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摘 要：人機(jī)協(xié)作機(jī)器人具有成本低、安全性好、柔性高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被逐步引入到傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域，在提升制造效率的同時(shí)，大量節(jié)約人工成本。本文基于丹麥優(yōu)傲人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種高效的發(fā)動(dòng)機(jī)總成線螺栓的擰緊方案，并首次用于北京奔馳移動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)總成線，取代傳統(tǒng)人工手持電動(dòng)工具擰緊的模式，完成移動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)總成線的螺栓擰緊過程，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器共享工作區(qū)域的人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)方式。以較低的改造成本，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)總成線總體裝配時(shí)間，提高了擰緊準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率和質(zhì)量的全面提升。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)總成線 協(xié)作機(jī)器人 自動(dòng)擰緊 效率提升

Research on Application of Collaborative Robot in Bolt Tightening Assembly of Engine Assembly Line

Song Zhuoxi，Li Runze，Xiao Xiao

Abstract：Human-machine collaborative robots have the advantages of low cost， good safety， high flexibility， and high precision. They are gradually introduced into the traditional automobile manufacturing field， which can improve manufacturing efficiency and save labor costs. Based on the Danish Universal Robots man-machine collaborative robot， this paper designs an efficient bolt tightening scheme for the engine assembly line， and it is used for the Beijing Benz mobile engine assembly line for the first time， replacing the traditional manual hand-held power tool tightening mode to complete the movement. The bolt tightening process of the modular engine assembly line realizes the human-machine collaborative production method in which humans and machines share the working area. With a lower transformation cost， the overall assembly time of the engine assembly line has been reduced， and the tightening accuracy has been improved， and the overall improvement in production efficiency and quality has been achieved.

Key words：mobile engine assembly line， collaborative robot， automatic tightening， efficiency improvement

1 引言

流水作業(yè)模式是汽車行業(yè)主機(jī)廠總裝車間的主流作業(yè)方式，這種作業(yè)方式的輸送形式是不斷移動(dòng)的，無走停工位，導(dǎo)致90%左右的工藝操作為人工操作，自動(dòng)化率相對(duì)于沖壓、裝焊、噴漆車間相對(duì)較低。比如總裝車間的螺栓擰緊作業(yè)，基本都是人工手持?jǐn)Q緊工具進(jìn)行擰緊的模式。

受到工人熟練程度和疲勞程度的影響，人工操作的效率和準(zhǔn)確率波動(dòng)很大，且常發(fā)生裝配錯(cuò)誤，而協(xié)作機(jī)器人因其安全性能好、運(yùn)動(dòng)可靠性高、可實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作柔性生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1]，近些年開始進(jìn)入總裝領(lǐng)域，進(jìn)行涂膠、螺栓擰緊、在線檢測(cè)等作業(yè)[2]，提升了制造效率和質(zhì)量，節(jié)約了企業(yè)的人力成本，提升了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

汽車行業(yè)主機(jī)廠總裝車間工位有限，如果采用傳統(tǒng)的大型工業(yè)機(jī)器人或其他自動(dòng)化設(shè)備時(shí)，經(jīng)常會(huì)占用整個(gè)甚至更多的工位，并且需要將整個(gè)區(qū)域用安全圍欄圍起來，生產(chǎn)柔性會(huì)有所下降，每當(dāng)產(chǎn)品換型，需要大量的改造費(fèi)用。關(guān)于螺栓擰緊，文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)描述了傳統(tǒng)大型的多軸擰緊設(shè)備與人機(jī)協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行螺栓擰緊的優(yōu)缺點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線不同機(jī)型前端蓋2顆螺栓的自動(dòng)擰緊。本文將人機(jī)協(xié)作機(jī)器人引入移動(dòng)式總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)總成線進(jìn)行螺栓自動(dòng)擰緊，設(shè)計(jì)了一種高效的發(fā)動(dòng)機(jī)總成線10顆螺栓的擰緊方案，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器共享工作區(qū)域的人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)方式，以較低的改造成本，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)總成線總體裝配時(shí)間，提高了擰緊準(zhǔn)確性。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)總成線傳統(tǒng)的螺栓擰緊裝配方法

由于擰緊位置和過程的復(fù)雜性，發(fā)動(dòng)機(jī)總成線是一條傳統(tǒng)的人工裝配線，所有的擰緊操作都由人工完成，需要操作者手持電動(dòng)擰緊工具對(duì)發(fā)電機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱到發(fā)動(dòng)機(jī)的螺栓進(jìn)行擰緊。

發(fā)電機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊點(diǎn)擰緊步驟：

第一步：順序預(yù)擰緊第①、②顆螺栓到8Nm;第二步：順序擰緊第①、②顆螺栓到20Nm。

空調(diào)壓縮機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊點(diǎn)擰緊步驟：順序擰緊第③到⑤顆螺栓到20Nm;

變速箱到發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊點(diǎn)擰緊步驟：順序擰緊第⑥到⑩顆螺栓到38.5Nm;

這種傳統(tǒng)的擰緊方式共需要56秒/車，包含取放擰緊工具、工具掃碼選擇擰緊程序、螺栓擰緊等三個(gè)過程。關(guān)于擰緊策略，在文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)闡述，本文不再贅述。

3 基于優(yōu)傲10人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的自動(dòng)擰緊方案設(shè)計(jì)

3.1 硬件構(gòu)成

在發(fā)動(dòng)機(jī)總成線采用吊掛設(shè)備總成，通過機(jī)械定位搭載協(xié)作機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人夾持電動(dòng)擰緊工具進(jìn)行自動(dòng)擰緊的方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)及變速箱共10顆螺栓的擰緊。機(jī)器人采用側(cè)掛的方式，機(jī)器人布置方案應(yīng)保證所有擰緊點(diǎn)的可達(dá)性。

3.2 機(jī)器人選型

由于目標(biāo)擰緊點(diǎn)動(dòng)態(tài)扭矩最大扭矩為38.5Nm，選擇采用丹麥優(yōu)傲人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，機(jī)器人型號(hào)應(yīng)采用優(yōu)傲10，具體技術(shù)參數(shù)為：負(fù)載10Kg，工作半徑1300mm，重復(fù)精度±0.03mm，重量28.9Kg，功率250Kw。

3.3 定位結(jié)構(gòu)

3.3.1 設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)隨行

必須確保在自動(dòng)擰緊過程中擰緊工具與發(fā)動(dòng)機(jī)保持物理上精確隨動(dòng)，為此，設(shè)計(jì)兩級(jí)隨行結(jié)構(gòu)，如下：

第一級(jí)：設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)抱具初步隨行。為了保證與發(fā)動(dòng)機(jī)行走過程中的精確定位，設(shè)計(jì)了設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)抱具夾緊結(jié)構(gòu)，確保設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)抱具進(jìn)行初步隨行，保證了后續(xù)夾緊的便利性。

第二級(jí)：機(jī)器人與已初步合裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上的變速箱箱體進(jìn)行機(jī)械定位和夾緊，將設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)合為一體，確保在生產(chǎn)線移動(dòng)過程中機(jī)器人和發(fā)動(dòng)機(jī)位置相對(duì)精確定位。

當(dāng)夾具上面的定位銷對(duì)準(zhǔn)變速箱上面的銷孔（定位點(diǎn)），按下按鈕后，變速箱夾緊氣缸夾緊，變速箱側(cè)面和后端夾緊點(diǎn)被夾緊，機(jī)器人可開始工作。

3.3.2 電動(dòng)工具定位

在機(jī)器人第六軸末端采用機(jī)器人夾持電動(dòng)擰緊工具的方式，安裝電動(dòng)擰緊工具的夾具，該夾具將機(jī)器人及擰緊工具固連在一起，無相對(duì)晃動(dòng)量，確保工具設(shè)備整體相對(duì)固定，實(shí)現(xiàn)了螺栓的自動(dòng)擰緊過程中擰緊工具和發(fā)動(dòng)機(jī)位置相對(duì)靜止，確保擰緊過程的一致性和穩(wěn)定性。

3.4 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)備應(yīng)采用符合戴姆勒Integra 5標(biāo)準(zhǔn)的PLC對(duì)2套并行的系統(tǒng)進(jìn)行控制，1是機(jī)器人及設(shè)備控制系統(tǒng)，2是擰緊控制系統(tǒng)。機(jī)器人及設(shè)備控制系統(tǒng)影響設(shè)備開動(dòng)率，擰緊控制系統(tǒng)影響擰緊合格率，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，既要對(duì)完成工藝要求的功能進(jìn)行信息交互定義，又需要對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的交互性和結(jié)果顯示進(jìn)行定義，以免相互干擾，造成無效的生產(chǎn)線停線或擰緊失敗。

設(shè)備柱燈：在設(shè)備上顯示機(jī)器人運(yùn)行及設(shè)備狀態(tài)的柱燈。功能：對(duì)機(jī)器人和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)備正常亮綠燈，如果機(jī)器人及定位設(shè)備故障紅燈閃爍并聲音報(bào)警，如機(jī)器人保護(hù)性停止、氣缸未打開到位等都屬于設(shè)備故障，通過此柱燈顯示結(jié)果。

通過這兩個(gè)柱燈顯示，可實(shí)時(shí)監(jiān)控此系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)，并即使采取相應(yīng)措施。

3.5 人機(jī)協(xié)作機(jī)器人自動(dòng)擰緊實(shí)現(xiàn)過程設(shè)計(jì)

基于所設(shè)計(jì)的設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)和電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2-4中10顆螺栓人機(jī)協(xié)作機(jī)器人自動(dòng)擰緊實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步：操作者將擰緊設(shè)備整體推至起點(diǎn)等待;第二步：人工按下按鈕設(shè)備整體Y向伸出至設(shè)定位置;第三步：人工調(diào)整設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱的相對(duì)位置，將設(shè)備推向變速箱并手動(dòng)輔助后端銷夾緊機(jī)構(gòu)與變速箱尾銷結(jié)合;第四步：當(dāng)后段定位機(jī)構(gòu)夾緊后，開關(guān)檢測(cè)到位，其他夾緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)夾緊到位;第五步：人工按下“夾緊完成”按鈕，掃碼設(shè)備自動(dòng)掃碼選擇擰緊程序，夾持?jǐn)Q緊工具的機(jī)器人手臂根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)提前設(shè)置的軌跡順序到達(dá)擰緊點(diǎn)位置，之后自動(dòng)選擇擰緊程序進(jìn)行自動(dòng)擰緊。第六步：機(jī)器人擰緊結(jié)束后自動(dòng)回到起始位置，觸發(fā)自動(dòng)動(dòng)作打開夾緊裝置，確保設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)及輸送線完全脫離;第七步：操作者人工按下返回確認(rèn)按鈕，設(shè)備自動(dòng)回到安裝起點(diǎn)位置，自動(dòng)擰緊完成。

4 效果與效益

通過實(shí)際的測(cè)試，該設(shè)備可以按照工藝圖紙要求實(shí)現(xiàn)10顆螺栓自動(dòng)擰緊，操作也十分簡單方便，能夠完美地替代人工手持電工工具擰緊，除去人工手動(dòng)按按鈕定位設(shè)備位置和手動(dòng)按按鈕退出的時(shí)間，節(jié)約工時(shí)共計(jì)46秒。

該設(shè)備自2020年4月投產(chǎn)以來，通過在線優(yōu)化，自2020年6月起，設(shè)備開動(dòng)率穩(wěn)定到99.5%以上;擰緊合格率穩(wěn)定在99.4%以上。數(shù)據(jù)表明，此設(shè)備穩(wěn)定性好，且可以確保擰緊質(zhì)量。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)的人工手持工具擰緊方案對(duì)比，本文中描述的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人在移動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)總成線上的自動(dòng)擰緊方案，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)共享一個(gè)工作區(qū)域協(xié)同工作，具有低成本高柔性的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了節(jié)約工作區(qū)域和操作時(shí)間的雙重目的，提升了操作一致性，確保了產(chǎn)品質(zhì)量。

本文設(shè)計(jì)的方案具有如下先進(jìn)性：

（1）在不斷移動(dòng)的輸送線中，保證了機(jī)器人與工作對(duì)象（如車身/移栽對(duì)象）的相對(duì)位置。

（2）實(shí)現(xiàn)了協(xié)作機(jī)器人與工具端的協(xié)同工作，在保證操作者安全的前提下能夠與協(xié)作機(jī)器人共享工作空間，避免協(xié)作機(jī)器人占用過多空間或工位，快速處理協(xié)作機(jī)器人的保護(hù)性停止（即機(jī)器人碰撞檢測(cè)后的自動(dòng)停止）的故障，避免對(duì)產(chǎn)量及線速造成影響。

此方案的實(shí)施以較低的改造成本，在現(xiàn)有移動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)總成線上，實(shí)現(xiàn)了一種高效的發(fā)動(dòng)機(jī)總成線螺栓的擰緊方案，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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