高端重卡離合器盤總成智能制造及檢測

張勇，楊麗，章翔，陳桂虎

浙江奇碟汽車零部件有限公司 浙江湖州 313113

1 序言

汽車行業(yè)是智能制造主要推廣領(lǐng)域之一。而汽車產(chǎn)業(yè)的上游核心零部件企業(yè)，特別是在重型商用車領(lǐng)域，仍存在智能制造水平低、制造技術(shù)與信息技術(shù)的融合度差等問題。在汽車“新三化”（即電動化、智能化和共享化）背景下，汽車離合器行業(yè)既面臨巨大挑戰(zhàn)，也迎來研發(fā)轉(zhuǎn)型機遇[1]。高端重卡對離合器性能需求已有轉(zhuǎn)變，特別是自動擋變速器應(yīng)用產(chǎn)品，操作系統(tǒng)的電控化不斷加速著智能制造轉(zhuǎn)型進程。離合器產(chǎn)品智能制造及檢測的綜合集成水平提升成為行業(yè)焦點。

2 汽車離合器智能制造策劃

2.1 汽車離合器簡介

汽車離合器是底盤傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，最早出現(xiàn)于19世紀20年代。離合器總成主要由主動部件（離合器蓋總成）和從動部件（離合器盤總成）組成，圖1為典型的拉式離合器總成。離合器安裝于發(fā)動機與變速器之間，完成動力輸送，并在換擋及駐停時進行動力切斷，從而起到平穩(wěn)起步、動力傳輸、平順換擋及過載保護等作用。

圖1 拉式離合器總成

離合器行業(yè)發(fā)展受能源革命的影響，傳統(tǒng)的干摩擦式離合器已經(jīng)受到?jīng)_擊。尤其在乘用車領(lǐng)域，汽車電動化、新能源的推進基本終結(jié)了傳統(tǒng)離合器的應(yīng)用。而在商用車領(lǐng)域，干摩擦式離合器雖仍被廣泛使用，但手動擋變速器（MT）已漸漸被自動擋變速器（AMT）所替代，其控制方式如圖2所示。AMT保留了干摩擦式離合器功能結(jié)構(gòu)，但其控制系統(tǒng)的創(chuàng)新升級，對離合器的穩(wěn)定性、一致性、平順性和使用壽命等提出了更高的要求。

圖2 變速器控制示意

為了滿足這些要求，高端重卡離合器（見圖3）除了在功能結(jié)構(gòu)件上進行提升，還需要在其復(fù)雜繁瑣的裝配工藝和檢測精度上實施創(chuàng)新提升，因此要借助智能化的策劃實施。

圖3 重卡離合器結(jié)構(gòu)示意

相對來講，蓋總成組成零件和工序較少，智能化生產(chǎn)實現(xiàn)也較容易。盤總成因零部件較多，特別是彈性元件、回轉(zhuǎn)元件、阻尼元件和怠速元件等零件覆蓋數(shù)量多，所以裝配工藝較繁瑣[2]。本文以離合器盤總成生產(chǎn)線為例，介紹智能化解決方案。

2.2 盤總成智能制造策劃

根據(jù)裝配流程和質(zhì)量控制要求，對智能作業(yè)進行整體策劃。整條輸送線呈長條型布局設(shè)計（見圖4），各工序島采取線下獨立作業(yè)的方式，輸送線設(shè)立止推機構(gòu)對載料盤進行限位固定和放行輸送。裝配和檢測獨立分段，兩段之間設(shè)置緩存上料區(qū)柔性銜接，各自可單獨作業(yè)，方便機動靈活的前后段維修和維護[3]。

圖4 整線布局策劃

裝配各工作站設(shè)置第一PLC控制器，檢測各質(zhì)檢站設(shè)置第二PLC控制器，兩PLC通過以太網(wǎng)與主控制系統(tǒng)連接。裝配各工位采用機械手或工業(yè)機器人抓取，檢測各工序由1臺工業(yè)機器人抓取產(chǎn)品，完成所有性能檢測后，再送回輸送線完成激光打碼，轉(zhuǎn)入包裝工序。同時，設(shè)置與各檢測特性相對應(yīng)的輸送輥道，分類處理不合格品。全線共設(shè)15個工位，自動裝配及檢測工位10個，人機協(xié)作裝配及核查工位1個，輔助工位3個，緩存區(qū)1個。全線占地面積440m2，作業(yè)區(qū)域采用鐵柵網(wǎng)和亞克力板隔離防護。整體智能制造工作區(qū)如圖5所示。

圖5 智能制造工作區(qū)

3 盤總成智能制造實施

根據(jù)布局策劃，針對盤總成自動化生產(chǎn)線進行相關(guān)研發(fā)設(shè)計并制造，落地實施。

3.1 智能制造裝配

（1）減振器鉚接 采用機械桁架在自動儲料機構(gòu)（見圖6）依序逐一抓取零件，抓料機械手依次銜接拿取零部件至作業(yè)工序島內(nèi)，采用雙工位裝配以符合節(jié)拍要求。鉚釘振動盤將鉚釘按規(guī)定方向排序至中間過渡位。CCD相機將目標鉚釘?shù)膱D像信號傳送給處理系統(tǒng)，精確鉚釘?shù)拈L度、位置和面積特征。抓料機械手準確抓取合格鉚釘穿入鉚接孔內(nèi)，壓鉚機完成兩工裝交替送入的部件鉚接裝配。減振器鉚接工序島局部如圖7所示。

圖6 自動儲料機構(gòu)

圖7 減振器鉚接工序島局部

因墩粗位置位于部件上方，鉚接后工件與后續(xù)實際裝配位置正好相反，故采用叉取翻轉(zhuǎn)機構(gòu)（見圖8）將部件叉取后進行180°翻轉(zhuǎn)，以便銜接輸送后道工序。

圖8 叉取翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

（2）阻尼元件裝配 阻尼元件厚度薄、質(zhì)量輕，易發(fā)生掉落以及抓取粘連問題，且阻尼片裝入時有周向定位要求，對端拾器要求較高。為防止拿多放多、抓取掉落等情況發(fā)生，采用軟質(zhì)氣吸結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制吸力穩(wěn)定，保證抓取可靠性。在供料機構(gòu)上采用過渡工裝實施周向定位模擬，保證抓料手抓取后放入減振器部件的準確度。抓料機械手順利完成抓件，并準確裝配放置于減振器部裝中。阻尼裝配局部及抓料機械手如圖9所示。

圖9 阻尼裝配局部及抓料機械手

（3）彈簧分組裝配 彈簧裝配質(zhì)量直接決定總成扭轉(zhuǎn)特性的穩(wěn)定性和一致性。對彈簧實施分組工藝，完成減振彈簧壓并高度的篩選至關(guān)重要。方案實施時發(fā)現(xiàn)，若彈簧不按特定的排序放置，會導(dǎo)致分擋彈簧數(shù)量不可計，且抓取彈簧時的順序問題，致使動作節(jié)拍變慢。為解決這個問題，設(shè)置裝配滾動通道（見圖10），對彈簧先進行自由長度分擋，裝入設(shè)有存放槽的彈簧放置板，再將放滿彈簧的存放板疊加于滾動通道，裝配時存放板移動至裝配位，裝完后存放板依次進行交換，有效提高了選取速度。

彈簧篩選機構(gòu)鄰設(shè)于滾動通道前端，夾取機構(gòu)將彈簧轉(zhuǎn)移輸出，對壓并高度進行測量，按設(shè)定長度范圍值放入指定的分組滾道（見圖11）。裝配時保證在同一滾道內(nèi)抓取規(guī)定數(shù)量的彈簧裝入減振器窗口，解決了彈簧裝配后壓縮長度差值大于裝配公差的技術(shù)難題。特別是對于彈簧并圈產(chǎn)生極限力矩?zé)o限位設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可有效延長彈簧使用壽命。

圖11 篩選機構(gòu)分組滾道

（4）怠速部裝 怠速減振裝配是整條自動化生產(chǎn)線的設(shè)計難點，怠速蓋板形狀復(fù)雜，怠速彈簧線徑較細，且涉及零件多，需要精細化動作。工序島設(shè)計符合人機工程，方案實施采用人工輔助裝配，人工輔位不變動并與機器作業(yè)區(qū)隔離不干涉。由1名專職人員負責(zé)怠速彈簧與蓋板的裝配，同時核實、檢查前面所有工序裝配的組件，無誤后拍下綠色“Pass”鍵，載物盤與裝配件步進后道工序。怠速組件的鉚壓以及中間過程、鉚壓后的抓取工作均自動化完成，鉚壓采用三工位圓周旋轉(zhuǎn)交替作業(yè)，如圖12所示。

圖12 怠速部裝鉚壓

3.2 緩存上料區(qū)

為實現(xiàn)裝配和檢測的柔性運作，兩段之間設(shè)置緩存上料區(qū)（見圖13）。當(dāng)檢測段不能正常運轉(zhuǎn)或需要維護時，裝配完成產(chǎn)品可在此區(qū)域緩存。同樣，當(dāng)裝配段不能正常運轉(zhuǎn)或需要維護時，產(chǎn)品可在此區(qū)域上料，平衡前后段的生產(chǎn)節(jié)拍和銜接。緩存上料區(qū)也可作為多規(guī)格產(chǎn)品的上料工位，不同規(guī)格的產(chǎn)品在此區(qū)域完成上料后，進行全自動化檢測，實現(xiàn)自動檢測的通用化作業(yè)。

圖13 緩存上料區(qū)

3.3 智能檢測

離合器檢測設(shè)備基本都是人工上料后進行自動檢測。因此，自動化檢測的實施主要是利用工業(yè)機器人完成產(chǎn)品上料和抓取周轉(zhuǎn)，各檢測設(shè)備自動感應(yīng)啟停作業(yè)，同時將所有檢測界面由OP顯示器實時同步傳遞，便于可視化管理，如圖14所示。此部分主要實施重點為送取料裝置、不合格處置和質(zhì)量系統(tǒng)追溯等方面。

圖14 自動化檢測區(qū)

（1）送取料裝置 為解決盤總成搬運定位和效率的技術(shù)問題，采用雙頭抓取裝置（見圖15）。抓取機構(gòu)設(shè)置A、B兩組，利用定位與夾緊組件配合實現(xiàn)對產(chǎn)品的抓取搬運，對總成盤轂進行插合定位，同時對總成圓周邊沿夾緊抓取，定位準確的同時注重了對產(chǎn)品的防護。四自由度機械手利用雙頭抓取，通過點位、軌跡控制和伺服三級結(jié)構(gòu)控制實現(xiàn)多個工位共同使用。并且兩組抓取機構(gòu)工作時，A抓手持未作業(yè)產(chǎn)品進入工序，B抓手抓取完成工序產(chǎn)品，然后A抓手180°旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)品放入工序，B抓手持完成工序產(chǎn)品進入下一道工序，以此類推，極大地縮短了機械手的抓取軌跡，提高了生產(chǎn)節(jié)拍和效率[4]。

圖15 雙頭抓取裝置

（2）不合格處置 針對檢測不合格品，設(shè)置上下平行的兩組輸送線。根據(jù)檢測性能進行分類，即同一性能檢測不合格的產(chǎn)品放入同一條不合格輸送線。不合格品出現(xiàn)時，機械手會將其放入相對應(yīng)的輥道流出，并觸發(fā)相應(yīng)的計數(shù)器，每步進一個工位計數(shù)器減1，直到輸送線布滿報警，對不合格品進行離線處理后恢復(fù)，完成不同特性不合格品的區(qū)分和離線處理。

（3）質(zhì)量追溯系統(tǒng) 產(chǎn)品的質(zhì)量追溯至關(guān)重要，尤其是對于產(chǎn)品的全生命周期管理。該生產(chǎn)線利用RFID電子標簽為每個產(chǎn)品和載物盤賦碼，完成整個在線追溯。RFID讀、寫器自動讀寫數(shù)據(jù)，完成采集、收集和儲存[5，6]。OP顯示器顯示所有過程的實時數(shù)據(jù)、實時報告和檢測記錄。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對各個工序進行不合格統(tǒng)計，并可根據(jù)在生產(chǎn)時設(shè)定的“批次號+流水號”查找到歷史檢測數(shù)據(jù)，也可調(diào)出追溯產(chǎn)品的曲線圖，同時顯示產(chǎn)品的零部件供應(yīng)商，實現(xiàn)正向和反向追溯，方便查找質(zhì)量問題點。質(zhì)量追溯系統(tǒng)界面如圖16所示。

圖16 質(zhì)量追溯系統(tǒng)界面

4 實施效果

4.1 創(chuàng)新性評價

該盤總成智能生產(chǎn)檢測線注重在實際使用中創(chuàng)新，策劃并實施了分段組線、獨立作業(yè)工序島及柔性銜接等創(chuàng)新設(shè)計，同時采用了成像檢測、過渡工裝、分組工藝、彈簧篩選和送取料雙頭抓取等創(chuàng)新工藝，并建立了不合格輥道區(qū)分和RFID質(zhì)量追溯系統(tǒng)，達到了項目預(yù)期效果。

4.2 效果評價

本生產(chǎn)線正常投產(chǎn)后，生產(chǎn)節(jié)拍60s/件，產(chǎn)能13.7萬套/年，設(shè)備開動率89%，年節(jié)省人工成本費用近100萬元，產(chǎn)品一次下線合格率提升2%，較大程度實現(xiàn)了“智能制造+強化質(zhì)量+全生命周期追溯”的目的。

4.3 不足及改進

該智能制造生產(chǎn)線仍有許多改進空間，比如，未來可將智能制造系統(tǒng)與MES、PLM等系統(tǒng)結(jié)合，從而實現(xiàn)信息共享、協(xié)同制造和協(xié)同管理。

5 結(jié)束語

智能制造的發(fā)展是一個長期推進的過程，本文基于高端重卡離合器盤總成智能制造裝配及檢測策劃實施，解決了一些存在的技術(shù)問題，節(jié)省了人工成本，降低了裝配錯誤率，提高了裝配效率。項目得到了整車廠客戶的高度評價，也希望能給行業(yè)內(nèi)離合器生產(chǎn)制造廠商帶來幫助和參考。