机械手臂在发动机总装中与其它输送设备的衔接应用探索

郭永萍

【摘 要】传统发动机总装生产中空中输送线和地面输送线是分离的，靠人工转运方式衔接，不仅搬运速度慢、摆放位置精度差，而且工件容易磕碰、工人劳动强度大，已经跟不上现代自动化生产线的节拍，是汽车制造业中制约生产的瓶颈问题。本文探究用机械手臂代替人工转运，提供一种新型的智能输送形式，保持装配线一种连续、均衡的物流状态，加快装配线的转运节拍，减少各个装配工位的空闲时间，从而配合现代自动化生产线生产，提高生产效率。

【关键词】六轴机械手臂；空中输送线；地面输送线；结合应用

0 前言

商家竞争在21世纪显得更为残酷激烈，尤其在今天汽车制造厂家众多、汽车品种繁杂的情况下，企业必须同时提高产品质量和提升生产效率，才会赢得消费者、赢得更多利润，在竞争中处于不败之地。发动机是汽车的心脏，是重要組成部分，发动机装配质量直接决定了汽车的最终质量，这使得发动机装配成为汽车生产制造中很重要的一环。

1 问题的提出

发动机总装零部件繁多，需要多种渠道运送，在生产装配中地面输送采用板链线或辊道线或者输送台车等加托盘的输送方式；空中转运输送采用的是EMS智能输送小车线，吊具采用夹腿或吊钩形式。虽然地面采用的输送线和空中采用的EMS智能输送线都是自动化物流输送设备，但是两者之间衔接是靠人工将工件一一手动转运和装挂，重复性动作多、劳动强度大且生产效率低，摆放位置精度差，难以满足生产节拍精准、快速的要求；并且这种转运方式，容易损伤工件造成品质降低，质量问题频发；工人劳动强度大但效率低、劳动安全性差。

2 衔接转运新方式的设计

采用六轴工业机器人自动手臂，包括抓手自动控制器和气动式机械抓手两部分。抓手自动控制器由中央处理器、抓手气缸到位传感器、抓手气缸复位传感器、压紧气缸到位传感器、压紧气缸复位传感器、电磁阀等组成；气动式机械抓手由顶部安装体、左右气抓气缸、压紧气缸、压紧板、摆臂、左右定位销轴等组成。抓手自动控制，当机器人到达拾取工件位置是，依据机器人主控制器的指令，抓手自动控制器输出信号控制电磁阀驱动抓手气缸和夹紧气缸依次动作，结合各位置传感器的数据精确高速的控制抓手气缸压紧气缸，完成机器人自动抓手对工件的抓取和放置。气动式机械抓手只允许左、右定位销轴与缸盖对应定位孔夹合，可防止抓手划伤工件表面，确保工件加工面和装配孔的精度不受损伤。

为了提升生产节拍，决定采用一次能抓取二个工件的高精确度的双抓机构。具体结构形式如下图：精密双抓手设计图

1）机器视觉

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据比较结果来控制现场的设备动作。

利用机器视觉可以完成二个方面任务：（1）根据不同工件特征点拾取来区分不类型工件，方便机器人抓手快速更换；（2）测量计算工件夹持孔坐标位置，方便机器人抓手对工件工艺夹持孔的定位。

2）夹手自动快换机构

为满足多种机型不同工件的工况需求，机器人配有多套抓手。机器人配有自动换枪盘，系统判断工件型号后，机器人可根据需求自动更换夹具、托盘等。

根据发动机总装生产的工艺特点，本文准备按下面工艺线路来布置机器人技术在发动机总装生产线中的应用试验线。

其整线布局示意简图如下：

3）转运可达到精确定位

为保证发动机工件在地面输送和空中输送的转运过程中不受损伤，我们采用支撑托盘托载。机械手臂可以按事先设定的传输工件至装配线的上下料点，按工艺安装要求的姿态精确摆放到装配线托盘上。机械手将工件落入托盘过程的重复定位精度可达±0.05mm，旋转半径可达2500mm。

之前地面线和空中线如果是直线对接安置，工人工件转运比较容易；如果是垂直安置，工件转挂对工人来说要旋转90°，这个操作非常困难。用机械手臂将非常好解决这一转运难题。地面线、空中线任意角度设置都可以，安装输送线的选址布线没有制约，可以提高车间土地利用率。

4）采用PROFINET总线网络系统控制

只有当组成物流系统的设备成套、匹配时，物流系统才是最高效、最快捷。在物流输送设备空中EMS小车输送线、地面输送线、机械手臂都单机自动化的基础上，以及现场工位操作站与中央控制系统间通讯都是通过PROFINET总线网络传输交换数据。通过计算机把各种物流设备组成一个集成系统，通过中央控制室的控制，各物流系统协调配合，形成相互间最佳匹配和组合，不仅有极高的实时性，更有极高的可靠性，生产线才能发挥最佳效用。

3 效果对比

工人原地不动在线转挂的操作可分解为6个基本动作，伸手、抓握、递送、对正、连接、松开。

工人拿到工件后如需转向90°再转挂的操作可分解为7个基本动作，伸手、抓握、转向90°、递送、对正、连接、松开。

工人如需走动（假设需走3步）后才拿到工件不需要转向90°再转挂的操作可分解为8个基本动作，走动、伸手、抓握、走回、递送、对正、连接、松开。

工人如需走动（假设需走3步）后才拿到工件后还需转向90°再转挂的操作可分解为9个基本动作，走动、伸手、抓握、走回、转向90°、递送、对正、连接、松开。

通过多日在车间观察、测时、记录、问询、删选，利用平均指标可以得到如下一个时间表：

由上表可知：人工转运少则需要30秒/次，多则需要56秒/次，平均时间43秒/次。如不同工件需要转运不同的工艺路线，还加上对线路选择和确认时间。实际生产中人的操作是复杂的，不仅要考虑工人的熟练程度也要考虑人身体的疲劳程度以及生理及心理上的原因，往往统计时间还要耗时更久一些。endprint

一般发动机总装装配线的设计生产能力为年产10万台，生产线总节拍为200s，而人工转运就占用30-56s，转运衔接这道工序明显出现占时过长，导致其余生产环节等待和滞后，使得整条生产线的生产能力和生产效率达不到预期目标。

而机械手臂完成转运只需要四个动作：识别（0.2s）、抓握（2s）、递送（2s）、松开（1s）。机械手臂可以根据托盘上的电子标签或条形码，识别发动机工件的转运信息，知道托盘上工件需要转运到哪条输送线上的相应什么位置，不需要額外的线路确认时间。如需转向会同时完成，也不需另外占用时间。因此，有共需时间：0.2+2+2+1=5.2（s）。

年产10万台将节约时间：100000×（43-5.2）=3780000（s）。

可以多生产：3780000÷200=18900（台）。

相比之下，机械手臂运转的时间优势非常明显。

人工转运工件安放位置现场测量平均的准确度为±20mm，机械手臂运转定位准确±0.05mm，机械手臂运转定位准确高出非常多，大大减少了下一个工序的调整对位时间和返工时间，提高了装配精度和安装效率。

4 结束语

输送系统是发动机总装生产线的大动脉，是完成生产安装和转运联动的纽带，对一条生产线效率发挥得高低很关键。如果继续以劳动密集型为主，不但占地面积大、耗费人工，而且生产的产品标准化程度低，产品质量不高。机械自动化、物流自动化将成为降本增效新的利润增长点。我国汽车制造业中空间物流转运的问题已迫在眉睫，"工欲善其事，必先利其器"，如能将高节拍集智能化、自动化一体的输送技术率先在汽车发动机总装输送工艺中取得突破，就完全可能将该技术应用到其他行业类似的各种自动化生产线上，不但提高生产效率也提升了生产质量，也将对推进我国各种生产线自动化、智能化程度起到良好的促进和积极的意义。

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[责任编辑：朱丽娜]endprint