摩托車儀表機芯自動裝配中心研發*

曹先雷，胡習之

（1.廣州維思車用部件有限公司，廣州 510460；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641）

0 引言

摩托車儀表機芯是摩托車的重要部件，其在裝配過程中出現人工多、勞動強度大、生產效率低下、易出現不良品、成本高等問題。在制造業競爭日益激烈的今天，原生產方式已逐漸失去市場競爭力。

根據中國制造2025[1]綱領要求，推進摩托車儀表機芯的智能制造成為企業的重點研發任務。智能制造是循序漸進地推進的；現階段，先實現機芯的自動裝配，其需要解決零部件的自動上料、定向、抓取放置、各工步間物料輸送、裝配、下料及檢測等問題。近年來，自動化技術與智能制造技術已成為行業研究熱點。張敏等[2]通過振動盤實現了零部件的自動上料，提高了生產效率。張麗麗等[3]設計了多指柔性夾持器，其設計思想先進，但是其定位精度易受手指氣腔變形及氣壓變化的影響。文清平[4]采用1臺七軸工業機器人進行汽車端蓋多工位的上下料，結合CNC 機床、打磨工作站及上、下料輸送線實現了全自動化加工。郝張紅等[5]通過人工上料，由機器人進行搬運及打磨，配合下料輸送線實現了三缸曲軸的精確、高效打磨。姜洪旗等[6]通過視覺系統識別剪力釘與瓷環的形狀與位置，適宜于多規格物料的識別，配合機器人實現自動上料，組裝及焊接，生產柔性強，但是成本高。

盡管國內目前針對機芯自動裝配的研究鮮有報道，但是產品自動裝配技術具有共性特征，綜上研究成果特點，基于機芯生產綱領、產品結構與裝配工藝，經過分析評估，決定應用價值工程[7-8]設計方法研發一臺機芯自動裝配中心，以破解企業制造難題。該機芯市場需求量大，生產節拍要求快，其設計的難點在于如何達到其生產節拍要求，如何使用可靠又經濟的方案實現下支架定向、下支架傳輸及定位、鋼球漏裝及多裝檢測、中軸組件定位及上支架壓裝。該機芯自動裝配中心對減少人工、減輕勞動強度、提高生產效率及產品質量、降低生產成本具有重要意義。

1 設計思想

以價值工程設計方法為主線展開設計，設計的目標是在滿足功能要求的前提下，使用最低成本提高設備創造的價值。即：

式中：V為設備的價值（實用價值）；F為設備具有的功能；C為實現該功能所需要的成本。

通過對價值工程的綜合分析評估，采用人機工程學[9-10]研究方法進行人、機分工協作，應用電氣傳動技術以實現生產效益最大化目標。

2 方案設計

2.1 裝配工藝分析

（1）生產綱領

一種摩托車儀表機芯，其產品結構已經標準化，實現了大批量生產，年市場需求量約為76萬件。根據生產計劃安排，其每天按6.5 h計算生產計劃量約為2 203件，生產節拍需小于10.6 s∕件。

（2）機芯結構分析

該機芯尺寸小，長29.5 mm，寬29.5 mm，高30 mm，其結構如圖1～2所示。下支架與上支架為過盈配合，人工不易裝配；其材質為PA6+30GF%。鋼球、中軸組件及小磁粒與下支架均為間隙配合。鋼球直徑為φ1 mm。中軸組件與小磁粒均有南、北極。由于中軸組件磁塊下表面與下支架上表面存在一定間隙，造成中軸組件裝配后徑向傾斜5°。

圖1 機芯分解

圖2 機芯總成

（3）原人工裝配工藝

原人工裝配分為兩個工序，由兩人作業，生產節拍為13 s∕件，產品合格率為99.8%。由于人工壓裝上支架勞動強度大，鋼球容易漏裝，且生產效率低、成本高，因此，期望通過自動化裝配技術解決上述問題。

2.2 裝備設計方案

（1）方案一

設備方案一布局簡圖如圖3所示，各執行機構以轉盤為中心呈圓周分布，由10個工位組成。

圖3 方案一布局

由于下支架4 個角的外形尺寸相同，使振動盤不能對下支架定向，下支架其中1 個角的內孔尺寸不同，因此采用機器視覺系統識別下支架方向。工業相機安裝在機器人上，由機器人抓取上料。由轉盤進行各工步間的零部件輸送。由電氣執行裝置裝配鋼球、刻印字碼、注油、裝配中軸組件與上支架。由機器人裝配小磁粒、下料及裝箱。小磁粒自動裝配風險分析：小磁粒體積小，且每個小磁粒N、S極相互吸引在一起，不適宜振動盤上料、也不適宜機械手夾取及真空吸盤吸附[11]等抓取方式。同時，N、S極的方向易裝配錯誤，可靠性差。

（2）方案二

通過對裝配誤差[12]進行分析得出：機芯零部件裝配位置偏差小于或等于±0.2 mm，角度偏差小于或等于±1°，可滿足裝配精度要求。由于小磁粒不易實現自動裝配，考慮采用人工裝配小磁粒。采用人機工程學研究方法將該工序分為3 個工步，前、后工步主要由機器完成，中工步及裝箱由人工完成。前、后工步執行機構采用一字形[13]布局方案從左向右集成在一起，其方案二布局如圖4所示，由10 個工位組成。由于機器完成從上料到成品下料1 個工序任務的時間為10 s。因此，機器與人工節拍均定義為10 s，人機分工定義：由人工定時向振動盤添加上、下支架物料，裝配中軸組件、小磁粒與裝箱；其他均由機器自動完成。采用PLC[14-16]進行自動化控制。

圖4 方案二布局

方案一成本約26萬元，方案二成本約14萬元。方案一增加了機器視覺系統、機器人及凸輪分度器，成本較高；且采用機器人裝配小磁粒質量風險大。方案二采用電氣傳動技術結合人機協作實現功能，成本較低。根據價值工程設計方法要求，考慮功能、結構、成本、可靠性、生產節拍、效益及風險等因素，選擇方案二更附合企業生產需求。

3 機械設計

3.1 總體結構

機芯自動裝配中心如圖5所示。其前側為人工操作側，后側為機器工作側，以實現人機高效協作。

圖5 機芯自動裝配中心總成

3.2 關鍵部件

3.2.1 前工步自動裝配機構

前工步自動裝配機構如圖6所示，主要完成下支架上料、鋼球裝配、字碼刻印、注阻尼油及下料任務。其通過微型對射光纖傳感器檢測鋼球數量。

圖6 前工步自動裝配機構

（1）下支架定向機構

下支架定向機構如圖7所示，用于判定下支架的方向并定向。由于下支架的4 個角為3 個通孔和1 個臺階孔，4 個孔圓周方向均勻分布，可以通過檢測臺階孔的位置來判定方向。因此，在正確方向下支架的3 個通孔內各設置1 個彈性定位銷，每個彈性定位銷的下方側面安裝1 個接近開關。工作時，YZZ氣動機械手將下支架放置于定向機構上，使3 個彈性定位銷分別插入下支架的3 個通孔，通過光纖傳感器檢測下支架有無。當下支架方向不正確時，臺階孔會將其下方的彈性定位銷壓縮下移，接近開關感應到彈性定位銷，輸出開關量1，從而判定方向，再通過步進電機將下支架旋轉至正確方向。反之，彈性定位銷保持原位，接近開關輸出開關量0。

圖7 下支架定向機構

（2）XZ氣動垂直循環輸送機構

XZ氣動垂直循環輸送機構如圖8所示，用于各工步間物料的輸送，其輸送定位精度小于或等于±0.1 mm。每個下支架通過2 個定位銷定位。豎直氣缸上移，推動每組定位銷分別插入下支架的2 個通孔，各執行機構Z 軸上移，滑臺氣缸縮回，下支架向右輸送1 個步距。各工步執行機構Z軸下移，豎直氣缸縮回，滑臺氣缸伸出，機構回原點。

圖8 XZ氣動垂直循環輸送機構

3.2.2 后工步自動裝配機構

后工步自動裝配機構如圖9所示，主要完成上支架上料、預裝配、壓裝與鋼球檢測及下料任務。

圖9 后工步自動裝配機構

推料氣缸每次推送1 個物料。由光纖傳感器檢測中軸組件有無，由激光傳感器檢測小磁粒有無。YZ氣動機械手Z軸的氣缸1與氣缸2為串聯聯接。通過氣缸壓裝上支架，通過接近開關檢測上支架是否壓裝到位，同時由位移傳感器[17]檢測鋼球數量。

其中，中軸組件定位裝置如圖10所示，用于定位中軸組件，使其豎直。定位板1、2 上設計了V 形定位，當寬型氣爪閉合時，定位板1、2 水平相向移動，由V 形定位導正傾斜的中軸組件。

圖10 中軸組件定位裝置

4 系統主要工作流程

（1）前工步：下支架上料與定向→下支架橫移→鋼球裝配→字碼刻印→注油→下料。

（2）中工步：人工裝配中軸組件與小磁粒并放入后工步橫移軌道內。

（3）后工步：推料至預裝配位→下支架組件定位夾緊→氣爪閉合，中軸組件校準定位→上支架上料，并由YZ 氣動機械手取料→Z軸氣缸1 下移使中軸插入上支架中孔→氣爪打開→Z軸氣缸2下移預裝上支架→下支架組件橫移→上支架壓裝與鋼球檢測→下料→合格品人工裝箱，不良品報廢。

5 實驗及結果分析

根據上述設計，制造完成了1臺機芯自動裝配中心，進行了相關實驗，達到了設計要求。經生產驗證統計，生產69 000 件機芯，由機器檢測結合人工確認方法剔除不良品。其裝配工藝優化前后對比數據如表1所示。原人工裝配工藝為2人6.5 h產能1 800件；現自動裝配工藝為1人6.5 h產能2 600件；現工藝人均生產效率比之前提高188.9%。

表1 裝配工藝優化前后對比

實驗結果具體如下。

（1）機芯零件尺寸一致性公差在±0.2 mm 以內，可滿足自動化裝配精度要求。當產品尺寸不良時會造成卡料等設備故障。

（2）由機器自動完成下支架上料、鋼球裝配、字碼刻印、注油、上支架上料與裝配及各工步間物料的自動輸送，機器節拍9 s；由人工裝配中軸組件、小磁粒與裝箱，人工平均節拍9 s。人機協作達到平衡，生產效益達到了最大化。

（3）通過微型對射光纖傳感器能檢測鋼球是否裝配。通過位移傳感器檢測中軸組件的裝配高度可再次確認鋼球有無漏裝與多裝，增強了可靠性。

（4）人機協作判定，產品合格率為100%。

6 結束語

本文提出基于價值工程設計方法研發了摩托車儀表機芯自動裝配中心，運用人機協作思想通過電氣傳動技術結合傳感器檢測實現自動裝配，結構簡單可靠，避免了復雜的機器結構與較高的開發成本，為少品種大批量生產設備開發、企業逐步實現智能制造提供了新思路，具有重要參考意義。通過以上設計分析與實驗，作出以下總結。

（1）根據下支架孔深的差異，采用3 個接近開關分別識別3 個彈性定位銷的位置，以判定下支架的方向，再通過步進電機旋轉對下支架進行定向。

（2）采用XZ氣動垂直循環輸送機構可進行各工步間下支架的自動輸送，其結構空間緊湊、定位精度可達到±0.1 mm。

（3）由PLC 與傳感器進行系統監測，提高了設備可靠性，實現了單機智能化。

（4）該自動裝配中心能實現人工數量從2人減少至1人、產品合格率由99.8%提高到100%的目標，生產效率提高188.9%。

（5）價值工程設計方法是多影響因子系統優選分析的理想工具。優選方案二比方案一降低成本12萬元，體現了技術經濟學的競爭優勢。

今后，將繼續對小磁粒的自動裝配難點進行研究，以實現摩托車儀表機芯的全自動裝配，并進一步提高其制造智能化水平。