陳典漢 廖偉 陳明全

摘要：汽車總裝車間受限于裝配要素和裝配零件種類過多、規(guī)格差異大及人工作業(yè)為主體因素，開展全流程自動化工藝改造難度大。針對以上問題，闡述了一種車身端支承全流程自動擰緊工藝，通過可編程邏輯控制器（PLC）控制、生產管理系統(tǒng)（PMS）、視覺識別多種軟硬件聯(lián)動輔助，結合現(xiàn)場實際情況開發(fā)一套螺栓擰緊套筒自動切換裝置，實現(xiàn)多車型、多規(guī)格共線生產模式下支承的自動擰緊工藝，并確保100%達成品質。

關鍵詞：總裝車間自動化工藝 視覺引導 套筒自動切換

中圖分類號：U466? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220359

Abstract： It is difficult to carry out the whole process automation process transformation due to many factors， such as too many assembly elements， too many types of assembly parts， large specification differences and manual operations. To address the above issues， this paper elaborates a whole process automatic tightening process for the body-end support. With Programmable Logic Controller （PLC）， PMS （Power production Management System）， visual recognition and other software and hardware linkage， and in combination with the actual situation on the site， a set of automatic switching device for bolt tightening sleeves is developed， which realizes automatic tightening of the support under the mode of multiple vehicle models with multiple specifications produced on the same line and ensures that 100% of the quality is achieved.

Key words： Assembly workshop process automation technology， Visual guidance， Sleeve automatic switching

作者簡介：陳典漢（1974—），男，工程師，學士學位，研究方向為汽車產品規(guī)劃、汽車新產品量產前生產工藝準備、研究與應用。

參考文獻引用格式：

陳典漢， 廖偉， 陳明全. 汽車總裝車間車身端發(fā)動機的支承擰緊自動化工藝研究和應用[J]. 汽車工藝與材料， 2023（5）： 25-30.

CHEN D H， LIAO W， CHEN M Q. Research and Application on the Automatic Tightening Process for Engine Support at Body End in the Automobile Assembly Workshop[J]. Automobile Technology & Material， 2023（5）： 25-30.

1 前言

汽車總裝車間工藝主要是按圖紙要求完成汽車零部件組裝，特點是零部件種類多，涵蓋安裝、緊固、扭力、粘貼等80多種動作要素[1]，自動化程度低，是以人工裝配為主的流水線作業(yè)。

為在競爭不斷激烈化的市場搶占先機，主機廠紛紛致力于新車型研發(fā)，多規(guī)格共線生產常態(tài)化，隨著新技術、新工藝、新裝備的引進，生產現(xiàn)場在現(xiàn)有硬件條件下，逐漸暴露出設備老舊無法適用、有效工位不足、規(guī)格多難識別、員工職業(yè)傷害增加的困擾事項。如何既解決現(xiàn)場困擾事項，又確保新車型順利投產，削減勞務成本，是目前汽車行業(yè)內總裝車間面臨的共同課題。本項目以發(fā)動機支承擰緊工藝為切入點，采用機器人取代人工作業(yè)，結合集約布局規(guī)劃完成生產現(xiàn)場改造，實現(xiàn)改善作業(yè)環(huán)境及成本削減的雙贏局面。

2 發(fā)動機支承安裝技術現(xiàn)狀

2.1 發(fā)動機支承作用

車身端發(fā)動機支承[2]分為左支承和右支承，分別連接和固定發(fā)動機的左右兩側，是搭載發(fā)動機與車身的重要連接部品，安裝精度、品質要求高，安裝不良會影響整車動平衡，引起發(fā)動機異常抖動，發(fā)動機左右支承如圖1所示。

2.2 發(fā)動機支承擰緊工藝設定

發(fā)動機端支承擰緊工藝主要有2種，一是風動扳手緊固+扭力扳手扭力檢查，二是高精度電動工具擰緊，如表1所示。

以某汽車公司為例，生產節(jié)拍為72 JPH，發(fā)動機支承安裝是重要品質管理項目，工藝設定采用人+人保證，確保品質穩(wěn)定。以左支承為例，員工1將左支承安裝到車身，采用風動扳手將支承螺栓緊固到車身，員工2對左支承安裝狀態(tài)進行檢查，并用設定扭矩值的定扭力扳手進行扭力檢查，作業(yè)完成后在螺帽上點紅油標記（圖2）。員工作業(yè)工時約65 s，單班需由2名員工作業(yè)，人員效率較低。

2.3 發(fā)動機支承擰緊工序職業(yè)傷害

根據人機工程學（Ergonomics），評價基準分為姿勢、體力、工作環(huán)境和心理負荷4個評價項目，并設定不同的評價標準，傷害級別分為A、B、C級，其中A級最高，B級次之，C級最低。

車身端發(fā)動機支承緊固時，不同車型的扭矩標準不同，以某車型為例，圖紙要求的扭矩是80 N·m，員工1采用風動扳手（脈沖式）進行緊固，崗位噪音為86.3 dB（A），環(huán)境噪音職業(yè)傷害達到了A級，亟需改善。

3 發(fā)動機支承自動化擰緊工藝難點

車身端支承安裝存在崗位噪音職業(yè)傷害及人員效率低的情況，結合行業(yè)自動化水平的提升及某公司自動化項目推進經驗，提出改善方案，即在現(xiàn)有硬件條件下進行靜止車位改造，采用攜帶高精度電動工具的視覺機器人，實現(xiàn)全流程自動擰緊替代員工作業(yè)，提高人員效率，降低崗位噪音職業(yè)傷害。受限于生產硬件，項目主要存在以下主要困擾。

3.1 主線工位不足

某公司總裝車間廠房建成至今超過20年，輸送線主要為懸掛輸送鏈，近年來，隨著投產車型裝備不斷豐富，主線工位不足，工位負荷逐年增加，已成為制約其面向未來發(fā)展的重大難題。

受輸送線結構影響，發(fā)動機支承自動擰緊時要求車身處于靜止狀態(tài)，為確保裝配品質及稼動穩(wěn)定，需要對同步懸掛鏈進行改造，傳統(tǒng)方案需占用2.5個有效工位，該方式導致總裝車間有效工位數(shù)進一步減少，崗位密度增加，生產柔性降低。因此，解決主線工位不足成為了主要難點。

3.2 發(fā)動機支承規(guī)格識別難

總裝車間特點是多車型混線生產，不同車型的發(fā)動機支承外觀造型、顏色、大小、車型標識都存在差異，現(xiàn)場作業(yè)人員主要依靠支承上刻字符標識（圖3）的差異進行規(guī)格區(qū)分。

機器人攜帶視覺系統(tǒng)的高清工業(yè)相機如何在快速生產模式下克服光照環(huán)境、車身顏色影響因素精準識別支承規(guī)格標識成為了另一個技術難題。

3.3 自動擰緊時工具套筒自動認帽難

機器人攜帶電動工具擰緊支承螺栓時，要求工具套筒從上往下垂直或者以固定角度套入螺帽，進而完成擰緊作業(yè)。

機器人自動擰緊過程需避開白車身及相關零件干涉，因此套筒長度至少為300 cm，此時套筒處于懸吊狀態(tài)，移動過程中套筒不可避免發(fā)生晃動，導致工具套筒難以精準套入螺帽。套筒越長，晃動就越大，認帽難度就越大（圖4）。

3.4 車型間多規(guī)格螺栓自動擰緊切換難

總裝車間多車型混線生產，不同車型的發(fā)動機支承安裝圖紙要求力矩不同，螺栓尺寸規(guī)格也不同（表2），因此機器人擰緊工具需配備不同套筒尺寸規(guī)格對應。受擰緊空間干涉影響，一臺機器人作業(yè)時只能攜帶一種型號套筒，導致不同車型間不同尺寸規(guī)格套筒切換時存在困難。

4 發(fā)動機支承自動化擰緊工藝實現(xiàn)方法

4.1 全車型支承安裝工藝設定標準化

根據零件特性和自動化擰緊工藝要求，對全車型的發(fā)動機左右支承安裝工藝進行標準化[3]，主要考慮：工程變化量最小、品質向上；零件包裝及線邊物流周轉合理；員工作業(yè)姿勢改善，勞動負荷最小化；機器人自動化擰緊運行軌跡合理。

基于以上要素，明確左右支承安裝工藝：首先由員工1安裝左右支承到車身，采用小力矩電池槍預緊螺栓（螺帽與支承螺孔表面貼合），確保懸掛鏈吊具運行過程中支承零件穩(wěn)固，接著由機器人攜帶工具自動擰緊支承螺栓（圖5）。

4.2 支承擰緊設備集約

總裝工藝布局規(guī)劃中，各公司均有“集約”的思路，從各類相同零件要素在同一工位安裝的集約；到同一類零件相關聯(lián)工序在同一區(qū)域或相鄰工位作業(yè)的工藝集約，如實現(xiàn)前風窗玻璃上料-脫脂劑涂布-加強劑涂布-玻璃膠涂布-前擋安裝到車身-安裝質檢檢查工藝全流程集約，再到本項目提出的同一工位多類設備布局集約。

在有效工位數(shù)不制約未來發(fā)展的情況下，創(chuàng)新性提出了“六分制”的概念，即將整車分為左/右前、左/右中、左/右后，充分提高工位利用率，將不同作業(yè)要素集中在同一工位進行作業(yè)，實現(xiàn)設備布局的集約化（圖6）[4]。

根據上述原則，對總裝車間現(xiàn)有自動化設備進行梳理和分析，最終選定將泡沫加注和支承擰緊進行集約布局規(guī)劃，充分利用該工位前部剩余空間（圖7），即中部為泡沫加注設備，前部為支承擰緊設備，實現(xiàn)集約化布局，有效工位“0”損耗。

同時將該區(qū)域設定為一個工作區(qū)進行全封閉安全防護，并進行機器人之間運行軌跡安全檢證，設置保護程序（圖8），確保作業(yè)安全。

4.3 視覺拍照自動識別支承規(guī)格

白車身進入自動擰緊工位完成定位，機器人接收指令后攜帶高清攝像頭對支承進行拍照，自動提取支承照片中字符，并與數(shù)據庫規(guī)格信息匹配，實現(xiàn)規(guī)格主動防錯。不同支承顏色采用不同曝光率，提升識別準確率。

4.4 彈簧套筒認帽緩沖保護

白車身進入自動擰緊工位完成定位，機器人接收指令攜帶高清攝像頭對目標螺栓進行拍照定位，系統(tǒng)自動識別XY平面螺栓中心的位置，以此為基準計算偏移量，并將結果發(fā)送至機器人進行視覺引導[5]定位（圖9）。視覺引導定位時，為避免成像時陰影干擾，不同車身顏色設置不同的曝光值[6]。

由于套筒尺寸過長且處于懸吊狀態(tài)，移動過程中不可避免發(fā)生晃動，因此項目設計采用彈簧套筒（圖10），認帽過程中起緩沖保護作用，消除晃動影響，提高認帽成功率。

4.5 多規(guī)格工具套筒自動切換裝置

為實現(xiàn)多規(guī)格自動化共線生產，開發(fā)了一套工具套筒自動切換機構（圖11）。機器人將要更換的套筒放入指定套筒固定座，夾持裝置將其定位固定，套筒切換裝置上升使擰緊工具與套筒松開，套筒分離裝置通過氣缸下降帶動工具與套筒分離。同理，機器人攜帶擰緊工具移動至需要更換的套筒固定座，套筒分離裝置通過氣缸的上升帶動套筒與擰緊工具結合，套筒切換裝置下降使擰緊工具與套筒卡緊，完成套筒自動切換。

4.6 支承全流程自動擰緊工藝設計

發(fā)動機支承全流程自動擰緊工藝[7]主要分為白車身定位固定、自動擰緊程序調用、擰緊品質監(jiān)控3個階段（圖12）。

根據全流程自動擰緊工藝設定，結合時序圖（圖13）分析機器人擰緊節(jié)拍，優(yōu)于72 JPH生產節(jié)拍，方案滿足量產使用要求。

4.6.1 階段一：白車身到位自動定位固定

吊具搭載白車身進入安裝工位后，吊具上方采用懸掛鏈的驅動輪鎖定，吊具下方前端以吊具定位銷為基點，通過氣缸的上下升降帶動凹杯，實現(xiàn)前端定位。吊具下方后端利用平行設置4個伸縮氣缸，分別配合4個抓緊機構固定尾部柱子（圖14），實現(xiàn)吊具自動定位。

4.6.2 階段二：自動擰緊程序調用

吊具搭載白車身完成自動定位固定后，吊具前部感應器通過AS400系統(tǒng)自動獲取車身信息，機器人接收指令自動調取已有程序及運行軌跡，同時機器人攜帶高清攝像頭對支承螺栓拍照，自動獲取中心位置，輸出機器人擰緊坐標，輔助機器人修正軌跡后進入自動擰緊階段，確保擰緊程序與當前生產車型匹配。

4.6.3 階段三：擰緊品質監(jiān)控

發(fā)動機支承擰緊工具使用ATLAS高精度擰緊電動工具，從擰緊力矩、擰緊時間、擰緊角度3個維度有效保證品質，并實現(xiàn)擰緊數(shù)據的實時上傳與保存。

為便于管理人員直觀掌握支承擰緊狀態(tài)，現(xiàn)場配備顯示屏實時同步顯示支承擰緊要求、擰緊數(shù)據及結果綜合判斷（圖15）。如出現(xiàn)異常，設備自動報警停機停線，待專業(yè)人士返修確認后方可解除警報，實現(xiàn)“品質閉環(huán)可追溯式管理”，有效規(guī)避錯、漏風險。

5 結束語

車身端發(fā)動機支承全流程安裝自動化項目的實施，有效削減崗位職業(yè)傷害要素，噪音降至65 dB（A）以下，削減噪音崗位4個，對構建綠色總裝奠定基礎?？傃b技術上實現(xiàn)自動化設備替代人工作業(yè)，實現(xiàn)作業(yè)人員削減，每年取得約60萬元直接經濟效益，同時項目申請一項套筒自動切換發(fā)明專利，削減車型切換稼動損失，每年間接增加產值約1.5億元?？傃b品質管理上實現(xiàn)“品質閉環(huán)可追溯式管理”，為總裝工序保證能力提升、產品車品質穩(wěn)定開創(chuàng)了新思路。

參考文獻：

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