電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龍 波 胡俊生

(太倉(cāng)光電技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215400)

1項(xiàng)目背景

1.1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)

電控離合器，簡(jiǎn)稱ACS(Automatic Clutch System)，作為汽車(chē)的重要功能部件，它的可靠性和穩(wěn)定性直接影響著汽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量[1]。

國(guó)外對(duì)汽車(chē)相關(guān)部件的研究開(kāi)發(fā)比較早，其生產(chǎn)商全部采用具有現(xiàn)代化的裝配和測(cè)控手段、質(zhì)量監(jiān)控功能的系統(tǒng)和生產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，裝配質(zhì)量可做到具有可追溯和跟蹤性。國(guó)內(nèi)離合器生產(chǎn)企業(yè)缺少研發(fā)實(shí)力與經(jīng)費(fèi)，針對(duì)電控離合器的加工裝配工業(yè)復(fù)雜多變的特點(diǎn)和難點(diǎn)，成套裝配應(yīng)用方面還存在技術(shù)瓶頸攻克更需要實(shí)際的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行迭代優(yōu)化[2]。要想實(shí)現(xiàn)電控離合器實(shí)時(shí)過(guò)程中性能檢測(cè)，必須要克服零件生產(chǎn)和裝配生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)控，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的工業(yè)4.0自動(dòng)化生產(chǎn)線，做到超越人力手動(dòng)或半自動(dòng)生產(chǎn)的優(yōu)品率，大大提升電控離合器的生產(chǎn)合格率。因此，研發(fā)一款適合我國(guó)國(guó)情的全新柔性化自動(dòng)離合器生產(chǎn)線，也是國(guó)內(nèi)汽車(chē)零部件生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際發(fā)展的需要。

1.2項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的目的、意義及市場(chǎng)前景

本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)的“電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線”能滿足離合器的各種零部件精密裝配需要，應(yīng)用了傳感檢測(cè)技術(shù)、RFID技術(shù)、在線精密測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)泄漏檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了在線控制和跟蹤，做到分步裝配，分步檢測(cè)，其采用有效的人機(jī)組合，最充分地體現(xiàn)出設(shè)備的靈活性，通過(guò)將倍速鏈動(dòng)態(tài)夾具輸送系統(tǒng)、隨性可切換夾具、單站工藝控制節(jié)點(diǎn)、可切換人工位工藝等提煉、優(yōu)化、組合，從而實(shí)現(xiàn)多型號(hào)對(duì)應(yīng)多套工藝配方的電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線的快速可切換裝配要求，確保了產(chǎn)品裝配質(zhì)量并具有數(shù)據(jù)追溯性。

2項(xiàng)目概要

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研考察和對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的研究分析[3]，重點(diǎn)研究了基于機(jī)器人裝配檢測(cè)技術(shù)的汽車(chē)電控離合器裝配生產(chǎn)線工藝流程及各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的功能需求。研發(fā)設(shè)計(jì)的“電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線”融合和集成了先機(jī)的機(jī)器人裝配技術(shù)、工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)、在線測(cè)控技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和柔性化裝配新工藝，實(shí)現(xiàn)了離合器裝配時(shí)功能部件和總裝的實(shí)時(shí)在線100%檢測(cè)、質(zhì)量控制跟蹤以及過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控，保證了離合器裝配質(zhì)量，更好地滿足大批量生產(chǎn)。

通過(guò)本項(xiàng)目的研發(fā)設(shè)計(jì)及成果實(shí)施，擴(kuò)大了公司的產(chǎn)能，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。預(yù)計(jì)2020年銷(xiāo)售額可達(dá)1140萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)利稅273萬(wàn)元。本項(xiàng)目設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、經(jīng)濟(jì)可靠、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了離合器裝配時(shí)功能部件和總裝的實(shí)時(shí)在線100%檢測(cè)、質(zhì)量控制跟蹤以及過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控，保證了離合器裝配質(zhì)量，更好地滿足大批量訂單生產(chǎn)。

3項(xiàng)目需求

“電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線”項(xiàng)目主線體單站之間的裝配傳送采用2.5倍速鏈結(jié)構(gòu)，支架采用鋁合金鋼結(jié)構(gòu)，傳送設(shè)計(jì)線速度為16 m/min。輔線體采用人工傳遞方式進(jìn)行裝配，每一工位將采用人工操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，工位設(shè)有監(jiān)控與記錄功能配合主線工作。主線體單站每個(gè)單個(gè)托盤(pán)的載重量小于35 kg(包含托盤(pán)自身重量)，托盤(pán)裝有隨行工裝與夾具。每工位都設(shè)計(jì)有RFID信息讀寫(xiě)頭。當(dāng)托盤(pán)進(jìn)入工位后，阻擋器將托盤(pán)自動(dòng)擋停，設(shè)備自動(dòng)完成裝配動(dòng)作(或操作者將按照工藝要求進(jìn)行裝配)，完畢后，讀寫(xiě)頭將此站工藝參數(shù)發(fā)送至隨行托盤(pán)的儲(chǔ)存卡內(nèi)，設(shè)備激活放行開(kāi)關(guān)(或操作者按下放行按鈕)將托盤(pán)釋放到下一工位。軟件模塊共分為12個(gè)模塊：倍速鏈系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)、單站控制系統(tǒng)、工藝路線系統(tǒng)、異常處理系統(tǒng)、單站人機(jī)交互系統(tǒng)、總站人機(jī)交互系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)接口系統(tǒng)、質(zhì)量追溯系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、設(shè)備看板系統(tǒng)、網(wǎng)頁(yè)看板展示系統(tǒng)。

主線體設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍：45 s每件，換型時(shí)間：45 min(需2～3人協(xié)調(diào)完成)。

設(shè)計(jì)產(chǎn)量：?jiǎn)涡r(shí)計(jì)算產(chǎn)能80，設(shè)備移動(dòng)率80%，實(shí)際單小時(shí)產(chǎn)能64件。

整條生產(chǎn)線采用西門(mén)子全新一代PLC (S7- 1500/1200)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)及底層控制，終端沒(méi)有工控機(jī)將控制與監(jiān)控全線運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫(kù)及人機(jī)交換界面完成。

4項(xiàng)目開(kāi)發(fā)情況

4.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

生產(chǎn)線已經(jīng)從傳統(tǒng)的人工模式，向智能化、電子化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的高科技自動(dòng)化的方向迅猛發(fā)展。綜合應(yīng)用工業(yè)技術(shù)機(jī)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、總線技術(shù)、RFID 數(shù)據(jù)采集技術(shù)、在線快速測(cè)控技術(shù)等技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)一款“電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線”，實(shí)現(xiàn)低成本、柔性化、在線質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控、相關(guān)參數(shù)可儲(chǔ)存可追溯的自動(dòng)化裝配生產(chǎn)，是本項(xiàng)目的最終目標(biāo)。

4.2研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容

(1)電控離合器裝配工藝研究[4-5]。

(2)生產(chǎn)總線布局設(shè)計(jì)的研究，線體結(jié)構(gòu)為主線與輔線結(jié)合裝配，主線共有17 個(gè)工序，輔線9個(gè)工序，主體傳送裝配采用2. 5倍速鏈結(jié)構(gòu)，支架采用鋁合金鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)線速度為12 m/min，每個(gè)托盤(pán)的載重量小于18 kg，托盤(pán)裝有隨行工裝夾具。全線每工位都設(shè)計(jì)有阻擋器，當(dāng)托盤(pán)進(jìn)入工位后，阻擋器將托盤(pán)自動(dòng)擋停，操作者將按照工藝進(jìn)行裝配，或自動(dòng)裝配，完畢后操作者將按下放行開(kāi)關(guān)將托盤(pán)釋放到下一工位，或自動(dòng)放行，電器全線采用西門(mén)子PLC控制，終端設(shè)有工控機(jī)將控制與監(jiān)控全線運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)線設(shè)計(jì)考慮4個(gè)系列產(chǎn)品裝配。輔線采用人工傳遞方式進(jìn)行裝配，每一工位將采用人工操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，工位設(shè)有監(jiān)控與記錄功能配合主線工作。

(3)控制管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，控制管理系統(tǒng)由一臺(tái)數(shù)據(jù)管理監(jiān)控計(jì)算、生產(chǎn)信息電子顯示屏、網(wǎng)絡(luò)通信主PLC、各個(gè)裝配檢測(cè)工作站PLC、激光打印機(jī)系統(tǒng)、RFID識(shí)別、倍速鏈輸送系統(tǒng)、分布式IO和對(duì)應(yīng)執(zhí)行對(duì)象組成。

4.3關(guān)鍵技術(shù)

(1)裝配過(guò)程中壓裝力、位移和速度多因子建模。裝配過(guò)程中壓裝力、壓裝位移的監(jiān)控和壓裝速度的控制是精密裝配的基本要求。(2)裝配變形補(bǔ)償技術(shù)。設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)變形補(bǔ)償功能。(3)傳感器的選擇、使用和傳感器的在線標(biāo)定技術(shù)是保證裝配質(zhì)量的關(guān)鍵。(4)數(shù)據(jù)在線采集與處理技術(shù)。主要涉及PLC控制技術(shù)、分布式信號(hào)采集、數(shù)字化工廠管理軟件對(duì)接RFID射頻等技術(shù)。

5主要生產(chǎn)工藝流程

“電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線”全線共有27 個(gè)工作站，主要工作站包括：自動(dòng)涂膠機(jī)、自動(dòng)壓裝軸承機(jī)、伺服旋鉚機(jī)、換面裝磁極站、自動(dòng)壓鉚信號(hào)環(huán)站、主板殼體雙工位機(jī)、擰緊機(jī)、主板深度檢測(cè)機(jī)、閥片安裝調(diào)試站、影像檢測(cè)機(jī)、裝配檢測(cè)機(jī)、主軸壓鉚機(jī)、從板上料機(jī)械手、自動(dòng)注硅油機(jī)、螺絲預(yù)約擰機(jī)和擰緊機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)與條碼打印機(jī)、下料及總成鉚邊機(jī)。總控制器與各從站控制器以及遠(yuǎn)程信號(hào)采集模塊通過(guò)PN通訊連接，切換產(chǎn)品型號(hào)和工藝配方通過(guò)上位機(jī)統(tǒng)一設(shè)定或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單站上的人機(jī)界面完成設(shè)定，要求每個(gè)工作站生產(chǎn)節(jié)拍均為小于45 s。

6總結(jié)

“電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線”項(xiàng)目完成傳統(tǒng)汽車(chē)企業(yè)電控離合器自動(dòng)化生產(chǎn)線的改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上下料，裝配、過(guò)程工藝質(zhì)量檢驗(yàn)、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)打標(biāo)等工序功能，更好地解決人工檢測(cè)中檢測(cè)效率較低、誤檢率大等問(wèn)題，具有較高的可靠性和實(shí)用性。

客戶驗(yàn)收后認(rèn)定：離合器壓裝的頂升機(jī)構(gòu)采用中間氣缸頂升，兩邊氣缸塞墊塊的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)承受壓力為10 t，位置控制精度為±0.01 mm；離合器從板送料機(jī)構(gòu)采用電磁分離技術(shù)，可有效分離對(duì)疊金屬鐵片；液壓系統(tǒng)采用變量泵，更節(jié)能，噪音更低。各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足客戶的定制需求，性能達(dá)到客戶配套產(chǎn)品的使用要求，提升了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了能源消耗，克服了目前汽車(chē)電控離合器裝配自動(dòng)化設(shè)備的弊端，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線100%檢測(cè)，保證了離合器裝配質(zhì)量，更好地滿足企業(yè)大批量訂單生產(chǎn)，技術(shù)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，經(jīng)濟(jì)效益顯著，市場(chǎng)前景良好。