機械手臂在發動機總裝中與其它輸送設備的銜接應用探索

郭永萍

【摘 要】傳統發動機總裝生產中空中輸送線和地面輸送線是分離的，靠人工轉運方式銜接，不僅搬運速度慢、擺放位置精度差，而且工件容易磕碰、工人勞動強度大，已經跟不上現代自動化生產線的節拍，是汽車制造業中制約生產的瓶頸問題。本文探究用機械手臂代替人工轉運，提供一種新型的智能輸送形式，保持裝配線一種連續、均衡的物流狀態，加快裝配線的轉運節拍，減少各個裝配工位的空閑時間，從而配合現代自動化生產線生產，提高生產效率。

【關鍵詞】六軸機械手臂；空中輸送線；地面輸送線；結合應用

0 前言

商家競爭在21世紀顯得更為殘酷激烈，尤其在今天汽車制造廠家眾多、汽車品種繁雜的情況下，企業必須同時提高產品質量和提升生產效率，才會贏得消費者、贏得更多利潤，在競爭中處于不敗之地。發動機是汽車的心臟，是重要組成部分，發動機裝配質量直接決定了汽車的最終質量，這使得發動機裝配成為汽車生產制造中很重要的一環。

1 問題的提出

發動機總裝零部件繁多，需要多種渠道運送，在生產裝配中地面輸送采用板鏈線或輥道線或者輸送臺車等加托盤的輸送方式；空中轉運輸送采用的是EMS智能輸送小車線，吊具采用夾腿或吊鉤形式。雖然地面采用的輸送線和空中采用的EMS智能輸送線都是自動化物流輸送設備，但是兩者之間銜接是靠人工將工件一一手動轉運和裝掛，重復性動作多、勞動強度大且生產效率低，擺放位置精度差，難以滿足生產節拍精準、快速的要求；并且這種轉運方式，容易損傷工件造成品質降低，質量問題頻發；工人勞動強度大但效率低、勞動安全性差。

2 銜接轉運新方式的設計

采用六軸工業機器人自動手臂，包括抓手自動控制器和氣動式機械抓手兩部分。抓手自動控制器由中央處理器、抓手氣缸到位傳感器、抓手氣缸復位傳感器、壓緊氣缸到位傳感器、壓緊氣缸復位傳感器、電磁閥等組成；氣動式機械抓手由頂部安裝體、左右氣抓氣缸、壓緊氣缸、壓緊板、擺臂、左右定位銷軸等組成。抓手自動控制，當機器人到達拾取工件位置是，依據機器人主控制器的指令，抓手自動控制器輸出信號控制電磁閥驅動抓手氣缸和夾緊氣缸依次動作，結合各位置傳感器的數據精確高速的控制抓手氣缸壓緊氣缸，完成機器人自動抓手對工件的抓取和放置。氣動式機械抓手只允許左、右定位銷軸與缸蓋對應定位孔夾合，可防止抓手劃傷工件表面，確保工件加工面和裝配孔的精度不受損傷。

為了提升生產節拍，決定采用一次能抓取二個工件的高精確度的雙抓機構。具體結構形式如下圖：精密雙抓手設計圖

1）機器視覺

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據比較結果來控制現場的設備動作。

利用機器視覺可以完成二個方面任務：（1）根據不同工件特征點拾取來區分不類型工件，方便機器人抓手快速更換；（2）測量計算工件夾持孔坐標位置，方便機器人抓手對工件工藝夾持孔的定位。

2）夾手自動快換機構

為滿足多種機型不同工件的工況需求，機器人配有多套抓手。機器人配有自動換槍盤，系統判斷工件型號后，機器人可根據需求自動更換夾具、托盤等。

根據發動機總裝生產的工藝特點，本文準備按下面工藝線路來布置機器人技術在發動機總裝生產線中的應用試驗線。

其整線布局示意簡圖如下：

3）轉運可達到精確定位

為保證發動機工件在地面輸送和空中輸送的轉運過程中不受損傷，我們采用支撐托盤托載。機械手臂可以按事先設定的傳輸工件至裝配線的上下料點，按工藝安裝要求的姿態精確擺放到裝配線托盤上。機械手將工件落入托盤過程的重復定位精度可達±0.05mm，旋轉半徑可達2500mm。

之前地面線和空中線如果是直線對接安置，工人工件轉運比較容易；如果是垂直安置，工件轉掛對工人來說要旋轉90°，這個操作非常困難。用機械手臂將非常好解決這一轉運難題。地面線、空中線任意角度設置都可以，安裝輸送線的選址布線沒有制約，可以提高車間土地利用率。

4）采用PROFINET總線網絡系統控制

只有當組成物流系統的設備成套、匹配時，物流系統才是最高效、最快捷。在物流輸送設備空中EMS小車輸送線、地面輸送線、機械手臂都單機自動化的基礎上，以及現場工位操作站與中央控制系統間通訊都是通過PROFINET總線網絡傳輸交換數據。通過計算機把各種物流設備組成一個集成系統，通過中央控制室的控制，各物流系統協調配合，形成相互間最佳匹配和組合，不僅有極高的實時性，更有極高的可靠性，生產線才能發揮最佳效用。

3 效果對比

工人原地不動在線轉掛的操作可分解為6個基本動作，伸手、抓握、遞送、對正、連接、松開。

工人拿到工件后如需轉向90°再轉掛的操作可分解為7個基本動作，伸手、抓握、轉向90°、遞送、對正、連接、松開。

工人如需走動（假設需走3步）后才拿到工件不需要轉向90°再轉掛的操作可分解為8個基本動作，走動、伸手、抓握、走回、遞送、對正、連接、松開。

工人如需走動（假設需走3步）后才拿到工件后還需轉向90°再轉掛的操作可分解為9個基本動作，走動、伸手、抓握、走回、轉向90°、遞送、對正、連接、松開。

通過多日在車間觀察、測時、記錄、問詢、刪選，利用平均指標可以得到如下一個時間表：

由上表可知：人工轉運少則需要30秒/次，多則需要56秒/次，平均時間43秒/次。如不同工件需要轉運不同的工藝路線，還加上對線路選擇和確認時間。實際生產中人的操作是復雜的，不僅要考慮工人的熟練程度也要考慮人身體的疲勞程度以及生理及心理上的原因，往往統計時間還要耗時更久一些。endprint

一般發動機總裝裝配線的設計生產能力為年產10萬臺，生產線總節拍為200s，而人工轉運就占用30-56s，轉運銜接這道工序明顯出現占時過長，導致其余生產環節等待和滯后，使得整條生產線的生產能力和生產效率達不到預期目標。

而機械手臂完成轉運只需要四個動作：識別（0.2s）、抓握（2s）、遞送（2s）、松開（1s）。機械手臂可以根據托盤上的電子標簽或條形碼，識別發動機工件的轉運信息，知道托盤上工件需要轉運到哪條輸送線上的相應什么位置，不需要額外的線路確認時間。如需轉向會同時完成，也不需另外占用時間。因此，有共需時間：0.2+2+2+1=5.2（s）。

年產10萬臺將節約時間：100000×（43-5.2）=3780000（s）。

可以多生產：3780000÷200=18900（臺）。

相比之下，機械手臂運轉的時間優勢非常明顯。

人工轉運工件安放位置現場測量平均的準確度為±20mm，機械手臂運轉定位準確±0.05mm，機械手臂運轉定位準確高出非常多，大大減少了下一個工序的調整對位時間和返工時間，提高了裝配精度和安裝效率。

4 結束語

輸送系統是發動機總裝生產線的大動脈，是完成生產安裝和轉運聯動的紐帶，對一條生產線效率發揮得高低很關鍵。如果繼續以勞動密集型為主，不但占地面積大、耗費人工，而且生產的產品標準化程度低，產品質量不高。機械自動化、物流自動化將成為降本增效新的利潤增長點。我國汽車制造業中空間物流轉運的問題已迫在眉睫，"工欲善其事，必先利其器"，如能將高節拍集智能化、自動化一體的輸送技術率先在汽車發動機總裝輸送工藝中取得突破，就完全可能將該技術應用到其他行業類似的各種自動化生產線上，不但提高生產效率也提升了生產質量，也將對推進我國各種生產線自動化、智能化程度起到良好的促進和積極的意義。

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[責任編輯：朱麗娜]endprint