阮 婷 樊慶地 劉海云

（1.武漢交通職業(yè)學院，湖北武漢 430065；2.神龍汽車有限公司，湖北武漢 430056）

1 引言

隨著人工智能技術的發(fā)展，越來越多的自動化設備用于制造行業(yè)，為了提高生產效率，降低生產成本和操作人員的勞動強度，自動裝配技術[1-2]開始備受人們的青睞。三菱電梯公司曳引機裝配線大量使用機器人和自動化裝置，自動完成零部件上料、存儲、輸送、裝配、檢測的全工藝流程[3]。牛文婷等介紹了微小零件的全自動裝配系統(tǒng)，實現裝配前自動上料，裝配后零件自動鎖緊[4]。王吉岱、郝亞東設計了一種基于PLC控制的鼓式制動器自動裝配生產線，保證各工序之間按照既定的節(jié)拍自動完成裝配的工藝過程[5]。

自動裝配技術雖然廣泛應用于實際生產中，但多數情況下所涉及的都是單一品種的零件裝配過程。當出現零件多品種混流生產時，往往還是要借助人力解決錯裝和漏裝等實際問題。本文對某汽車生產廠的前制動卡鉗自動裝配工藝進行研究，設計一條集自動擰緊、自動識別和自動分揀系統(tǒng)共同作用的自動裝配生產線。

2 項目概況

某汽車生產廠家要建一條產能為48輛份/小時的整車生產線，對應需要裝配的前卡鉗的節(jié)拍為96個/小時。其中有4種前卡鉗（左、右各兩種），裝配到4種制動盤/轉向節(jié)合件上（左、右各兩種），參照現有的裝配方式，需要2名操作工，主要完成卡鉗的裝配、零件搬運和多品種防差錯。

3 現有前制動卡鉗裝配工藝

3.1 裝配工藝流程

（1）操作工從滾道拿取一件制動盤/轉向節(jié)合件放在設備定位工裝上。

（2）按下設備啟動按鈕，夾具將合件夾緊。

（3）從料箱中拿取與合件對應的制動卡鉗，并裝在合件上，再手動預擰緊2個螺栓。

（4）按下設備啟動按鈕，擰緊頭開始擰緊卡鉗螺栓。

（5）將擰緊合格的零件搬到對應料道上，裝配過程如圖1所示。

3.2 裝配線平面布置

為滿足48輛份/小時的產能要求，由兩名工人操作兩臺設備，分別裝配左、右卡鉗，操作區(qū)域面積25m2，平面布置簡圖如圖2所示。采取分批次的生產方式，制動盤/轉向節(jié)合件分左、右兩個品種（用A，B表示），前卡鉗有四個品種（左、右各兩種，用左C/D、右C/D表示），料道1和料道2分別存放兩個品種的左件即AC和AD，料道3和料道4分別存放兩個品種的右件即BC和BD。裝配完成后，依靠人工識別零件品種，使用吊具將零件吊運至身后對應的滾道上，操作工人再從2位置走到3位置取卡鉗回到1位置裝配。在此過程中，工人需要反復移動和轉身，非增值時間較長，存在節(jié)拍浪費，同時零件在吊運時容易造成磕碰傷，存在質量風險。

圖1 卡鉗裝配過程圖

圖2 卡鉗裝配平面布置圖

4 前卡鉗自動裝配線工藝設計

為了減員和降低工人勞動強度，消除零件搬運時造成的工時浪費，設計自動裝配線時需著重考慮以下幾點。

（1）優(yōu)化平面布置，零件手邊化，減少移位浪費。

（2）優(yōu)化裝配操作方式，減少人等設備的時間浪費。

（3）采用新的工藝方法進行多品種防差錯。

（4）改變零件輸送方式，取消吊運，減少磕碰傷。

4.1 自動裝配線的布局

方案一：本方案在現有平面布局上加以優(yōu)化，平面布置示意圖如圖3所示。操作工人從料筐中取出卡鉗，在預裝工位上將卡鉗套在制動盤/轉向節(jié)合件上并帶上螺栓，拍下按鈕，擋料塊放行，零件被輸送到擰緊工位。當設備檢測到零件到位信息之后，自動啟動擰緊程序，兩臺設備分別擰緊左件和右件。設備包含簡易下料機構，操作工識別卡鉗品種，選擇對應的料道向下料機構給出指令（通過按鈕實現），下料機構根據收到的指令將裝配合格的零件推入對應的料道中。

優(yōu)化后的方案大大減少了操作工的非增值時間，取消了零件的吊運過程，有效減少磕碰傷和工人的勞動強度。此外，占地面積減至21m2。

圖3 方案一平面布置圖

圖4 自動裝配平面布置簡圖

方案二：本方案主要包含自動擰緊機、多品種防差錯機構、自動分揀下料機構、運輸滾道、擋料裝置、托盤和信息管理系統(tǒng)等。平面布置示意圖如圖4，取消了人工操作的第2步，并將第4步和第5步合并且自動完成。操作工將制動盤/轉向節(jié)合件放在托盤上，再從料框中取出與之對應的卡鉗，預裝在合件上，拍下按鈕，擋料塊放行，托盤被輸送到擰緊工位。防差錯機構自動識別零件的品種以及判斷卡鉗是否錯裝。若信息匹配成功，設備自動擰緊兩個螺栓，再將零件分配到相對應的料道中。本方案的占地面積為14m2。

綜上所述，兩個方案都具備一定的自動化程度，減少操作工的勞動強度和非增值時間，滿足工廠的產能和多品種混流生產的要求。對比兩個方案之后發(fā)現方案二更優(yōu)，主要有以下幾點。

（1）設備和人員投入更少。

（2）占地面積更少。

（3）帶有自動防錯系統(tǒng)，能有效檢測到預裝時操作工的誤裝，避免錯誤零件流入下游工位。

因此，選擇方案二作為新生產線的最終方案，得到工廠各個部門領導和同事的一致認可。下文將對該方案做詳細的介紹。

4.2 卡鉗擰緊方式

卡鉗的擰緊分兩個工位：預擰緊工位和終擰緊工位。操作工將卡鉗套在制動盤/轉向節(jié)合件上，手動將螺栓帶2到3圈。再拍下放行按鈕，零件隨托盤輸送至終擰緊工位。此時，操作工可以繼續(xù)從料箱中取卡鉗，預裝下一件總成零件。

當前托盤到達終擰緊工位后，傳感器向PLC控制器發(fā)出零件到位信號，抬起氣缸將托盤頂起，同時夾緊裝置將零件加緊。掃描槍開始掃描零件條碼（每個零件上都貼有唯一的條碼），獲取零件信息。PLC控制啟動設備開始擰緊，合格零件自動放行。這種擰緊方式完全消除了人等設備的時間，也避免了工時浪費。

目前擰緊工具精度比較高，能準確達到程序給定的力矩范圍，選擇市面上常用的工具都能實現所需的擰緊精度。

4.3 多品種防差錯

多品種防差錯裝置主要是利用機器替代人工目視對卡鉗做多品種識別。4種卡鉗（機械卡鉗和電子卡鉗，分左右件）外形和尺寸相似，僅靠制動油管孔的朝向和卡鉗顏色區(qū)分（機械卡鉗外觀呈灰色，電子卡鉗外觀呈白色）。如圖5所示，摩擦片開檔朝操作者，制動油管孔朝左為左卡鉗，制動油管孔朝右為右卡鉗。

圖5 卡鉗左/右件差異圖

圖5可見制動油管孔相對于卡鉗上端面凸起，可利用光的直線傳播特性做卡鉗左、右件識別。在設備上安裝激光對射開關，如圖6所示，向卡鉗制動油管孔凸起處發(fā)射激光信號，若開關收到信號，信號燈呈綠色，表明油管凸點在右側，該零件為右件。若開關未收到信號，信號燈呈紅色，表明油管凸點在左側，該零件為左件。

圖6 防差錯機構圖

PLC控制器將防差錯裝置識別到的卡鉗信息與掃描裝置識別的條碼信息進行匹配，匹配成功時自動啟動對應的擰緊程序，驅動氣缸帶動擰緊扳手，自動對準，開始對螺栓進行擰緊。若兩處信息匹配失敗，設備報警，提醒操作人員卡鉗品種錯裝，需要人工干預，退出托盤重新預裝卡鉗。多品種防差錯機構工作原理流程如圖7所示。

圖7 防差錯流程圖

經過一年的使用，防錯系統(tǒng)運行良好，從未出現誤判的情況，能穩(wěn)定用于大批量生產。

4.4 自動分料裝置

擰緊合格的零件被輸送至下游滾道，PLC控制單元將當前零件品種信息傳輸到各個擋料和推料氣缸感應器中，收到信號的氣缸將啟動擋料和推料動作，零件被推入對應料道中。工作簡圖如圖8所示，來件為2號零件，PLC將給2號擋料控制氣缸一個擋料信號，擋料塊下降擋住零件前進方向，當零件到位后，PLC再給2號推料控制氣缸一個信號，推料塊將零件推入2號料道中，依次循環(huán)。

自動分料裝置的應用省去了零件從卡鉗擰緊工位吊至滾道的時間，單件零件節(jié)省工時25秒。

圖8 自動分料簡圖

5 自動裝配工藝應用收益

前卡鉗自動裝配工藝的應用，取得了一系列的收益，不僅提升了裝配效率，還減少了人員和設備的投入。在生產過程中從未發(fā)生錯裝零件流入下游工位的現象。

5.1 工位效率提升

手動裝配前制動卡鉗，每輛份工時1.32分鐘，采用自動裝配方式后每輛份工時0.47分鐘。

5.2 設備故障率

生產線經過一年的運行，設備僅發(fā)生2次故障。一次是掃描槍無法掃描零件的條碼，經檢查發(fā)現是掃描槍固定裝置松動而發(fā)生移位，維修工在5分鐘之內完成掃描槍的固定，并使設備正常運行。另一次是，分揀機構的擋料塊無法正常擋料而發(fā)生設備報警，經檢查是控制擋料塊的氣缸上有根線斷開，在3分鐘之內完成修復工作。設備故障率不影響正常生產，被工廠所接受。

5.3 經濟收益

1名操作員人工成本10萬元/年，自動擰緊設備24萬元/臺，手動擰緊設備19萬元/臺，擰緊工具投入20萬元/套，自動防錯裝置2萬元/套。自動分料裝置10萬元。在48輛份/小時雙班生產的前提下，自動裝配需1臺設備和2名操作工，手動裝配需兩臺設備和4名操作工。由此可知手動裝配方式設備投入需78萬元，自動裝配方式設備投入需56萬元。具體明細如表1所示。

表1 投入對比表

此外，若采用自動裝配方式，還可減少2名操作工，即每年人工少投入20萬元。

年工時收益=0.85分鐘/輛份（自動裝配節(jié)省工時）*48輛份/小時*5800小時（年工工時）*1.3元/分鐘=30.8萬元。

6 結論

本文介紹了自動裝配技術的應用實例，詳細描述了前卡鉗自動裝配生產線的平面布置、多品種識別和分揀下料等一系列操作，并與現有的裝配方式做了經濟效益的對比。結果表明，自動裝配技術的應用不僅能減少生產線的占地面積和生產成本，還能有效提高裝配效率和零件的裝配質量，為工廠帶來許多有形和無形的收益。其成功應用為后期項目提供了可靠的經驗借鑒。