機器人自動擰緊站合格率提升

廖典航

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

成本控制、效率提升對汽車制造企業的重要性不言而喻。目前，螺栓擰緊設備基本使用單軸擰緊或全軸擰緊，這種工作模式會增加擰緊作業的工位及人員，成本高且自動化程度低，而且全軸擰緊需要大量擰緊軸，采購成本高[1]。因此，采用機器人雙軸電槍伺服變距的自動擰緊模式在裝配線中應用非常廣泛。但這種方式的擰緊合格率一直不太穩定，不能達到設計之初的目標，因此解決擰緊合格率偏低和不穩定問題成為了效率提升工作的重點。

1 典型機器人擰緊配置

1.1 機器人擰緊系統構成

目前，裝配生產線擰緊機器人主要包含機器人主體、伺服變距擰緊機構、頂升機構、壓緊機構、換型機構5 個部分，能在同一工位擰緊不同類型的零件，具有很高的生產柔性，其自動擰緊工位圖如圖1 所示。

1.2 伺服擰緊機構

擰緊機構的工作模式為機器人攜帶兩根擰緊軸，每次擰緊兩顆螺栓。工作過程中，通過程序控制機器人帶動擰緊軸移動到不同螺栓位置。擰緊完成一組螺栓后，機器人可在垂直和水平方向移動或旋轉一定角度，從而到達下一組擰緊螺栓的位置[2-3]。針對不同機型和不同位置種類的螺栓，可設置不同的路徑程序，以滿足不同機型的螺栓位置分布。擰緊機構設計圖如圖1 所示，根據每組螺栓間距的不同，可通過伺服電機控制兩根擰緊軸距離，將一根擰緊軸固定在安裝板上，然后由伺服電機帶動另一根軸移動到所需位置。

1.3 壓緊機構

壓緊機構的作用是為了保證每一臺發動機到達工位時狀態一致，從而使目標擰緊螺栓處于同一位置。壓緊機構采用從上往下壓緊的方式，發動機到位后，壓緊機構通過氣缸帶動壓板下降，壓板上的壓塊壓緊發動機使其處于水平位置。壓緊機構如圖1 所示。因為生產線為不同機型混線生產，不同機型擰緊零件不一致異，所以壓緊機構需保證和所有機型零件無干涉，并且有足夠的壓緊點。

1.4 頂升機構

頂升機構是自動站常用機構之一，它能夠將發動頂起，以起到定位的作用[4]。采用的頂升機構示意圖如圖1 所示，該機構由氣缸控制升起和降落，升起時，頂升機構會將導向銷插入到發動機托盤相應定位孔中，以保證發動機到位準確[5]。定位銷經過倒角處理，能夠避免升起時卡死托盤，位置傳感器能夠感應頂升機構上升和下降是否到位，若感應到位則通過控制程序發出指令進行下一個設定動作。

圖1 機器人自動擰緊工位圖

2 生產現狀

工廠中5 個機器人自動擰緊機構改造完成以來擰緊合格率仍不太穩定，容易出現某個時間段內連續擰緊不合格的問題。經過收集數據分析統計，95%以上為套筒不能對準螺栓而造成的不合格問題。通過對5個機器人擰緊站生產的產品進行幾個月跟蹤，發現螺栓擰緊狀況呈現不穩定的情況較多，難以達到目標合格率99.5%以上，對裝配線的運行效率、節拍提升及產能輸出影響較大。

通過觀察分析，從人機料法環等方面進行跟蹤排查，將套筒不能對準螺栓的問題鎖定在3 個方面：第一，壓緊機構未能完全壓平發動機，發動機存在不同程度傾斜，螺栓與擰緊坐標位置偏移；第二，發動機處于水平狀態，擰緊坐標偏移；第三，發動機處于水平狀態，擰緊槍與套筒連接晃動大。針對以上3 個方面的原因，根據機器人結構組成列出可能的影響因素，并提出改進優化方案實施跟蹤，具體改進措施如下所示。

2.1 壓緊機構未能完全壓平發動機優化改進

2.1.1 壓緊塊固定方式優化

通過分析原有壓緊機構壓緊塊頭部設計，其固定方式為壓緊塊開豁口，通過從側面擰緊的螺栓而頂緊在壓桿上，如圖2 所示。此類緊固方式的缺點為：側面緊固螺栓頻繁受沖擊，存在掉落風險，且易松動；壓緊塊受側向螺栓壓緊力，壓緊面難以保證水平，從而導致壓緊發動機時難以保證發動機處于水平狀態，同時由于壓緊面不水平，會導致壓緊塊受力面積變小，壓緊力大，從而加速磨損壓緊塊或壓傷發動機。

圖2 原有壓緊塊頭部設計

重新設計更改后的壓緊機構壓緊塊頭部固定方式，如圖3 所示，這種固定方式的特點為：第一，頂絲換成了帶彈珠式的插拔銷，能夠避免頂絲松動甚至脫落；第二，壓緊塊被插拔銷緊扣在壓桿上，在不將拔插銷拔掉的情況下，壓頭不會出現松動；第三，插銷不受壓緊力影響，壓緊塊能保證水平接觸發動機。

圖3 改進后的壓緊塊頭部設計

2.1.2 壓緊桿易松動改進

壓緊桿、壓緊機構的下壓限位桿固定螺母松動也是導致擰緊不合格的重要原因，目前除了每周例行檢查壓緊機構相關的固定螺母和螺栓外，在重要的緊固部位使用了防松螺母、墊片及雙螺母的緊固方式，有效降低了螺母松動的問題。

2.2 擰緊槍與套筒晃動大優化改進

2.2.1 套筒長度過長晃動大

原套筒長度為250 mm，固定套筒擰緊底座高25 mm，這種結構雖然能夠保證移動擰緊過程中不與發動機發生干涉，但是套筒長度過長會導致移動過程晃動量較大，從而難以對準螺栓。經過分析對比，可優化擰緊底座高度，經計算，擰緊座高度可加長到125 mm，同時可將套筒長度縮短100 mm，僅使用150 mm 的套筒即可滿足生產各機型的需求，從而達到減小套筒晃動量的目的。

2.2.2 套筒與擰緊軸連接方式改進

前期設計套筒與擰緊軸連接使用自制加工的非標轉接的連接方式存在多段拼接的問題，會導致擰緊過程晃動大，從而使套筒無法對準螺栓。改進后，將非標轉接取消，并采用了標準接頭套筒與電槍直接相連的連接方式。

2.2.3 擰緊程序改進

原有擰緊程序中，擰緊軸到達指定螺栓組上方就會立即下降擰緊螺栓，此過程無停留時間，過程也存在晃動大的問題。針對這種情況，在節拍允許范圍內，在擰緊程序中增加了擰緊軸移動到達目標螺栓組上方后停留一定時間的步驟，以保證套筒處于穩定靜止的狀態時再下壓擰緊。

3 結語

機器人自動擰緊站是很多汽車企業優先選用的擰緊方式，與全軸擰緊工藝相比，其成本更低、柔性程度和合格率更高。機器人的壓緊機構優化設計需要考慮多方面的因素，如產品類型、生產空間、產能要求、柔性程度和工藝順序等。本文根據現有機器人自動擰緊的運行經驗，在后期新項目中進行了產品結構設計優化，解決了生產線遇到的問題。通過以上改進，優化機器人自動擰緊站相關機構后，生產跟蹤擰緊合格率均能達到99.5%以上。后期還可以根據需要改造成自動送釘擰緊的方式，以實現擰緊全自動化的功能。