機(jī)械手臂在發(fā)動機(jī)總裝中與其它輸送設(shè)備的銜接應(yīng)用探索

郭永萍

【摘 要】傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)總裝生產(chǎn)中空中輸送線和地面輸送線是分離的，靠人工轉(zhuǎn)運(yùn)方式銜接，不僅搬運(yùn)速度慢、擺放位置精度差，而且工件容易磕碰、工人勞動強(qiáng)度大，已經(jīng)跟不上現(xiàn)代自動化生產(chǎn)線的節(jié)拍，是汽車制造業(yè)中制約生產(chǎn)的瓶頸問題。本文探究用機(jī)械手臂代替人工轉(zhuǎn)運(yùn)，提供一種新型的智能輸送形式，保持裝配線一種連續(xù)、均衡的物流狀態(tài)，加快裝配線的轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)拍，減少各個裝配工位的空閑時間，從而配合現(xiàn)代自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

【關(guān)鍵詞】六軸機(jī)械手臂；空中輸送線；地面輸送線；結(jié)合應(yīng)用

0 前言

商家競爭在21世紀(jì)顯得更為殘酷激烈，尤其在今天汽車制造廠家眾多、汽車品種繁雜的情況下，企業(yè)必須同時提高產(chǎn)品質(zhì)量和提升生產(chǎn)效率，才會贏得消費(fèi)者、贏得更多利潤，在競爭中處于不敗之地。發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，是重要組成部分，發(fā)動機(jī)裝配質(zhì)量直接決定了汽車的最終質(zhì)量，這使得發(fā)動機(jī)裝配成為汽車生產(chǎn)制造中很重要的一環(huán)。

1 問題的提出

發(fā)動機(jī)總裝零部件繁多，需要多種渠道運(yùn)送，在生產(chǎn)裝配中地面輸送采用板鏈線或輥道線或者輸送臺車等加托盤的輸送方式；空中轉(zhuǎn)運(yùn)輸送采用的是EMS智能輸送小車線，吊具采用夾腿或吊鉤形式。雖然地面采用的輸送線和空中采用的EMS智能輸送線都是自動化物流輸送設(shè)備，但是兩者之間銜接是靠人工將工件一一手動轉(zhuǎn)運(yùn)和裝掛，重復(fù)性動作多、勞動強(qiáng)度大且生產(chǎn)效率低，擺放位置精度差，難以滿足生產(chǎn)節(jié)拍精準(zhǔn)、快速的要求；并且這種轉(zhuǎn)運(yùn)方式，容易損傷工件造成品質(zhì)降低，質(zhì)量問題頻發(fā)；工人勞動強(qiáng)度大但效率低、勞動安全性差。

2 銜接轉(zhuǎn)運(yùn)新方式的設(shè)計

采用六軸工業(yè)機(jī)器人自動手臂，包括抓手自動控制器和氣動式機(jī)械抓手兩部分。抓手自動控制器由中央處理器、抓手氣缸到位傳感器、抓手氣缸復(fù)位傳感器、壓緊氣缸到位傳感器、壓緊氣缸復(fù)位傳感器、電磁閥等組成；氣動式機(jī)械抓手由頂部安裝體、左右氣抓氣缸、壓緊氣缸、壓緊板、擺臂、左右定位銷軸等組成。抓手自動控制，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)拾取工件位置是，依據(jù)機(jī)器人主控制器的指令，抓手自動控制器輸出信號控制電磁閥驅(qū)動抓手氣缸和夾緊氣缸依次動作，結(jié)合各位置傳感器的數(shù)據(jù)精確高速的控制抓手氣缸壓緊氣缸，完成機(jī)器人自動抓手對工件的抓取和放置。氣動式機(jī)械抓手只允許左、右定位銷軸與缸蓋對應(yīng)定位孔夾合，可防止抓手劃傷工件表面，確保工件加工面和裝配孔的精度不受損傷。

為了提升生產(chǎn)節(jié)拍，決定采用一次能抓取二個工件的高精確度的雙抓機(jī)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)形式如下圖：精密雙抓手設(shè)計圖

1）機(jī)器視覺

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)比較結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

利用機(jī)器視覺可以完成二個方面任務(wù)：（1）根據(jù)不同工件特征點拾取來區(qū)分不類型工件，方便機(jī)器人抓手快速更換；（2）測量計算工件夾持孔坐標(biāo)位置，方便機(jī)器人抓手對工件工藝夾持孔的定位。

2）夾手自動快換機(jī)構(gòu)

為滿足多種機(jī)型不同工件的工況需求，機(jī)器人配有多套抓手。機(jī)器人配有自動換槍盤，系統(tǒng)判斷工件型號后，機(jī)器人可根據(jù)需求自動更換夾具、托盤等。

根據(jù)發(fā)動機(jī)總裝生產(chǎn)的工藝特點，本文準(zhǔn)備按下面工藝線路來布置機(jī)器人技術(shù)在發(fā)動機(jī)總裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用試驗線。

其整線布局示意簡圖如下：

3）轉(zhuǎn)運(yùn)可達(dá)到精確定位

為保證發(fā)動機(jī)工件在地面輸送和空中輸送的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不受損傷，我們采用支撐托盤托載。機(jī)械手臂可以按事先設(shè)定的傳輸工件至裝配線的上下料點，按工藝安裝要求的姿態(tài)精確擺放到裝配線托盤上。機(jī)械手將工件落入托盤過程的重復(fù)定位精度可達(dá)±0.05mm，旋轉(zhuǎn)半徑可達(dá)2500mm。

之前地面線和空中線如果是直線對接安置，工人工件轉(zhuǎn)運(yùn)比較容易；如果是垂直安置，工件轉(zhuǎn)掛對工人來說要旋轉(zhuǎn)90°，這個操作非常困難。用機(jī)械手臂將非常好解決這一轉(zhuǎn)運(yùn)難題。地面線、空中線任意角度設(shè)置都可以，安裝輸送線的選址布線沒有制約，可以提高車間土地利用率。

4）采用PROFINET總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制

只有當(dāng)組成物流系統(tǒng)的設(shè)備成套、匹配時，物流系統(tǒng)才是最高效、最快捷。在物流輸送設(shè)備空中EMS小車輸送線、地面輸送線、機(jī)械手臂都單機(jī)自動化的基礎(chǔ)上，以及現(xiàn)場工位操作站與中央控制系統(tǒng)間通訊都是通過PROFINET總線網(wǎng)絡(luò)傳輸交換數(shù)據(jù)。通過計算機(jī)把各種物流設(shè)備組成一個集成系統(tǒng)，通過中央控制室的控制，各物流系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，形成相互間最佳匹配和組合，不僅有極高的實時性，更有極高的可靠性，生產(chǎn)線才能發(fā)揮最佳效用。

3 效果對比

工人原地不動在線轉(zhuǎn)掛的操作可分解為6個基本動作，伸手、抓握、遞送、對正、連接、松開。

工人拿到工件后如需轉(zhuǎn)向90°再轉(zhuǎn)掛的操作可分解為7個基本動作，伸手、抓握、轉(zhuǎn)向90°、遞送、對正、連接、松開。

工人如需走動（假設(shè)需走3步）后才拿到工件不需要轉(zhuǎn)向90°再轉(zhuǎn)掛的操作可分解為8個基本動作，走動、伸手、抓握、走回、遞送、對正、連接、松開。

工人如需走動（假設(shè)需走3步）后才拿到工件后還需轉(zhuǎn)向90°再轉(zhuǎn)掛的操作可分解為9個基本動作，走動、伸手、抓握、走回、轉(zhuǎn)向90°、遞送、對正、連接、松開。

通過多日在車間觀察、測時、記錄、問詢、刪選，利用平均指標(biāo)可以得到如下一個時間表：

由上表可知：人工轉(zhuǎn)運(yùn)少則需要30秒/次，多則需要56秒/次，平均時間43秒/次。如不同工件需要轉(zhuǎn)運(yùn)不同的工藝路線，還加上對線路選擇和確認(rèn)時間。實際生產(chǎn)中人的操作是復(fù)雜的，不僅要考慮工人的熟練程度也要考慮人身體的疲勞程度以及生理及心理上的原因，往往統(tǒng)計時間還要耗時更久一些。endprint

一般發(fā)動機(jī)總裝裝配線的設(shè)計生產(chǎn)能力為年產(chǎn)10萬臺，生產(chǎn)線總節(jié)拍為200s，而人工轉(zhuǎn)運(yùn)就占用30-56s，轉(zhuǎn)運(yùn)銜接這道工序明顯出現(xiàn)占時過長，導(dǎo)致其余生產(chǎn)環(huán)節(jié)等待和滯后，使得整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。

而機(jī)械手臂完成轉(zhuǎn)運(yùn)只需要四個動作：識別（0.2s）、抓握（2s）、遞送（2s）、松開（1s）。機(jī)械手臂可以根據(jù)托盤上的電子標(biāo)簽或條形碼，識別發(fā)動機(jī)工件的轉(zhuǎn)運(yùn)信息，知道托盤上工件需要轉(zhuǎn)運(yùn)到哪條輸送線上的相應(yīng)什么位置，不需要額外的線路確認(rèn)時間。如需轉(zhuǎn)向會同時完成，也不需另外占用時間。因此，有共需時間：0.2+2+2+1=5.2（s）。

年產(chǎn)10萬臺將節(jié)約時間：100000×（43-5.2）=3780000（s）。

可以多生產(chǎn)：3780000÷200=18900（臺）。

相比之下，機(jī)械手臂運(yùn)轉(zhuǎn)的時間優(yōu)勢非常明顯。

人工轉(zhuǎn)運(yùn)工件安放位置現(xiàn)場測量平均的準(zhǔn)確度為±20mm，機(jī)械手臂運(yùn)轉(zhuǎn)定位準(zhǔn)確±0.05mm，機(jī)械手臂運(yùn)轉(zhuǎn)定位準(zhǔn)確高出非常多，大大減少了下一個工序的調(diào)整對位時間和返工時間，提高了裝配精度和安裝效率。

4 結(jié)束語

輸送系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)總裝生產(chǎn)線的大動脈，是完成生產(chǎn)安裝和轉(zhuǎn)運(yùn)聯(lián)動的紐帶，對一條生產(chǎn)線效率發(fā)揮得高低很關(guān)鍵。如果繼續(xù)以勞動密集型為主，不但占地面積大、耗費(fèi)人工，而且生產(chǎn)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不高。機(jī)械自動化、物流自動化將成為降本增效新的利潤增長點。我國汽車制造業(yè)中空間物流轉(zhuǎn)運(yùn)的問題已迫在眉睫，"工欲善其事，必先利其器"，如能將高節(jié)拍集智能化、自動化一體的輸送技術(shù)率先在汽車發(fā)動機(jī)總裝輸送工藝中取得突破，就完全可能將該技術(shù)應(yīng)用到其他行業(yè)類似的各種自動化生產(chǎn)線上，不但提高生產(chǎn)效率也提升了生產(chǎn)質(zhì)量，也將對推進(jìn)我國各種生產(chǎn)線自動化、智能化程度起到良好的促進(jìn)和積極的意義。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint