基于非精度料架实现汽车门外板自动上件功能的研究

居成田 祝俊皓 倪聪 王文川

摘要：自工业革命之后，越来越多的人力劳动被机器所取代，制造成本也随着机器的大量运用而大大降低，如何进一步通过自动化、半自动化减轻人员操作负荷，减轻企业的人工成本，是目前制造型企业的发展趋势。如何针对老工廠客观存在的工艺复杂，工序繁琐，现场的零件种类多、数量大、形状复杂、工作空间受限、尺寸波动大等条件，针对性的提出改造方案使其符合企业的投资成本预算，实现自动化或者是半自动化改造，将会是近几年的趋势。

Abstract： Since the industrial revolution， more and more human labor has been replaced by machines， and the manufacturing cost has been greatly reduced with the large-scale use of machines. How to further reduce the personnel operating load through automation and semi-automation and reduce the labor costs of enterprises is the development trend of current manufacturing companies. Based on the objective conditions of the old factory， such as， the complicated process， the cumbersome process， many types of parts， large quantities， complicated shapes， limited working space， large size fluctuations， and so on， how to propose a transformation plan in a targeted manner to meet the investment cost budget of the enterprise and achieve automation or semi-automatic transformation will be the trend in recent years.

关键词：机器人;创新;自动上件;精度定位;工业工程;MTM分析

Key words： robot;innovation;automatic loading;precision positioning;industrial engineering;MTM analysis

中图分类号：U463                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）18-0269-03

0  引言

一家整车厂已经建厂8年左右，成立之初确实是当时的技术领先者。经过几年的技术革新，越来越多的新技术投入到了市场，经过几年的市场检验，技术成本大大降低，技术稳定性得到了有效的保证。如果直接将新技术套用在老工厂上，那么企业原先的一些客观条件将不能与新技术的要求相匹配，想要满足新技术的要求必须投入更多的成本来满足，这对于企业来说是不可接收的。针对这种客观的大量存在的情况，我们针对具体的客观情况进行研究分析，并给出可行的方案，帮助老企业实现自动化转型，跟上智能制造企业的步伐，继续前进。

1  课题背景

国家经济的腾飞离不开第二工业——制造业的支撑，随着经济的发展，人力成本在企业运营成本中的占比越来越高，如何降低企业人力成本是工业工程专业不变的研究课题。结合新时代新技术的发展与运用，通过自动化设备改造，以最小的投资成本获得较大的人力成本回收是每一个制造型企业都在致力研究的方向，作为企业的工业工程专业工作人员，结合企业现状抓牢行业发展趋势，充分运用新技术以及创新思想，实现人工制造型企业转变为智能制造型企业的任务，是我们当前研究的主要课题。

2  现状分析

整车制造工艺主要是：冲压、焊接、涂装、总装。现代冲压技术已经在一个较高水平，涂装工艺亦然，通过工业机器人的运用，基本可以实现较少人工参与制造。其中的焊装和总装是目前整车制造企业人力成本占比最大的区域。本文主要研究焊装车间，焊装车间的零件多、零件形状复杂、外覆盖件表面质量要求高、工艺复杂、使用的设备设施也多，想要实现智能制造，前期规划时需要考虑的细节也很多。下面着重介绍汽车门外板单件上件工艺流程，人工从料架搬运门外板并摆放至上件工装上，拍复位按钮给信号机器人，机器人接收信号后自动抓取零件，并完成后续工艺。如此看来工艺特别简单，每个节拍（标准是49s）实际使用25s，劳动负荷率为51.02%。

劳动负荷率=实际节拍/标准节拍

如此低劳动负荷率的岗位目前现场有4个，且无法通过MTM分析进行岗位合并，因为4个岗位分布距离较远，进行岗位合并分析时，由于增加了走动距离，存在超节拍的现象。这种明显浪费的现象，严重的拖了我们精益管理的后腿。

3  潜力点挖掘

根据上文的现状分析，我们可以发现，人工操作的行为其实主要是三步。

第一步，把零件从料架中取出;第二步，零件的运输;第三步，零件摆放至上件工装上，进行定位，方便后续机器人自动抓取。

其中的第二步和第三步，基于目前工廠的技术应用完全有办法可以实现。难点就在第一步，零件的取出难点较大。

如何实现自动取件功能成为本次研究的重点问题，这是潜力挖掘的关键所在。零件在从料架取出时是通过抽取的方式来完成的，如果要通过自动机械手抓取的方式来完成是不可能的，因为料架的空间不允许;同时，此料架的精度不高（料架误差为±250mm），自动机械手（KUKA）的误差是±0.06mm，无法完成自动抓取。通过模拟人工搬运的方式，设计制造机械装置，实现人工抽件的类似工作，模仿人的右手操作，实现自动取件的动作。通过设计制造接料装置，模拟人工的左手操作，托住零件，防止零件掉落变形，实现零件的取出功能。接料装置上增加气缸等气动单元，实现零件在接料装置上实现粗定位向精定位的转变，满足机械手自动抓取的要求。

4  模拟验证

根据以上的分析与研究，通过实地勘测获得现场的实际工况，运用三维软件3DMax画出设想的装置，并在软件中进行模拟仿真。仿真时是基于零件可以顺畅的从料架中推入到接料机构中这么一个理想状态，因此仿真的主要关注点是这个设计是否可以满足功能。

4.1 门外板零件宽度较大，推料机构的推杆长度较长

推杆初始设计为钢结构，推杆的起始点和重点位置均为推杆的一端，另外一端悬空，长时间在重力的作用下是否会影响推杆的垂直度，推杆若由于重力作用发生变形后，是否会影响推杆的正常推送零件功能。这个问题，通过受力分析以及材料学的研究，最终得出结论，实心推杆的重力太大，时间久了由于剪切应力的作用会导致推杆的形变，进而影响推杆的使用。横梁受力分析基本可以分为以下三种情况，如图1。

通过观察推料机构的状态，可以将推杆结构类比为悬臂梁结构，接下来要分析的是悬臂梁的受力情况，通过理论力学中静力学的基本概念对悬臂梁进行受力分析，图2是一根普通的悬臂梁在均布载荷作用下的简单示意图。

图3是悬臂梁的剪力分析，可以看到悬臂梁的最大剪力集中在支撑点处，此处最易产生缺陷。

图4的弯矩图可以看出，悬臂梁的最大弯矩集中在支撑点处，此处最易产生变形，是较大的风险点。

正常工程设计中，一般都是通过增加加强筋来加固悬臂梁。但是这种方法在长度较长的悬臂梁上效果不明显。而且容易产生大量的材料成本耗费，施工成本高，且不利于经济效益。根据推料机构的设计可以观察到，加强筋不可能增加，增加了加强筋会影响推料机构的正常使用。根据图3和图4的剪力、弯矩公式分析可以发现，剪力、弯矩计算公式与梁的自重以及长度有关系，结合实际，长度肯定不允许缩短，因此唯一可以优化的就是梁的自重。故在设计时采用了空心钢管的结构，如图5中的29，最大程度上确保了钢管的强度以及最小的自重，此设计实现了钢管自重下降25%。

4.2 接料机构从粗定位到精定位的状态转变

接料机构最重要的两个功能分别是：一，模仿人类左手进行接料，避免零件被推到一定位置后掉落地面，产生质量缺陷，不能满足生产需求。二，将零件的粗定位状态转化为精定位状态，满足机械手自动抓取功能。功能二是关键功能，也是难点功能。汽车门外板是外覆盖件，零件厚度仅有0.7mm，很容易产生形变，控制不好力度以及尺寸很容易产生批量变形，对于“分钟工厂”（一分钟生产一台汽车）来说，批量缺陷的损失是无比巨大的，不能接受。接料机构如图6。

针对以上情况，我们在设计时选择了硬度较小的尼龙块结构，可以消除零件表面的划伤，同时具备一定的回弹性，可以抵消部分形变产生的应力集中。同时通过气缸或者电机等动力单元实现零件在接料机构中产生小的位移，确保零件位置精准定位。

运用仿真软件进行工况模拟，最终试验结果发现可以实现零件的精准定位。

5  实践验证

通过以上的设计、计算、分析、模拟验证，最终敲定了方案。通过机加工以及标准件外购，然后组装调试，如图7。

开始实践验证，在验证过程中发现，出现的小问题很多很杂，为了摸清故障的发生是偶发还是设计缺陷，通过制作每日状态跟踪问题单来跟踪记录分析问题，如图8。

经过4个月的跟踪记录分析，我们发现其中发生频次较高的问题主要是脱轨和卡件。

零件从料架往接料结构中推送时，零件会有4‰的概率发生卡件情况。针对卡件情况，通过现场观察发现脱轨的原因是机构不具备零件到位检测功能，通过在接料机构上增加零件到位传感器，来识别零件到位状态，反馈给PLC后，再对零件进行夹紧定位。如果零件脱轨，那么设备整体就会反馈故障信号，提醒员工进行故障复位。为了防止零件脱轨，还在加料机构上增加了零件到位限位装置，消除零件脱轨的可能性。通过大数据分析，发现零件卡件的原因是料架与运输Dolly小车之间的偏差太大，设计时没有考虑到这个问题，通过增加料架粗定位装置，以及一组料架到位夹紧装置，来确保料架的粗定位。同时扩大接料装置的限位公差，消除不同料架尺寸波动导致的卡件情况。

6  现场运用

经过以上的各个过程，在工厂的左前门、右前门、左后门、右后门四个区域安装调试好设备，并投入正常生产，有了前期的充分准备，目前在现场使用状态良好，如图9。

7  结论

①推料机构的长度较长，使用空心管设计的结构可以满足目前的应用，若在其他严苛工况下，可以适当考虑分段式推进机构，经过受力分析也是可以满足需求，但是造价较高，企业投资时一般会慎用，因此在做设计时还需要着重考虑方案的经济性;

②接料机构的前期、仿真都没有太大问题，但是对于未知的恐惧，建议可以搭建一个模型进行实践验证，通过大数据分析可以发现仿真与设计时无法发现的问题，如此可以更好的确保项目的顺利完成;

③通过细致观察分析现场的实际工况，挖掘现场潜力点，并做初步可行性分析，只要发现潜力点，那就深入跟进，依托已有的成熟技术，寻找专家判断潜力点分析的难点和重点同时充分发挥主观能动性，运用创新思维，重点突破未知领域，实现重难点攻关，因此最终实现使用纯机械结构满足汽车门外板自动上件的功能。创新思维很重要，不仅要敢想还得敢实施。

参考文献：

[1]刘鸿文.材料力学[M].五版.高等教育出版社.

[2]居成田，倪聪，祝俊皓，王文川.基于视觉技术实现侧围外板零件在非精度料架上自动上件的研究与应用[J].内燃机与配件，2019（05）.

[3]李锦文，朱武.一种新型的自动上件装置[J].装备制造技术， 2009（08）.