員減少1名。具體對比如表1所示。

表1 改善前后對比

從上表數(shù)據可以明顯看出，員工勞動強度降幅明顯，職業(yè)健康保護大幅提升，并且有效節(jié)約了人力資源。

7 總結

通過輔助設備的設計應用，大幅度降低了擋風玻璃分裝作業(yè)過程的勞動強度，保護了員工的職業(yè)健康，節(jié)約了人力資源。

本次創(chuàng)新項目的研制過程，創(chuàng)新團隊多頻次深入現(xiàn)場，收集數(shù)據與信息，分析員工作業(yè)過程，并發(fā)揮頭腦風暴法，制定設計方案，多思路多途徑解決難點與問題，將想法最終轉化為現(xiàn)實，此過程極大地鍛煉了團隊人員的技術技能水平。

創(chuàng)新成果的有效驗證，擴寬了團隊的創(chuàng)新思 路及創(chuàng)新方法，提高了團隊人員的創(chuàng)新信心與熱情，為以后其他類型輔助設備的設計研發(fā)及應用奠定基礎。