居成田 祝俊皓 倪聰 王文川

摘要：自工業(yè)革命之后，越來越多的人力勞動(dòng)被機(jī)器所取代，制造成本也隨著機(jī)器的大量運(yùn)用而大大降低，如何進(jìn)一步通過自動(dòng)化、半自動(dòng)化減輕人員操作負(fù)荷，減輕企業(yè)的人工成本，是目前制造型企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。如何針對(duì)老工廠客觀存在的工藝復(fù)雜，工序繁瑣，現(xiàn)場(chǎng)的零件種類多、數(shù)量大、形狀復(fù)雜、工作空間受限、尺寸波動(dòng)大等條件，針對(duì)性的提出改造方案使其符合企業(yè)的投資成本預(yù)算，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或者是半自動(dòng)化改造，將會(huì)是近幾年的趨勢(shì)。

Abstract： Since the industrial revolution， more and more human labor has been replaced by machines， and the manufacturing cost has been greatly reduced with the large-scale use of machines.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.

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;創(chuàng)新;自動(dòng)上件;精度定位;工業(yè)工程;MTM分析

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

中圖分類號(hào)：U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）18-0269-03

0? 引言

一家整車廠已經(jīng)建廠8年左右，成立之初確實(shí)是當(dāng)時(shí)的技術(shù)領(lǐng)先者。經(jīng)過幾年的技術(shù)革新，越來越多的新技術(shù)投入到了市場(chǎng)，經(jīng)過幾年的市場(chǎng)檢驗(yàn)，技術(shù)成本大大降低，技術(shù)穩(wěn)定性得到了有效的保證。如果直接將新技術(shù)套用在老工廠上，那么企業(yè)原先的一些客觀條件將不能與新技術(shù)的要求相匹配，想要滿足新技術(shù)的要求必須投入更多的成本來滿足，這對(duì)于企業(yè)來說是不可接收的。針對(duì)這種客觀的大量存在的情況，我們針對(duì)具體的客觀情況進(jìn)行研究分析，并給出可行的方案，幫助老企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化轉(zhuǎn)型，跟上智能制造企業(yè)的步伐，繼續(xù)前進(jìn)。

1? 課題背景

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的騰飛離不開第二工業(yè)——制造業(yè)的支撐，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人力成本在企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本中的占比越來越高，如何降低企業(yè)人力成本是工業(yè)工程專業(yè)不變的研究課題。結(jié)合新時(shí)代新技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用，通過自動(dòng)化設(shè)備改造，以最小的投資成本獲得較大的人力成本回收是每一個(gè)制造型企業(yè)都在致力研究的方向，作為企業(yè)的工業(yè)工程專業(yè)工作人員，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀抓牢行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，充分運(yùn)用新技術(shù)以及創(chuàng)新思想，實(shí)現(xiàn)人工制造型企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤圃煨推髽I(yè)的任務(wù)，是我們當(dāng)前研究的主要課題。

2? 現(xiàn)狀分析

整車制造工藝主要是：沖壓、焊接、涂裝、總裝。現(xiàn)代沖壓技術(shù)已經(jīng)在一個(gè)較高水平，涂裝工藝亦然，通過工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用，基本可以實(shí)現(xiàn)較少人工參與制造。其中的焊裝和總裝是目前整車制造企業(yè)人力成本占比最大的區(qū)域。本文主要研究焊裝車間，焊裝車間的零件多、零件形狀復(fù)雜、外覆蓋件表面質(zhì)量要求高、工藝復(fù)雜、使用的設(shè)備設(shè)施也多，想要實(shí)現(xiàn)智能制造，前期規(guī)劃時(shí)需要考慮的細(xì)節(jié)也很多。下面著重介紹汽車門外板單件上件工藝流程，人工從料架搬運(yùn)門外板并擺放至上件工裝上，拍復(fù)位按鈕給信號(hào)機(jī)器人，機(jī)器人接收信號(hào)后自動(dòng)抓取零件，并完成后續(xù)工藝。如此看來工藝特別簡(jiǎn)單，每個(gè)節(jié)拍（標(biāo)準(zhǔn)是49s）實(shí)際使用25s，勞動(dòng)負(fù)荷率為51.02%。

勞動(dòng)負(fù)荷率=實(shí)際節(jié)拍/標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍

如此低勞動(dòng)負(fù)荷率的崗位目前現(xiàn)場(chǎng)有4個(gè)，且無(wú)法通過MTM分析進(jìn)行崗位合并，因?yàn)?個(gè)崗位分布距離較遠(yuǎn)，進(jìn)行崗位合并分析時(shí)，由于增加了走動(dòng)距離，存在超節(jié)拍的現(xiàn)象。這種明顯浪費(fèi)的現(xiàn)象，嚴(yán)重的拖了我們精益管理的后腿。

3? 潛力點(diǎn)挖掘

根據(jù)上文的現(xiàn)狀分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，人工操作的行為其實(shí)主要是三步。

第一步，把零件從料架中取出;第二步，零件的運(yùn)輸;第三步，零件擺放至上件工裝上，進(jìn)行定位，方便后續(xù)機(jī)器人自動(dòng)抓取。

其中的第二步和第三步，基于目前工廠的技術(shù)應(yīng)用完全有辦法可以實(shí)現(xiàn)。難點(diǎn)就在第一步，零件的取出難點(diǎn)較大。

如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取件功能成為本次研究的重點(diǎn)問題，這是潛力挖掘的關(guān)鍵所在。零件在從料架取出時(shí)是通過抽取的方式來完成的，如果要通過自動(dòng)機(jī)械手抓取的方式來完成是不可能的，因?yàn)榱霞艿目臻g不允許;同時(shí)，此料架的精度不高（料架誤差為±250mm），自動(dòng)機(jī)械手（KUKA）的誤差是±0.06mm，無(wú)法完成自動(dòng)抓取。通過模擬人工搬運(yùn)的方式，設(shè)計(jì)制造機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)人工抽件的類似工作，模仿人的右手操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取件的動(dòng)作。通過設(shè)計(jì)制造接料裝置，模擬人工的左手操作，托住零件，防止零件掉落變形，實(shí)現(xiàn)零件的取出功能。接料裝置上增加氣缸等氣動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)零件在接料裝置上實(shí)現(xiàn)粗定位向精定位的轉(zhuǎn)變，滿足機(jī)械手自動(dòng)抓取的要求。

4? 模擬驗(yàn)證

根據(jù)以上的分析與研究，通過實(shí)地勘測(cè)獲得現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，運(yùn)用三維軟件3DMax畫出設(shè)想的裝置，并在軟件中進(jìn)行模擬仿真。仿真時(shí)是基于零件可以順暢的從料架中推入到接料機(jī)構(gòu)中這么一個(gè)理想狀態(tài)，因此仿真的主要關(guān)注點(diǎn)是這個(gè)設(shè)計(jì)是否可以滿足功能。

4.1 門外板零件寬度較大，推料機(jī)構(gòu)的推桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)

推桿初始設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)，推桿的起始點(diǎn)和重點(diǎn)位置均為推桿的一端，另外一端懸空，長(zhǎng)時(shí)間在重力的作用下是否會(huì)影響推桿的垂直度，推桿若由于重力作用發(fā)生變形后，是否會(huì)影響推桿的正常推送零件功能。這個(gè)問題，通過受力分析以及材料學(xué)的研究，最終得出結(jié)論，實(shí)心推桿的重力太大，時(shí)間久了由于剪切應(yīng)力的作用會(huì)導(dǎo)致推桿的形變，進(jìn)而影響推桿的使用。橫梁受力分析基本可以分為以下三種情況，如圖1。

通過觀察推料機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，可以將推桿結(jié)構(gòu)類比為懸臂梁結(jié)構(gòu)，接下來要分析的是懸臂梁的受力情況，通過理論力學(xué)中靜力學(xué)的基本概念對(duì)懸臂梁進(jìn)行受力分析，圖2是一根普通的懸臂梁在均布載荷作用下的簡(jiǎn)單示意圖。

圖3是懸臂梁的剪力分析，可以看到懸臂梁的最大剪力集中在支撐點(diǎn)處，此處最易產(chǎn)生缺陷。

圖4的彎矩圖可以看出，懸臂梁的最大彎矩集中在支撐點(diǎn)處，此處最易產(chǎn)生變形，是較大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

正常工程設(shè)計(jì)中，一般都是通過增加加強(qiáng)筋來加固懸臂梁。但是這種方法在長(zhǎng)度較長(zhǎng)的懸臂梁上效果不明顯。而且容易產(chǎn)生大量的材料成本耗費(fèi)，施工成本高，且不利于經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)推料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以觀察到，加強(qiáng)筋不可能增加，增加了加強(qiáng)筋會(huì)影響推料機(jī)構(gòu)的正常使用。根據(jù)圖3和圖4的剪力、彎矩公式分析可以發(fā)現(xiàn)，剪力、彎矩計(jì)算公式與梁的自重以及長(zhǎng)度有關(guān)系，結(jié)合實(shí)際，長(zhǎng)度肯定不允許縮短，因此唯一可以優(yōu)化的就是梁的自重。故在設(shè)計(jì)時(shí)采用了空心鋼管的結(jié)構(gòu)，如圖5中的29，最大程度上確保了鋼管的強(qiáng)度以及最小的自重，此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了鋼管自重下降25%。

4.2 接料機(jī)構(gòu)從粗定位到精定位的狀態(tài)轉(zhuǎn)變

接料機(jī)構(gòu)最重要的兩個(gè)功能分別是：一，模仿人類左手進(jìn)行接料，避免零件被推到一定位置后掉落地面，產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，不能滿足生產(chǎn)需求。二，將零件的粗定位狀態(tài)轉(zhuǎn)化為精定位狀態(tài)，滿足機(jī)械手自動(dòng)抓取功能。功能二是關(guān)鍵功能，也是難點(diǎn)功能。汽車門外板是外覆蓋件，零件厚度僅有0.7mm，很容易產(chǎn)生形變，控制不好力度以及尺寸很容易產(chǎn)生批量變形，對(duì)于“分鐘工廠”（一分鐘生產(chǎn)一臺(tái)汽車）來說，批量缺陷的損失是無(wú)比巨大的，不能接受。接料機(jī)構(gòu)如圖6。

針對(duì)以上情況，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)選擇了硬度較小的尼龍塊結(jié)構(gòu)，可以消除零件表面的劃傷，同時(shí)具備一定的回彈性，可以抵消部分形變產(chǎn)生的應(yīng)力集中。同時(shí)通過氣缸或者電機(jī)等動(dòng)力單元實(shí)現(xiàn)零件在接料機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生小的位移，確保零件位置精準(zhǔn)定位。

運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行工況模擬，最終試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)零件的精準(zhǔn)定位。

5? 實(shí)踐驗(yàn)證

通過以上的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析、模擬驗(yàn)證，最終敲定了方案。通過機(jī)加工以及標(biāo)準(zhǔn)件外購(gòu)，然后組裝調(diào)試，如圖7。

開始實(shí)踐驗(yàn)證，在驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的小問題很多很雜，為了摸清故障的發(fā)生是偶發(fā)還是設(shè)計(jì)缺陷，通過制作每日狀態(tài)跟蹤問題單來跟蹤記錄分析問題，如圖8。

經(jīng)過4個(gè)月的跟蹤記錄分析，我們發(fā)現(xiàn)其中發(fā)生頻次較高的問題主要是脫軌和卡件。

零件從料架往接料結(jié)構(gòu)中推送時(shí)，零件會(huì)有4‰的概率發(fā)生卡件情況。針對(duì)卡件情況，通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)脫軌的原因是機(jī)構(gòu)不具備零件到位檢測(cè)功能，通過在接料機(jī)構(gòu)上增加零件到位傳感器，來識(shí)別零件到位狀態(tài)，反饋給PLC后，再對(duì)零件進(jìn)行夾緊定位。如果零件脫軌，那么設(shè)備整體就會(huì)反饋故障信號(hào)，提醒員工進(jìn)行故障復(fù)位。為了防止零件脫軌，還在加料機(jī)構(gòu)上增加了零件到位限位裝置，消除零件脫軌的可能性。通過大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)零件卡件的原因是料架與運(yùn)輸Dolly小車之間的偏差太大，設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到這個(gè)問題，通過增加料架粗定位裝置，以及一組料架到位夾緊裝置，來確保料架的粗定位。同時(shí)擴(kuò)大接料裝置的限位公差，消除不同料架尺寸波動(dòng)導(dǎo)致的卡件情況。

6? 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

經(jīng)過以上的各個(gè)過程，在工廠的左前門、右前門、左后門、右后門四個(gè)區(qū)域安裝調(diào)試好設(shè)備，并投入正常生產(chǎn)，有了前期的充分準(zhǔn)備，目前在現(xiàn)場(chǎng)使用狀態(tài)良好，如圖9。

7? 結(jié)論

①推料機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使用空心管設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以滿足目前的應(yīng)用，若在其他嚴(yán)苛工況下，可以適當(dāng)考慮分段式推進(jìn)機(jī)構(gòu)，經(jīng)過受力分析也是可以滿足需求，但是造價(jià)較高，企業(yè)投資時(shí)一般會(huì)慎用，因此在做設(shè)計(jì)時(shí)還需要著重考慮方案的經(jīng)濟(jì)性;

②接料機(jī)構(gòu)的前期、仿真都沒有太大問題，但是對(duì)于未知的恐懼，建議可以搭建一個(gè)模型進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，通過大數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)仿真與設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法發(fā)現(xiàn)的問題，如此可以更好的確保項(xiàng)目的順利完成;

③通過細(xì)致觀察分析現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，挖掘現(xiàn)場(chǎng)潛力點(diǎn)，并做初步可行性分析，只要發(fā)現(xiàn)潛力點(diǎn)，那就深入跟進(jìn)，依托已有的成熟技術(shù)，尋找專家判斷潛力點(diǎn)分析的難點(diǎn)和重點(diǎn)同時(shí)充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，運(yùn)用創(chuàng)新思維，重點(diǎn)突破未知領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)重難點(diǎn)攻關(guān)，因此最終實(shí)現(xiàn)使用純機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足汽車門外板自動(dòng)上件的功能。創(chuàng)新思維很重要，不僅要敢想還得敢實(shí)施。

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