協作機器人在發動機總成線螺栓擰緊裝配中的應用研究

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摘 要：人機協作機器人具有成本低、安全性好、柔性高、精度高等優點，被逐步引入到傳統的汽車制造領域，在提升制造效率的同時，大量節約人工成本。本文基于丹麥優傲人機協作機器人，設計了一種高效的發動機總成線螺栓的擰緊方案，并首次用于北京奔馳移動式發動機總成線，取代傳統人工手持電動工具擰緊的模式，完成移動式發動機總成線的螺栓擰緊過程，實現了人與機器共享工作區域的人機協作生產方式。以較低的改造成本，降低了發動機總成線總體裝配時間，提高了擰緊準確性，實現了生產效率和質量的全面提升。

關鍵詞：移動式發動機總成線 協作機器人 自動擰緊 效率提升

Research on Application of Collaborative Robot in Bolt Tightening Assembly of Engine Assembly Line

Song Zhuoxi，Li Runze，Xiao Xiao

Abstract：Human-machine collaborative robots have the advantages of low cost， good safety， high flexibility， and high precision. They are gradually introduced into the traditional automobile manufacturing field， which can improve manufacturing efficiency and save labor costs. Based on the Danish Universal Robots man-machine collaborative robot， this paper designs an efficient bolt tightening scheme for the engine assembly line， and it is used for the Beijing Benz mobile engine assembly line for the first time， replacing the traditional manual hand-held power tool tightening mode to complete the movement. The bolt tightening process of the modular engine assembly line realizes the human-machine collaborative production method in which humans and machines share the working area. With a lower transformation cost， the overall assembly time of the engine assembly line has been reduced， and the tightening accuracy has been improved， and the overall improvement in production efficiency and quality has been achieved.

Key words：mobile engine assembly line， collaborative robot， automatic tightening， efficiency improvement

1 引言

流水作業模式是汽車行業主機廠總裝車間的主流作業方式，這種作業方式的輸送形式是不斷移動的，無走停工位，導致90%左右的工藝操作為人工操作，自動化率相對于沖壓、裝焊、噴漆車間相對較低。比如總裝車間的螺栓擰緊作業，基本都是人工手持擰緊工具進行擰緊的模式。

受到工人熟練程度和疲勞程度的影響，人工操作的效率和準確率波動很大，且常發生裝配錯誤，而協作機器人因其安全性能好、運動可靠性高、可實現人機協作柔性生產等優點[1]，近些年開始進入總裝領域，進行涂膠、螺栓擰緊、在線檢測等作業[2]，提升了制造效率和質量，節約了企業的人力成本，提升了企業的競爭力[3]。

汽車行業主機廠總裝車間工位有限，如果采用傳統的大型工業機器人或其他自動化設備時，經常會占用整個甚至更多的工位，并且需要將整個區域用安全圍欄圍起來，生產柔性會有所下降，每當產品換型，需要大量的改造費用。關于螺栓擰緊，文獻[4]中詳細描述了傳統大型的多軸擰緊設備與人機協作機器人進行螺栓擰緊的優缺點，并實現了發動機裝配線不同機型前端蓋2顆螺栓的自動擰緊。本文將人機協作機器人引入移動式總裝車間發動機總成線進行螺栓自動擰緊，設計了一種高效的發動機總成線10顆螺栓的擰緊方案，實現了人與機器共享工作區域的人機協作生產方式，以較低的改造成本，降低了發動機總成線總體裝配時間，提高了擰緊準確性。

2 發動機總成線傳統的螺栓擰緊裝配方法

由于擰緊位置和過程的復雜性，發動機總成線是一條傳統的人工裝配線，所有的擰緊操作都由人工完成，需要操作者手持電動擰緊工具對發電機到發動機、空調壓縮機到發動機及變速箱到發動機的螺栓進行擰緊。

發電機到發動機擰緊點擰緊步驟：

第一步：順序預擰緊第①、②顆螺栓到8Nm;第二步：順序擰緊第①、②顆螺栓到20Nm。

空調壓縮機到發動機擰緊點擰緊步驟：順序擰緊第③到⑤顆螺栓到20Nm;

變速箱到發動機擰緊點擰緊步驟：順序擰緊第⑥到⑩顆螺栓到38.5Nm;

這種傳統的擰緊方式共需要56秒/車，包含取放擰緊工具、工具掃碼選擇擰緊程序、螺栓擰緊等三個過程。關于擰緊策略，在文獻[5]中有詳細闡述，本文不再贅述。

3 基于優傲10人機協作機器人的自動擰緊方案設計

3.1 硬件構成

在發動機總成線采用吊掛設備總成，通過機械定位搭載協作機器人，協作機器人夾持電動擰緊工具進行自動擰緊的方式，實現發動機、空調壓縮機及變速箱共10顆螺栓的擰緊。機器人采用側掛的方式，機器人布置方案應保證所有擰緊點的可達性。

3.2 機器人選型

由于目標擰緊點動態扭矩最大扭矩為38.5Nm，選擇采用丹麥優傲人機協作機器人，機器人型號應采用優傲10，具體技術參數為：負載10Kg，工作半徑1300mm，重復精度±0.03mm，重量28.9Kg，功率250Kw。

3.3 定位結構

3.3.1 設備與發動機隨行

必須確保在自動擰緊過程中擰緊工具與發動機保持物理上精確隨動，為此，設計兩級隨行結構，如下：

第一級：設備與發動機抱具初步隨行。為了保證與發動機行走過程中的精確定位，設計了設備與發動機抱具夾緊結構，確保設備與發動機抱具進行初步隨行，保證了后續夾緊的便利性。

第二級：機器人與已初步合裝到發動機上的變速箱箱體進行機械定位和夾緊，將設備與發動機合為一體，確保在生產線移動過程中機器人和發動機位置相對精確定位。

當夾具上面的定位銷對準變速箱上面的銷孔（定位點），按下按鈕后，變速箱夾緊氣缸夾緊，變速箱側面和后端夾緊點被夾緊，機器人可開始工作。

3.3.2 電動工具定位

在機器人第六軸末端采用機器人夾持電動擰緊工具的方式，安裝電動擰緊工具的夾具，該夾具將機器人及擰緊工具固連在一起，無相對晃動量，確保工具設備整體相對固定，實現了螺栓的自動擰緊過程中擰緊工具和發動機位置相對靜止，確保擰緊過程的一致性和穩定性。

3.4 電氣系統結構

該設備應采用符合戴姆勒Integra 5標準的PLC對2套并行的系統進行控制，1是機器人及設備控制系統，2是擰緊控制系統。機器人及設備控制系統影響設備開動率，擰緊控制系統影響擰緊合格率，所以在系統設計階段，既要對完成工藝要求的功能進行信息交互定義，又需要對兩個系統的交互性和結果顯示進行定義，以免相互干擾，造成無效的生產線停線或擰緊失敗。

設備柱燈：在設備上顯示機器人運行及設備狀態的柱燈。功能：對機器人和設備運行狀態進行監控，設備正常亮綠燈，如果機器人及定位設備故障紅燈閃爍并聲音報警，如機器人保護性停止、氣缸未打開到位等都屬于設備故障，通過此柱燈顯示結果。

通過這兩個柱燈顯示，可實時監控此系統實際運行的狀態，并即使采取相應措施。

3.5 人機協作機器人自動擰緊實現過程設計

基于所設計的設備硬件結構和電氣拓撲結構，圖2-4中10顆螺栓人機協作機器人自動擰緊實現步驟如下：

第一步：操作者將擰緊設備整體推至起點等待;第二步：人工按下按鈕設備整體Y向伸出至設定位置;第三步：人工調整設備與發動機變速箱的相對位置，將設備推向變速箱并手動輔助后端銷夾緊機構與變速箱尾銷結合;第四步：當后段定位機構夾緊后，開關檢測到位，其他夾緊機構自動夾緊到位;第五步：人工按下“夾緊完成”按鈕，掃碼設備自動掃碼選擇擰緊程序，夾持擰緊工具的機器人手臂根據機器人控制系統提前設置的軌跡順序到達擰緊點位置，之后自動選擇擰緊程序進行自動擰緊。第六步：機器人擰緊結束后自動回到起始位置，觸發自動動作打開夾緊裝置，確保設備與發動機及輸送線完全脫離;第七步：操作者人工按下返回確認按鈕，設備自動回到安裝起點位置，自動擰緊完成。

4 效果與效益

通過實際的測試，該設備可以按照工藝圖紙要求實現10顆螺栓自動擰緊，操作也十分簡單方便，能夠完美地替代人工手持電工工具擰緊，除去人工手動按按鈕定位設備位置和手動按按鈕退出的時間，節約工時共計46秒。

該設備自2020年4月投產以來，通過在線優化，自2020年6月起，設備開動率穩定到99.5%以上;擰緊合格率穩定在99.4%以上。數據表明，此設備穩定性好，且可以確保擰緊質量。

5 結語

與傳統的人工手持工具擰緊方案對比，本文中描述的人機協作機器人在移動式發動機總成線上的自動擰緊方案，實現了人機共享一個工作區域協同工作，具有低成本高柔性的優勢，達到了節約工作區域和操作時間的雙重目的，提升了操作一致性，確保了產品質量。

本文設計的方案具有如下先進性：

（1）在不斷移動的輸送線中，保證了機器人與工作對象（如車身/移栽對象）的相對位置。

（2）實現了協作機器人與工具端的協同工作，在保證操作者安全的前提下能夠與協作機器人共享工作空間，避免協作機器人占用過多空間或工位，快速處理協作機器人的保護性停止（即機器人碰撞檢測后的自動停止）的故障，避免對產量及線速造成影響。

此方案的實施以較低的改造成本，在現有移動式發動機總成線上，實現了一種高效的發動機總成線螺栓的擰緊方案，具有良好的推廣應用前景。

參考文獻：

[1]人機協作機器人的探討[J]. 劉志偉. 中國新技術新產品.2019（04）.

[2]人機協作機器人在汽車總裝行業中的應用與發展[J].陳曉珊.精密制造與自動化.2020（03）.

[3]“工業4.0”環境下的人機協作機器人[J]. 鐵隆正.電器工業，2015（08）.

[4]機器人螺栓擰緊技術在發動機裝配的應用[J].肖海譚，健祥.裝備制造技術.2015（09）.

[5]自動擰緊技術在汽車發電機裝配方面的應用分析[J].謝東曉.內燃機與配件.2019，（17）.