針對傳動軸節(jié)裝配的產(chǎn)線升級改造方案研究

馮云龍 楊光新 孫宇博 徐成志 武福龍 杜霄龍 李 闖

(上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司,長春,130013)

0 引言

VL-DISC節(jié)是等速萬向傳動軸中的一個重要組成部件,其裝配過程主要包括3個工序:端節(jié)裝配、端蓋涂膠、端蓋收口。在傳統(tǒng)的節(jié)裝配產(chǎn)線中,加工此3工序的設(shè)備分別獨立,需要3名工人每人操作1臺設(shè)備進行人工上下料操作,前道序的在制品需要人工完成裝箱并搬運至下一工位。這種較為傳統(tǒng)的產(chǎn)線結(jié)構(gòu),自動化程度低,工人勞動負荷大,在目前智能制造的大趨勢下需要優(yōu)先進行升級改造。智能制造技術(shù)的應(yīng)用是目前制造業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)線升級的重要手段,N公司以此為切入點,設(shè)計了一套節(jié)裝配產(chǎn)線改造方案,通過應(yīng)用工業(yè)機器人、視覺檢測技術(shù),以及設(shè)計開發(fā)涂膠端蓋旋轉(zhuǎn)料臺、端蓋豎向上料機構(gòu)等,完成了節(jié)裝配各獨立設(shè)備的自動化連線,實現(xiàn)了一物流的生產(chǎn)模式。

1 產(chǎn)線升級改造總體方案

1.1 改造前工藝過程描述

VL-DISC節(jié)裝配3個工序?qū)?yīng)的三臺設(shè)備分別是:VL-DISC檢測機、涂膠機、收口機。在傳統(tǒng)產(chǎn)線中工藝過程和物料搬運情況是:員工1將外星輪、內(nèi)星輪、球籠、鋼球組裝成節(jié)組件后,對通過檢測機檢測合格的節(jié)組件下料裝箱待用;員工2使用涂膠機完成端蓋涂膠,并將涂膠后的端蓋裝箱待用;員工3使用收口機,將裝箱待用的節(jié)組件和涂膠端蓋裝配成節(jié)總成。以上過程需要3名員工共同完成,且過程中需要多次對在制品進行裝箱存儲和搬運。

1.2 總體方案

圖1是改造方案的設(shè)備平面布局圖。對比原節(jié)裝配產(chǎn)線,改造后的產(chǎn)線增加了2臺6軸搬運機器人(機器人A和機器人B)、2套視覺檢測裝置、1組涂膠端蓋旋轉(zhuǎn)料臺、1組端蓋豎向上料機構(gòu)和3條動力料道。其中機器人A負責端蓋在上料道、涂膠機和旋轉(zhuǎn)料臺之間的搬運;機器人B負責節(jié)組件在上料道和收口機之間、端蓋在旋轉(zhuǎn)料臺和收口機之間、節(jié)總成在收口機和下料道之間物料的搬運;旋轉(zhuǎn)料臺負責涂膠端蓋在涂膠機和收口機之間的銜接;各動力料道負責其他部分的物料銜接[1］。

2 方案具體內(nèi)容

2.1 雙機器人應(yīng)用及系統(tǒng)總體控制

從圖1中箭頭所示的物料軌跡可以看到,整個裝配過程,物料需要被移動多達9次。為滿足節(jié)拍和產(chǎn)能需求,需要至少2臺機器人共同配合完成物料搬運工作。機器人A負責端蓋在上料道、涂膠機和旋轉(zhuǎn)料臺之間的搬運;機器人B負責節(jié)組件在上料道和收口機之間、端蓋在旋轉(zhuǎn)料臺和收口機之間、節(jié)總成在收口機和下料道之間物料的搬運。

系統(tǒng)通過PLC主站控制所有設(shè)備,如圖2所示。機器人與PLC使用總線通訊進行實時交互[2］,涂膠機和收口機則通過DP Coupler與PLC進行通訊,其他信號則使用I/O通信。

圖2 系統(tǒng)控制示意圖

所有信號都傳遞給主站PLC,由主站PLC來判斷下一步執(zhí)行動作并發(fā)出控制指令。圖3是系統(tǒng)控制流程圖。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

2.2 視覺檢測系統(tǒng)

VL-DISC節(jié)組件和端蓋上分別有360度等分的6個通孔,節(jié)組件和端蓋在涂膠和收口時都需要以此6孔來定位放置。因此對來料任意角度的準確識別是使用視覺檢測系統(tǒng)的主要目的。

方案中的視覺檢測系統(tǒng)使用2D相機對來料進行拍照,從照片中提取零件的輪廓特征,將提取的輪廓特征與系統(tǒng)中存儲的標準輪廓進行比對,可以快速獲得此零件與標準輪廓的角度差值,并以此差值來調(diào)整機器人抓取零件的位姿,從而確保機器人每次以正確的角度放置零件[3］。

2D相機所拍照片如圖4和圖5所示,其中,節(jié)組件的6孔和球道輪廓、端蓋上6孔和花瓣形狀,分別是兩個零件的主要識別特征。

圖4 節(jié)組件視覺識別照片

圖5 端蓋視覺識別照片

除快速識別來料角度,使用對比輪廓特征的方式,視覺檢測系統(tǒng)同樣兼?zhèn)渥R別錯誤來料的功能。若有錯誤來料,系統(tǒng)會報警。

視覺檢測系統(tǒng)有效且可靠。經(jīng)過對2種產(chǎn)品共計14 386組節(jié)組件和端蓋的驗證,得到表1結(jié)果。

表1 視覺檢測系統(tǒng)檢測正確率統(tǒng)計表

2.3 涂膠端蓋旋轉(zhuǎn)料臺的必要性開發(fā)

傳統(tǒng)產(chǎn)線中,操作人員會將涂膠后的端蓋裝箱放置在指定區(qū)域一段時間后,再供收口工序使用。此處裝箱放置的處理方式,有兩部分原因,一是受產(chǎn)線結(jié)構(gòu)限制,每完成一個工序都需要裝箱;二是涂膠工序的工藝要求。涂膠工序所使用的膠水,需要涂在端蓋上后,在空氣中放置至少15 min,才能供收口使用,否則無法發(fā)揮膠水性能。

為滿足此項工藝要求,設(shè)計開發(fā)了涂膠端蓋旋轉(zhuǎn)料臺。如圖6所示,此料臺具備6組料盤和6個工位,從1號料盤開始,每擺滿1組料盤,料臺會逆時針旋轉(zhuǎn)一個工位,當1號料盤旋轉(zhuǎn)至6號工位時,1號料盤上的端蓋才可以被用于收口工序,此時涂膠工位已經(jīng)完成5組料盤的涂膠工序,計算1號料盤上的第1個端蓋在空氣中放置時間的過程如下:

圖6 涂膠端蓋旋轉(zhuǎn)料臺示意圖

每組料盤上可放置12個端蓋,經(jīng)測算,涂膠節(jié)拍t1=22.5 s,則該端蓋在空氣中放置的時間T為滿足工藝要求。

T=t1×12×5=22.5 s×12×5

=1 350 s=22.5 min>15 min

2.4 端蓋上料問題的有效解決

在傳動軸生產(chǎn)過程中,將零件直接擺放在動力料道上是對設(shè)備常用的上料方式。但此方式不適用于端蓋的上料。原因是端蓋為薄壁件,重量較輕,若直接排布在動力料道上,在待料時,端蓋會隨著料道的運動互相擠壓、堆疊,最終導(dǎo)致零件掉出料道。

設(shè)計開發(fā)的端蓋豎向上料機構(gòu)(圖7),能夠做到每次釋放1個零件到動力料道上,保證料道上不會同時出現(xiàn)兩個端蓋的情況,這樣可以避免端蓋互相接觸、堆疊、掉落。

圖7 端蓋豎向上料機構(gòu)

2.5 動力料道的合理使用

此次改造中,動力料道的作用,除完成端蓋上料和節(jié)總成下料的零件傳輸,最為關(guān)鍵的是連通了VL-DISC檢測機下料與收口機上料,從而消除了節(jié)組件的下料裝箱,實現(xiàn)了節(jié)裝配過程中在制品的閉環(huán)循環(huán)。

3 方案應(yīng)用總結(jié)

VL-DISC節(jié)裝配產(chǎn)線經(jīng)過以上升級調(diào)整,能夠?qū)崿F(xiàn)以下優(yōu)化。

3.1 產(chǎn)線操作人員從3人減至2人

員工1繼續(xù)負責組裝節(jié)組件,但無須再進行組件裝箱,員工2負責給端蓋豎向上料機構(gòu)上料和節(jié)總成的下料裝箱,其他工作均由各設(shè)備自動完成。

3.2 降低操作人員勞動負荷

對改造前后員工操作分解動作進行對比分析,總結(jié)出表2,從表中可以看出改造后所有人員的操作動作均變少,從而可以得出人員勞動負荷降低的結(jié)論。

表2 人員分解動作對比表

3.3 在制品庫存與周轉(zhuǎn)器具用量大幅降低

由于實現(xiàn)了從零件到節(jié)總成的一物流生產(chǎn),因此在制品庫存降為0;由于裝箱次數(shù)從3次優(yōu)化為1次,因此相應(yīng)存儲在制品和節(jié)總成的周轉(zhuǎn)器具使用量降低67%。

3.4 生產(chǎn)效率大幅提高

將能夠反映生產(chǎn)效率的節(jié)拍、班產(chǎn)、每人每小時產(chǎn)出等數(shù)據(jù)整理成表3,從表3中能夠看出,改造方案對產(chǎn)線生產(chǎn)效率有較大幅度的提高。

表3 改造前后生產(chǎn)效率對照表

3.5 自動化水平顯著提升

曼寧指數(shù)能夠從一定層面反映產(chǎn)線自動化水平[4］。改造前曼寧指數(shù)

M1=W1/n1=3/3=1

(1)

改造后曼寧指數(shù):

M2=W2/n2=2/5=0.4

(2)

M2

4 結(jié)論

工業(yè)機器人應(yīng)用和視覺檢測技術(shù)等是智能制造中的核心技術(shù),基于此的VL-DISC節(jié)裝配產(chǎn)線升級改造方案,能夠改變傳統(tǒng)單工位人工上下料操作的工作模式,實現(xiàn)全工序一物流自動裝配;完成升級改造的產(chǎn)線,生產(chǎn)效率和自動化水平提升明顯,并且能夠節(jié)約人工、降低工人勞動強度。此改造實例印證了,智能制造技術(shù)的合理應(yīng)用是制造業(yè)企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)線升級改造的有效途徑和重要手段。