機器人技術(shù)在發(fā)動機制造自動化率提升中的運用

薛飛

上汽大眾汽車有限公司 上海 201805

隨著近年來我國人口紅利逐漸消退，用工成本逐年上升，利用機器人提高自動化率是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型的重要途徑。

問題背景

上汽大眾汽車有限公司發(fā)動機廠機加二車間，于2013年由大眾集團規(guī)劃，全套引進德國的高柔性自動化生產(chǎn)線，代表整個大眾集團自動化程度最高的發(fā)動機制造生產(chǎn)線。從降本增效、綠色發(fā)展的角度出發(fā)。2020年通過運用機器人對手動崗位進行改造，實現(xiàn)自動化率再提升。首先是制定工藝，排查現(xiàn)有各生產(chǎn)線手動崗位改造的可行性與經(jīng)濟性（見圖1），發(fā)現(xiàn)缸蓋放置罩殼螺栓和缸體線放置模擬缸蓋螺栓項目的經(jīng)濟性和可行性都較高，且兩個項目具有類似性，可相互借鑒，部分硬件可以通用，兩個項目同時進行可降低實施難度。缸體去毛刺工位由于存在質(zhì)量隱患，故也被優(yōu)先排上自動化改造計劃。

圖1 改造工位分布

機器人型號選用

1.罩殼螺栓放置

如圖2所示，該工序由兩名操作工放置22枚螺栓，并將罩蓋與缸蓋合箱，是生產(chǎn)的瓶頸工序。手工安裝還存在螺栓掉落缸蓋內(nèi)，導(dǎo)致后序機床撞刀的風(fēng)險。由于該工位對機器人關(guān)節(jié)自由度要求不高，但對機器人速度要求較快，故使用多關(guān)節(jié)平面型機器人及振動供料裝置（見圖3）。依據(jù)罩殼連接螺栓分布位置設(shè)計專用氣動抓手，采用錯位投放的方式并設(shè)計整個工位布局（見圖4）。

圖2 人工放置罩殼螺栓

圖3 多關(guān)節(jié)平面型機器人及振動供料裝置

圖4 罩殼螺栓放置工位自動化改造布局

2.缸體模擬缸蓋螺栓放置

該工序有一名操作工，放置10枚螺栓（見圖5），根據(jù)該工位節(jié)拍需求和需要與人機協(xié)作完成的特點，從安全性角度出發(fā)，選用協(xié)作機器人（見圖6）。

圖5 手工放置模擬缸蓋螺栓

圖6 自動放置模擬缸蓋螺栓

3.缸體去除毛刺

經(jīng)過清潔度測試，每個成品缸體加工面的邊緣約殘留4.47mg毛刺和油漆的附著物（見圖7），需在中檢工序由操作工使用銼刀、鋼絲毛刷等工具對殘留毛刺部位手動去除。由于該操作工還要檢驗毛坯裂紋、縮孔等缺陷，所以常常顧此失彼。根據(jù)該工序負載小、機械手關(guān)節(jié)自由度要求靈活、移動速度快的特點，采用工業(yè)六軸機器人夾持電動鋼絲刷，對易產(chǎn)生毛刺部位打磨（見圖8）。

圖7 缸體加工面的邊緣殘留毛刺和油漆附著物

圖8 規(guī)劃打磨軌跡及自動去毛刺工位布局

外圍設(shè)備設(shè)計與機器人程序編程

1）依據(jù)所需的工藝、節(jié)拍、環(huán)境要求，完成對機器人、供料裝置的選型。由于本案例兩處都是螺栓上料，供料零件體積小、定向簡單，故選用料斗式振動供料機構(gòu)，完成取料、分離、供送三個步驟。設(shè)計氣動抓手，保障執(zhí)行動作的準確、高效、可靠。

2）利用三維建模軟件，完成支架、底座設(shè)計、定位舉升機構(gòu)設(shè)計。繪制順序流程圖，并標明傳感器信號與執(zhí)行元件的狀態(tài)。

3）配置機器人坐標系、輸入輸出接口，建立機器人軟件端口與通信設(shè)備關(guān)系。示教調(diào)整機器人運動軌跡及輔助動作，驗證工藝效果。

PLC組態(tài)聯(lián)網(wǎng)調(diào)試

1）控制層采用西門子S7-300PLC、HMI精智面板—TP700 comfort觸摸屏、工業(yè)機器人、協(xié)作機器人，通過TIA PORTAL工程設(shè)計軟件實現(xiàn)組態(tài)、編制PLC程序、HMI人機界面設(shè)計及并聯(lián)網(wǎng)調(diào)試。

2）設(shè)備層通過Profinet現(xiàn)場總線，將各個電磁閥、傳感器、電機與PLC相連。通過傳感器發(fā)送到PLC的輸入信號，經(jīng)過PLC邏輯運算再發(fā)送到執(zhí)行設(shè)備。

3）人機界面顯示有操作控制按鈕、狀態(tài)顯示信號燈和各個I/O接口的信號狀態(tài)，方便監(jiān)控和操作。

4）機器人外部信號配置，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)遠程自動控制。

安全防護措施

根據(jù)放置模擬缸蓋螺栓工位工作空間內(nèi)同時可能有操作人員協(xié)同工作的特點，設(shè)置安全方案。安裝一個SICK區(qū)掃（見圖9）：正常工作狀態(tài)，運行速度0.85m/s；進入黃色區(qū)域，減速至0.2125m/s；進入紅色區(qū)域，設(shè)備立即停止。設(shè)置碰撞檢測靈敏度：30%（45N）。

圖9 協(xié)作機器人工位SICK區(qū)掃

結(jié)語

重新規(guī)劃了部分工序，制定自動化改造方案。采用工業(yè)機器人、協(xié)作機器人、自動供料裝置，自主設(shè)計相關(guān)工裝、抓手（國家專利受理號202120554932.6），編制機器人運動軌跡程序、配置外部信號、編寫PLC運行邏輯程序并組態(tài)及以太網(wǎng)與HMI互聯(lián)，實現(xiàn)了兩個螺栓放置工位的自動化改造以及增設(shè)一個缸體自動去除毛刺工位。利用工業(yè)機器人和協(xié)作機器人高柔性、高效率的特點，減少三名操作工（見圖10）。不僅降低了企業(yè)的人力成本，改善了勞動條件，而且年總計降低成本300萬元。

圖10 改造后現(xiàn)場實物