高端乘用車渦輪殼檢查線自動化改造

王翠玲 谷春春

摘要：本文以某高端乘用車渦輪殼自動檢查單元建設為例，通過自動上下料改造方式，將現有人工上下料的氣密性檢查、尺寸檢查等工序通過引進自動化設備和工業機器人替代方式改造成自動上下料，實現模塊化柔性制造單元，達到減少工人數量，增強過程穩定性，集成化、低成本的效果。

關鍵詞：自動化生產線;工業機器人;改造;檢查

中圖分類號：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0052-02

0? 引言

日益激烈的市場競爭促使各企業思考，如何提高產品的競爭力，提高自身在整體市場中的競爭力。隨著德國工業4.0理念的提出，國家智能制造2025等政策的推動，自動化、信息化等相關聯行業技術發展迅猛，其應用場景和成熟的解決方案也在制造業內廣泛滲透和拓展。傳統專用設備模式或人工生產的弊端愈發突顯，比如人工成本的增加、招工越來越難、產品生產的需求大、工件變化迅速、工傷等安全事故隱患等。在以上種種弊端下，許多企業開始思考轉型，并著重思考使用工業機器人等自動化技術來解決制造業的生產難題。高端乘用車渦輪殼生產企業主要進行渦輪殼的鑄造、生產加工、檢查、清洗、組裝等工序。其中，檢查工序根據產品具體的管控要求以及檢查類型存在外觀檢、螺紋檢、尺寸檢、氣密性檢查等類型。傳統生產組織往往是單人單工的作業形式，對人的技能要求以及紀律要求較高。但由于人工的隨意性與不確定性，生產效率不高，品控不穩定，生產成本高。因此，嘗試使用工業機器人替代人對當前生產線進行自動化改造，通過合理規劃工藝機器人運動軌跡，把自動裝夾技術、先進工藝裝備技術、系統總成控制技術組合起來，改變傳統生產模式，取得較為可觀的成果。

1? 工業機器人概述

工業機器人是一種具有較大定位精度、可重復編程、多用途、多自由度、最典型的機電一體化產品[1]，在搬運、碼垛、噴涂、焊接、拋光、打磨、檢查等工業場景中匹配[2]。工業機器人按照總體結構類型分，有圓柱坐標型、直角坐標型、球坐標型、關節坐標型、平面關節型（圖1）。其中，關節型機器人具有多自由度，運動靈活，構造緊湊，占用空間少等特點，在工業中應用較為普遍[3]。

2? 現有生產工藝分析

2.1 目標產品? 本改造線目標產品如圖2所示，產品為高鎳鑄造殼體，機加工后重量約2.36千克，外形為不規則異形件，最大外型尺寸約？準150*120毫米。

2.2 工序內容? 本改造線主要包含工序有外觀檢、螺紋檢、氣密性檢查、尺寸檢。傳統的作業過程以及人員配置情況如表1。

由表1可以看出，產線需要3名工人，兩班需要6名工人，如果使用了工業機器人替代人工，則可以減少人工數量，實現節約人工成本，同時使得產線品質更加穩定高效。

本改造線主要將尺寸檢、螺紋檢、氣密性檢查三個工序進行自動化改造，最終實現：外觀檢查（人工）→氣密性檢查及二維碼雕刻（自動）→尺寸檢查（自動）→螺紋檢測（自動）→人工下料。根據需求部門要求，首次改造產線預留自動螺紋檢測機位置及系統接口，后續設備開發到位后，并入本產線。

3? 改造技術方案

3.1 產線布局? 根據前期設計經驗，進行產線的布局設計，經過分析及演算，最終產線總體呈“品”字布置，見圖3。主要包含氣密性檢查機1臺、在線測量機1臺、擰螺紋機1臺、六關節機器人1臺、上料鏈板機1臺、下料機2臺、總控柜1個以及安全防護相關組件。

3.2 自動線機器人動作時序及節拍? 自動線的節拍主要包含機器人上下料動作，設備工作時間組成，具體如表2。

由表2可以看出，產線配置一個機器人上下料，可以滿足產線節拍要求。

3.3 工序設備方案? 上料機輸送鏈和工裝板方式，考慮人工放料的緩存需求，設置有效工位6個，每個工件有對應的工裝板。模擬實際使用的場景，在投入口配置放置OK按鈕及指示燈（可投入、蜂鳴器、運行燈）、急停按鈕，手動自動旋鈕，原點按鈕。下料機為皮帶機，可緩存10顆料。NG料通道設計有雙通道，為前后傾斜結構，工件可依靠自重劃出。雙通道分別對應氣密性檢測NG件與尺寸檢測NG件，便于人員進行工件異常的復核及判定（圖4）。

氣密性檢測機與激光刻碼讀碼設計為一體機，工件在一次上下料中完成氣密檢測與激光刻碼讀碼，并將檢測數據與讀碼數據進行關聯存儲。螺紋檢測機、在線測量機采用進出料方式，設計有檢測工位和換料工位，便于進行機器人上下料。因為工件是立式姿態，在機器人取放料時采用了預夾緊設計，即機器人手爪送料到工裝上，手爪松開，工裝進行預夾緊，然后機器人手爪移開（圖5）。

3.4 工業機器人及手爪? 產線根據臂展及負載需求，選取的是FANUC M20i/35M機型，臂展1813mm，負載35kg;配CCLINK通訊模塊及軟件。機器人手爪采用雙手爪結構，雙手爪背對背結構形式，可一次性實現工件的取料和放料。手爪機構設計有Z向浮動，能夠增加放料過程中的手爪柔性，減少工件異?？呐?。（圖6）手爪采用指端分離式設計，在產線換產及長時間使用磨損時只需要更換指端夾塊，減少了換產及使用維護成本。

3.5 控制系統及安全? 總控柜設有人機交互顯示屏，可顯示產線當前設備狀態、故障報警以及追溯信息生產數據，并配置有擴展通訊接口，可以連接MES等系統。在產線安全層面，產線周圍布置安全圍欄、安全門內設有安全光柵、安全門聯鎖，PLC程序中的安全互鎖，外部張貼安全標識。

4? 結語

該渦輪殼檢查機器人上下料系統由1臺機器人完成對3臺工序設備的上下料，機器人手爪設計為雙手爪，在機器人每次運動周期中能一次完成對機床的下料和上料，這樣就節省了機器人運行時間，滿足生產節拍及產能要求。改產線的投入實際核算后，共節省了2名人工。此項目已經在企業運行約3個月，共完成84000余件工件殼體的檢查，機器人上下料系統穩定，總體達到預期目標。

參考文獻：

[1]劉楚輝，姚寶國，柯映林.工業機器人切削加工離線編程研究[J].浙江大學學報，2010，25（3）：15-16.

[2]王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J].機械工程學報，2014，050（009）：1-13.

[3]薛占璞.機械手臂關節結構設計[J].內燃機與配件，2019（21）：258-259.