工業機器人在動力總成工廠智能化提升中的應用

東風日產乘用車公司PT技術部 唐行虎 馬海濤

通過導入工業機器人及其智能化配套設備，不但可以進一步提高柔性和生產效率，而且對保障作業者人身安全、改善作業環境、減輕勞動強度、節約材料消耗及降低生產成本等都有著十分重要的意義。

一、引言

工業機器人作為先進制造技術的典型代表，是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的重要現代化制造自動化裝備。它具有高度的柔性和適應性，滿足現代生產模式——小批量、多品種以及產品周期短和更新換代快的特點，對改變傳統生產模式、提高產品質量和生產效率，實現柔性化生產和科學化生產有重要意義。目前國際上工業機器人主要分為日系和歐系，日系中主要有安川、FANUC、OTC、松下、不二越、川崎等；歐系中主要有德國的KUKA、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利IGM等。從機器人的發展趨勢看，工業機器人不斷向智能化方向發展，完全實現生產系統中機器人的群體協調和集成控制。工業機器人已經成為柔性制造系統（FMS）、工廠自動化（iFA）、計算機集成制造系統（CIMS）的自動工具。

工業機器人及其智能化設備在各個領域都有應用，但50%以上用在汽車制造領域。在汽車生產的沖壓、焊裝、涂裝和總裝等傳統四大工藝都有工業機器人大量應用。隨著智能化集成技術及自動化成套設備的快速發展，目前國內制造業人力成本基本上是以每年10%的比率攀升，導致產品制造成本也在不斷升高，企業壓力巨大。通過工業機器人導入提升生產線自動化水平，不但改善了之前存在的部分工位作業環境差、勞動強度大課題，同時也有效遞減了作業人員數量，提升了生產線適應多機型的“柔性化”水平、生產效率和制造質量，其間接效益顯著。還可以進一步提高產品質量和生產效率，而且對保障作業者人身安全、改善作業環境、減輕勞動強度、節約材料消耗及降低生產成本等都有著十分重要的意義。

東風日產乘用車公司發動機工廠于2006年建成并投產，后續經過逐年不斷擴建及新工廠陸續投產，目前已經形成了年產超過100萬臺發動機和30萬臺變速箱的生產能力。前幾年由于生產的產品類型比較單一、綜合考慮人工成本相對偏低及行業智能化設備技術成熟度等原因，東風日產動力總成生產線自動化水平不是特別高，相對日產本部工廠甚至國內第一陣營主流廠家自動化水平都處于較低水平。

在新建項目中通過大量工業機器人及其智能化裝備植入，并對既存各工程生產線開始實施以提升生產效率、人員遞減為目的的自動化提升項目（iFA），提升發動機及變速箱生產線的自動化水平。生產理念，亟需改造成適應性強的柔性制造系統。本文重點講述工業機器人在機加工生產線上廣泛且多用途的應用實例。

二、工業自動化戰略路線

東風日產動力總成制造自動化水平提升項目制定了總體戰略和詳細的實施路線（見圖1），首先從把握現狀課題開始，進行案例收集、自動化技術研究等，并檢討了未來發動機各生產線的理想姿態，制定Q、C、T等各方面目標——形成了高效、低成本、節能環保、品質提升的自動化改造策略，從而進一步提升技術力并為制造成本遞減尋求突破口，確保在行業中的領航能力。

圖1 工業自動化戰略路線

實施中充分結合自身特點創新發揮工業機器人及其智能化設備在自動化方面的優勢，使之在發動機及變速箱制造各工程領域得到靈活應用，不但解決了之前存在的突出課題，而且實施后經濟效益和社會效益顯著。

工業機器人及其自動化設備的技術改造方案主要有如下幾方面：

（1）智能機器人清洗機。

（2）柔性加工單元（FMS）。

（3）柔性裝配中心。

（4）機器人在測試線上的應用。

（5）機器人在鑄造工廠的應用。

（6）基于移動機器人的同期生產體系建立。

三、機器人在發動機各工程的技術方案

1. 智能機器人清洗機

傳統的清洗機普遍為專機，投資成本高，而且應對市場的變化能力較差，無法對應其他機種，設備維修使用成本偏高。清洗機轉臺在設備內部，所有的工裝夾具都是針對單一設計，無法進行換型，而且不便于觀察。清洗動作分為多個步驟，動作復雜且相互關聯，調整與維修都有很大的困難。老的清洗專機占地面積較大，增加生產線平面圖布置難度。

利用更新機會導入的新式機器人清洗機（見圖2）可以改變這種情況，品種換型時只需要更換機械手夾爪即可對應。機器人同時具備機種識別功能，系統可以根據識別機種自動選擇程序和切換夾具。在手動狀態下，各個動作也能單獨控制，用于清洗機檢修與調節。機器人清洗機的優點：

（1）占地面積小。

（2）結構簡單，維修簡單成本低。

（3）機種切換便捷。

新式的機器人清洗機在內部構造有去毛刺、清洗和吹氣三個工位，清洗流程與要求都可以滿足技術式樣，而且節拍有大幅度的提高。新式清洗機也便于推廣到新生產線中。設備選用史陶比爾生產的TX200型工業機器人生產的機器人，防護等級為IP67，該機器人在空氣濕度大和在水中應用有良好的防水性能。

同時，在清洗機內部采用機器人去除工件上殘留的毛刺，顛覆傳統的打磨或高壓重新去毛刺方式，取得意想不到的效果。

機器人去毛刺柔性高，能針對不同凸輪軸孔出口形狀的毛刺去除進行動作軌跡調整，同時還能實現毛刷直徑磨損的自動補償以延長毛刷壽命。另外，工作中不會產生噪聲、水霧等環境問題。清洗機中機器人去毛刺工位原理如下：

（1）工件的上下料及定位結構。根據生產線的總體物流輸送方式，可以采用自動滾道上下料，在自動滾道上安裝頂升定位裝置對工件進行定位，也可采用機器人搬送工件上下料，將工件裝夾在定位夾具上對工件進行定位。

（2）機器人的選型。根據工件尺寸大小及毛刷機構的重量選擇機器人，一般情況下，小型機器人即可使用要求。

（3）毛刷結構設計及機器人動作軌跡設計。首先根據缸蓋凸輪軸孔出口的形狀及尺寸，設計適當尺寸的毛刷機構，再進行毛刷動作軌跡的設計，同時加入毛刷直徑磨損補償功能。

2. 柔性加工單元

傳統的專機生產線投資高，生產機型單一，且生產中受單臺設備影響力大，設備由人手動上下料，換型時手動切換工件，因此對操作者來說勞動強度大，危險性較高。

機器人在整個模塊加工單元中要完成以下任務（見圖3）：

（1）上下料的動作。

圖2 清洗機中的機器人

圖3 柔性加工模塊和夾具自動更換機器人

（2）具備機種識別和信息傳遞功能。

（3）完成夾具的快速自動切換。

AGV把工件輸送到上料平臺后，先進行機種識別，然后機械手抓取工件；同時對機種信息再次識別，進行防錯確認；然后加工中心自動切換加工程序，對工件進行加工。6軸機器人抓取工件加工模塊中的每臺加工中心，都采用箱式快換夾具的方式，不同機型的產品可通過夾具的更換輕松地達到生產目的。液壓夾具更換是通過機器人先把抓取工件的夾爪更換為抓取液壓夾具的夾爪，然后直接對液壓夾具進行更換，夾具自動更換時間從人工所需的6h降低到3min左右，效率提升99%。

3.柔性裝配中心

發動機裝配從傳統的流水線升級為自動化、柔性化、智能化的裝配中心模式，大量采用柔性裝配機器人，協作機器人；全線基本采用自動搬送和安裝，部分外裝部品也采用自動安裝；采用機器人安裝、擰緊，柔性化程度高；通暢的物流供給：全線kit（短機、缸蓋總成、線束、螺栓除外）；裝配線管理系統，全線設備在線管理。

現有的裝配內容有：人工部品安裝，部品涂膠在線外半自動/在線全自動進行，人工螺栓安裝擰緊。存在不足：部品人工安裝和螺栓人工安裝自動化難實現，生產線的自動化受限。外裝部品自動安裝擰緊的局限：外裝部品的自動化難實現，生產線的自動化受限。柔性化的局限：新機型和產量變化的對應時，專用設備改造量大，周期廠，投資高。

理想的狀態： 開發部品自動安裝、螺栓自動安裝、自動涂膠、自動擰緊的自動化、柔性化的設備 。

圖 4

螺栓擰緊機器人采用可變距離擰緊槍，可換擰緊槍的設計結構，對應多種產品的螺栓擰緊裝配（見圖4）；定位銷壓裝柔性機器人，采用臥式壓裝姿態，定位銷和導向套分別由兩臺自動上料機自動供料到取料點；機器人抓取銷及導向套放置到暫存臺上，然后切換拾取壓頭；氣錘集成安裝在壓頭上；壓裝氣錘由機器人抓取，作業時機器人輕壓保持不動；定位銷和導向套有各自的壓頭（也可設計為一體），定位銷和導向套由機器人拾取安放在壓頭上，能夠一臺設備對應多種型號的銷子壓裝，柔性更好；機器人協作工位，通過視覺系統引導，兩臺以上的機器人共同作業，完成十多種部件的裝配工序（見圖5、圖6）。

自動化方面的效果：臺裝配中心實現了部品自動安裝、自動涂膠、自動檢測、自動安裝螺栓、自動擰緊的全工程自動化。

柔性化方面的效果：新機型增加通過換槍盤更換不同的抓手即可，產量提升增加相同的裝配單元或將部品從裝配單元中移出，由人工對應；產量減少，增加安裝的部品數量。

4. 機器人在測試線上的應用

變速箱自動測試：在變速箱組裝后總成上試驗臺架進行測試，傳統作業是通過吊裝，作業時間長，節拍滿足不了整線的要求，時間要求50s，實際計算需要66s；作業員勞動強度大，為解決節拍問題和降低勞動強度，采用了機器人方式。

圖5 機器人協作作業區

圖6 機器人可變距擰緊作業區

為了應對產能需要及解決以上不足，最后研討采用機器人上下料方案，很好地解決以上存在的問題，如圖7所示。

變速箱在裝配主線完成裝配后輸入到暫放臺1，機器人通過PLC系統全自動控制分別根據試驗臺1、2的狀態上料，同時將根據實驗臺工作狀態將實驗后的變速箱放到暫放臺2上，暫放臺2根據后面輸送滾道的狀況進行放料輸送到下料工位。該方案較好解決了之前滾道方式存在的問題。

5.機器人在鑄造工廠的應用

缸蓋鑄造車間的作業環境非常惡劣，高溫，粉塵，重體力作業，迫切需要最大限度地用自動化機器人代替人工作業。缸蓋鑄造時鋁液澆注溫度在715℃以上，成形工件溫度在400℃以上。原來采用助力裝置取放工件，雖然有效防止員工與鑄件直接接觸，但在運轉過程中高溫需要作業員做好高溫防護，本工位作業環境相對較差。通過改善導入自動取件系統，使用機器人自動下料和放置，利用視覺系統仿真模擬人工找準夾持位置，實現柔性自動化。

自動下料系統實施后，下料作業區域全部由機器人完成，員工完全與高溫作業區域分開，大大減輕員工作業負荷，改善此工位作業環境。

該系統采用FANUC M-710iC/70機器人，最大承重可達70kg，6軸控制，最大服務2050mm，防護等級IP67（防塵防水），具有自動負載檢測功能，配合FANUC iR Vision視覺系統，可實現視覺系統與機器人聯動的智能化作業。

低壓澆注自動下料系統主要包含以下內容：

（1）接取系統。澆注機自動脫模后，工件掉落在接工件托盤中。

（2）快冷裝置。機器人通過視覺系統“看見工件”，抓取工件后，輸送至工件快速冷卻裝置，冷卻前半段利用汽化潛熱帶走大量熱量，后半段利用水霧冷卻實現繼續冷卻，20min可降320℃。

（3）刻印系統。通過與澆注機通信，利用刻印裝置刻印2D碼記錄鑄件信息，實現產品信息化，利于追溯和產品跟蹤。

（4）自動裝盤。利用iR vision進行數據采集，準確抓取工件和放置，省去通常為滿足機器人的準確抓取必須采取的機械預定位夾具，具有很高的柔性，可以非常容易實現混流多產品生產。

該系統導入后，可實現下料高溫區域無人化自動作業，直接取消員工接觸高溫工件作業，不僅可有效改善作業環境，而且可減少在制時間降低庫存，實現同期生產和提升效率。

工件修整和加工：鑄造缸蓋在澆注成型過程中，根據結構需要，水套、進排氣、頂蓋需要砂芯成型。砂芯成型使用模具熱芯盒成型，具有以下特點：

（1）溫度高。模具270～280℃之間，砂芯溫度180～200℃。

（2）效率高。砂芯燒結時間80～90s。

（3）修毛刺。砂芯芯頭和模具結合面毛刺需修整。

采用人工修毛刺方法，具有溫度高、節拍緊、人工修整存在品質差異方面的不足。從改善作業環境、效率提升和品質保證三方面結合，導入工業機器人系統，實現了整個工序對作業人員要求高的部分自動化作業。

機器人自動修芯和取件系統導入后，解決了原人工修砂芯面臨高溫、粉塵等作業惡劣環境的課題，而且提高了砂芯品質穩定性。實現柔性化生產，不同產品間程序預調試，切換線時僅需要更換模具和治具即可生產，能夠適應各生產車型及節拍的變化，且不用擔心人工誤作業造成產品不良。

經過實踐驗證，此系統運行穩定，基本無故障，且產品品質穩定，從1人/臺制芯機人員配置縮減至1人/6臺制芯機，人員削減5/6。

發動機缸體在高壓鑄造時，為了得到較好的外觀及內部質量，在完成品的基礎上毛坯還設計有澆口，渣包、真空溢流槽等澆鑄輔助系統。鑄造制品取出后，為了得到接近成品的狀態，需要對這些附帶的部分進行去除。改善前該工序往往采用人工敲打去除的方式進行，存在工作負荷量大，節拍緊張，人為作業差異性大制品誤損傷的不足和弊端。從降低人工負擔、生產效率提升、產品品質保證方面考慮，導入工業機器人，完成和保證整個工序。

機器人澆口自動切斷系統的主要工作內容：

（1）壓鑄機聯動。通過與壓鑄機通信，機器人在收到工件鑄造完成放置在暫放臺的指令后，機器人移動到該位置抓取工件，進行下一步的切斷及輔助工作。完成后回到原點待機位置，直至下一次循環。

（2）夾取裝置。采用特制的適用于產品特殊外形的夾頭，安裝在機械人頭部，完成對工件的無夾傷抓取。夾頭適用于不同機種的發動機缸體，切換機種時更換少量專用治具即可。

（3）澆口切斷機。機器人抓取工件至澆口切斷機時，給其指令，安全門自動打開，機器人繼續抓緊工件進入機器內部，到事先調試好的位置配合機床內的刀具及專用治具，進行切割和撞擊，最終完成毛坯的澆口、渣包、真空溢流系統的去除，得到接近成品的狀態。

通過機器人澆口自動切斷整套系統的應用，實現了每次循環：制品由粗糙完整品的輸入到接近成品的輸出，全部自動完成，無需人工作業。大大減少了人工成本的投入，機器人的高重復精度也提高了產品一致性。

6.基于移動機器人的同期生產體系建立

移動式機器人（AGV）將實在的效益載入汽車制造業，適應現代制造技術要求柔性化、靈捷化、智能化及信息化的發展趨勢。發動機裝配線從加工部品下線到各種零件到裝配線組裝，移動式機器人的靈活應用使發動機裝配的生產組織、信息管理和物流技術等方面都實現了質的飛躍。

傳統的發動機裝配線的生產模式以人的管理為中心，使得各個流程之間存在很多銜接的問題，為了避免對后工程的影響，往往建立大量的庫存來避免各種異常造成后工程停線。為了要和整車生產順序對應，還要進行二次倒運重新排序。另外市場需求越來越多樣化，發動機的種類也隨之增多，原來單一品種的生產模式無法適應市場的需求，需要一個對應發動機裝配線內多品種混流的生產組織模式，產品的更新換代周期也不斷縮短，如何快速的應對是提升企業競爭力的關鍵。

東風日產經過多年的探索和自主創新，通過現代的軟件技術、網絡通信技術、RFID技術等，以移動機器人技術為載體，形成了一套先進的發動機裝配同期生產體系。主要包括生產指示系統、部品指示系統、信息化選裝系統和品質追溯系統四個部分，在功能上相互獨立，而在構造上集成一體，充分利用資源，減少投資。

以車輛訂單為前提的生產計劃來指導現場的生產，采用網絡通信技術、數據庫處理技術、RFID技術等信息技術建立一個不依賴于人的生產指示系統，把現場設備和指示系統高度集成，大大提高了生產效率和準確性，實現與整車同期生產。加工成品下線、部品倉庫等根據裝配生產機型順序信息，提供相應的零件，通過移動式機器人自動運輸到裝配線指定工位上線組裝。發動機總成基本按照整車廠要求的順序下線并供給，替代了之前的人工配送、排序的方式。通過智能化的物流供給模式，柔性的配送網絡，使內部物流的運輸變得標準而簡單。

移動式機器人（AGV）技術目前國內已經比較成熟，通過購買電動機、電池等關鍵部件，我司已具備自主研發、組裝、調試能力。

四、結語

東風日產乘用車公司在動力總成（發動機和變速箱）制造領域的工廠自動化（iFA）項目經過2012年規劃，一期項目2013～2015年分步實施，目前按計劃推進中，已經完工投入使用，效果達到預期，產生了顯著的經濟效益和社會效益。□