總裝生產線簡易氣動助力工裝設計研究

覃裕安 郭維夏 梁伶伶

【摘 要】隨著汽車裝配技術的提升，汽車裝配工藝裝備技術也隨之迅速提升。為滿足總裝生產線混線生產模式及上汽通用五菱汽車股份有限公司運行方針“低成本、高價值”的發展趨勢，汽車裝配工藝裝備需要持續改進。本文主要研究總裝生產線簡易氣動助力工裝，以提高生產線操作崗位裝配效率，實現以人機工程為目的而實施的現場改善活動。

【關鍵詞】總裝生產線；助力機械手；氣動平衡吊；控制按鈕；吸盤

【中圖分類號】U468.23 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）09-0054-04

0 引言

總裝生產線助力機械手設計要求操作簡單、投入成本低、車型兼容性較好、有利于持續改進活動的開展。目前，前擋風玻璃裝配由于工藝設計需要，通過2名操作工使用人工手拿吸盤配合裝配，手動吸盤吸緊力不夠牢固易松脫，前擋風玻璃為大件重物料，右側員工需要上下踏臺走到車身左側與另一名員工配合取料裝配，行走過程存在步行時間浪費與安全隱患。現場這種裝配方式的勞動強度大，不利于現場裝配效率的提高。為提升員工的裝配效率，降低員工的勞動強度，提高現場裝配工藝裝備需要，本次研究參照各知名企業的助力機械手進行設計，符合上汽通用五菱汽車股份有限公司現場使用的汽車裝配工藝裝備使用要求。

1 基礎分析

1.1 助力機械手的種類

助力機械手又稱機械手、平衡吊、手動移載機，是一種新穎的用于物料搬運時省時省力操作的助力設備。它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，可在有限的空間內省力地平衡移動定位，重物在提升或下降時形成浮動狀態，無需熟練的點動操作。

助力機械手按結構形式可分為軟索式助力機械手和硬壁式助力機械手及自制省力吊具等。由于非標設備的特點，決定了選用或者設計制作該類設備時必須結合現場工況及工藝要求，以更貼近操作者的實際需求。

1.2 車間生產現狀概述

總裝生產線某車型的前擋風玻璃的自重≥15 kg，裝配時，需要將擋風玻璃提升距離地面300～1 900 mm的高度進行裝配，目前總裝生產線前擋風玻璃使用的裝配方法，完全是以人力搬、人力扛，這種已是比較舊的作業方式，員工都需彎腰將每塊玻璃搬、扛起來，抬起或放入玻璃安裝框中來完成裝配動作，操作者不但體力消耗大，而且因長期彎腰施重力，會造成操作者的腰部損傷。此外，前擋風玻璃裝配到車身部位時，由于工藝要求，需要2名操作工配合完成，現場布置裝配高度要求操作人員步行跨越踏臺且存在絆倒的安全風險，而且手動吸盤抓取重物的可靠性不高，重物掉落風險較高。生產現場如圖1所示。

2 設計原理及結構分析

2.1 設計方案

結合助力機械手配置功能齊全，可以完全適應工作場所和零件設計的要求，不僅可以順利地完成給定產品的裝配任務，還可以完成工作范圍內的各種不同規格的產品裝配任務。根據目前總裝生產線裝配前擋風玻璃的運行模式和工藝要求，采取安裝軟索式助力機械手，軟索式機械手具有全行程“漂浮”功能，配有儲氣罐，可在斷氣情況下繼續使用一個循環，同時可以報警提醒操作者。配合非標夾具，軟索式助力機械手可以起吊各種形式的工件。

以下是軟索式機械手設計方案，本文統稱為氣動助力工裝。總裝生產線前擋風玻璃簡易氣動助力工裝設計方案如圖2、圖3、圖4所示。

2.2 氣動助力工裝結構

氣動助力工裝主要由扶手、把手、控制按鈕、吊環、快換氣缸、閥件盒、吸盤等部件組成，通過上述裝置結構吸住玻璃，可由單人操作，方便員工簡單拿取和安裝擋風玻璃。

通過按壓吸盤開關使各吸盤產生吸力，雙手握住抓取手柄和豎向手柄將整個裝置居中放在擋風玻璃上，吸盤即可自動吸住擋風玻璃，員工可利用豎向手柄將擋風玻璃翻轉至安裝角度，按下抓取手柄上的升降按鍵使玻璃上升至安裝高度，利用氣動平衡吊將裝置推行至流水線車身擋風玻璃安裝位置，另一名員工在對面工位握住裝配手柄，控制升降的員工只要將擋風玻璃升降至車身安裝位置即可裝配，裝配后按下吸盤開關，吸盤即松開擋風玻璃，整個裝配過程無需2名員工配合拿取玻璃，也不需要彎腰拿取重物，更不需要操作人員跨越流水線踏臺。

該工裝的結構充分考慮到了使用氣動吸盤比手動吸盤可靠，降低了零件掉落風險。氣動助力工裝結構如圖5所示。

2.3 氣路原理圖

整個系統由高性能單片機、功率放大模塊、通信模塊、濾波電路模塊等組成。其中，高性能單片機主要負責控制算法的計算，功率放大模塊實現PWM信號的放大及電機的過流保護，濾波放大電路模塊實現對末端操作器和壓力傳感器信號的處理，通信模塊負責與上位機進行通信。

為使系統的輸出達到額定值，氣源壓力至少為5 bar（70 psi/500 kPa）。最大固態顆粒尺寸小于5 μm，最大顆粒密度為5 mg/m3，最大壓力露點為-20（℃），最大含油濃度為1 mg/m3。特別提醒氣源應該清潔、去除水分和濕氣。警惕壓縮空氣的清潔問題導致設備故障，尤其是新建立的工廠或新建立的壓縮空氣供應站點，由于系統或管道處于未啟用或剛啟用的狀態，會使壓縮空氣中存在較多的雜質，所以應提供多級清潔過濾，并保持一定時間的空放狀態以便雜質清除。系統控制原理如圖6所示。

3 實施與驗證

3.1 氣動助力工裝實施情況

該氣動助力工裝安裝于總裝生產線前擋風玻璃裝配工位，啟用后優化和消除了提取15 kg重量的前擋玻璃需要4 s的步行時間，解決員工操作上下踏臺的問題，降低了員工的換崗及離職率，節約成本合計3.4萬元/年，達到了生產節拍要求和提高了工作效率。設計考慮了現有空間和滿足操作工藝布置要求，使用輕型滑軌及氣動平衡吊滑動更輕便、更容易操作。氣動助力工裝造價低，使用和維護簡單，使用氣動控制升降更容易掌控、節約能耗、操作更安全、運行和維護成本低。自主設計的前擋風玻璃裝配氣動助力工裝使用效果較好，短期內可直接推廣運用到前擋風玻璃分裝工位上使用。總裝生產線一期現場簡易氣動助力工裝實施情況如圖7所示。

氣動助力工裝的設計要點：操作輕便、滑動靈活、操作活動空間滿足工藝布置要求且安全可靠，能消除人機工程傷害，能夠滿足不同車型的生產節拍要求，提高了裝配效率。

難點如下：前擋玻璃重量與人體操作角度舒適性；氣動助力工裝吸盤端與操控手柄的間距受力點均衡度；吊舉前擋、吊繩、氣動助力工裝的懸空平衡度及高度；安裝點的空間和氣動助力工裝活動與裝配時跟車身的合理距離。

3.2 氣動助力工裝效果驗證

使用擋氣動助力工裝裝配，只需要一名員工拿取擋風玻璃，操作方便，無需彎腰，消除彎腰傷害，增加了生產安全系數，同時節約了另一名員工的操作時間。

（1）有效地解決了總裝生產線裝配前擋風玻璃拿取大件重物料人機工程問題，提高了員工裝配效率（如圖8所示）。

（2）杜絕了因手動吸盤吸力不夠和配合拿取物料行走而造成安全事故的風險（如圖9所示）。

4 氣動助力工裝技術要求

4.1 設備主要性能及參數

該設備采用軟索系列氣動平衡吊主機，并裝備有前風擋取料專用吊具，用于前風擋取料的助力工作。該設備針對不同重量的工件，只要在平衡吊額定負載范圍內，均可適應平衡；系統具有全程平衡、運動平滑、操作靈活等特點，方便安裝和定位；系統配有安全保護閥組，具有失氣保護功能，當主供氣源失氣時，鋼繩不會突然墜落；操作人員可雙手控制前風擋取料專用吊具進行工件定位；系統上下行程H=3 000 mm。服務范圍徑10 000 mm×4 500 mm。系統額定有效載荷P=90 kg（當供氣壓力為5 bar時）。

4.2 設備操作及使用方法

（1）使用前風擋取料吊具移載工件時，雙手扶住夾具手柄。

（2）手動移動夾具系統至前風擋取料放置處，按“UP/DOWN”控制按鈕，調整夾具的高度，讓夾具與前風擋取料對位。

（3）按“吸附”控制按鈕，夾具有效吸附工件，此時，負載指示器變為紅色。

（4）按“UP”控制按鈕，提升夾具高度，通過“UP/

DOWN”控制按鈕，控制夾具高度，然后手動移動夾具將工件送到指定工位上方。

（5）按“DN”控制按鈕，將工件放置在指定工位，放置完成后，按“釋放”控制按鈕，負載指示器變為白色，夾具與工件脫離。

（6）按“UP”控制按鈕，將夾具抬高到放置工件的上方。移動夾具到前風擋取料放置處，繼續下一次工作循環，待整個操作完成后，將助力設備恢復到初始狀態。

4.3 設備操作安全規則

（1）培訓和操作等，僅允許在安全的情況下進行。

（2）僅允許在操作人員身體狀態良好的情況下操縱本設備。

（3）當有寫“請勿使用”的標牌掛在設備上或控制器上時，請不要使用本系統。

（4）每次使用前，檢查設備有無磨損或損傷。不要使用已檢測出有嚴重磨損及損傷的系統。

（5）不要將手放在掛鉤的“咽喉”部位。

（6）不要使用扭曲、糾結或已損傷的鋼絲繩或鏈條。

（7）不要用本設備處理重量超出本系統額定載荷的重物（其額定載荷請參照設備銘牌）。

（8）在操作本設備時，應時刻注意觀察工件。

（9）確定在工件移動的通路上無人，并且不要在任何人的上方提升負載。

（10）不要使用本設備升降人員，不允許任何人懸掛在負載上。

5 結語

氣動助力工裝以其“平衡重力”使得運動平滑，操作省力、簡單，裝配方便、快捷，定位準確，減輕了員工的勞動強度，提高了工作效率。本次設計的氣動助力工裝使用于重量物件吊舉、轉運、搬運操作，符合人機工程學，操作靈活、體積小，達到安全和高效工作的目的。可推廣在不同汽車制造商總裝生產線操作崗位上使用，目前該簡易氣動助力工裝設計已推廣運用到總裝生產線二期BC線上使用。

參 考 文 獻

[1]上汽通用五菱汽車股份有限公司.上汽通用五菱汽車股份有限公司內部資料[Z].2015.

[2]張金枝，肖立君.助力機械手在汽車制造業中的應用[Z].企業應用集成系統與技術學術研究會，2006.

[3]肖立軍，米學寧.氣動平衡助力機械手的原理及應用[J].制造業自動化，2011，33（6）.

[責任編輯：鐘聲賢]