石飛飛 王良濤 李錦濤 楊斌

聯(lián)合汽車電子有限公司西安廠 陜西西安 710117

工業(yè)革命是以機(jī)器取代人力，以大規(guī)模工廠化生產(chǎn)取代個(gè)體手工生產(chǎn)的一場(chǎng)生產(chǎn)與科技革命。三次工業(yè)革命分別經(jīng)歷了機(jī)械化、電氣化和自動(dòng)化，如今正朝著第四次工業(yè)革命邁進(jìn)，即智能化。要全面邁進(jìn)智能化時(shí)代，對(duì)于制造型企業(yè)而言，就需要完成高度自動(dòng)化的設(shè)備導(dǎo)入，零部件裝配線自動(dòng)上料為生產(chǎn)線的自動(dòng)化率貢獻(xiàn)了關(guān)鍵作用，它使得一條生產(chǎn)線可以使用更少的人力投入，可以完成高效的設(shè)備自動(dòng)化上料。

汽車工業(yè)在近10年內(nèi)有了飛速的發(fā)展，零部件工廠正在轉(zhuǎn)型升級(jí)，生產(chǎn)線朝著無人化、數(shù)字化以及智能化發(fā)展。無人化工廠的前提條件是自動(dòng)化的實(shí)施，一系列的自動(dòng)方式替代手工勞動(dòng)，降低企業(yè)人力成本。生產(chǎn)線高度自動(dòng)化的先決條件是子零件自動(dòng)上料的實(shí)施。針對(duì)零件不同的形態(tài)與材質(zhì)，結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況需要設(shè)計(jì)選用合適的自動(dòng)上料結(jié)構(gòu)，確保上料的效率與質(zhì)量，減少設(shè)備停機(jī)與客戶投訴。

研究背景

UAES（聯(lián)合汽車電子有限公司）2020年度獲取電子節(jié)氣門踏板APM6 某國際項(xiàng)目，該項(xiàng)目要求其產(chǎn)生電信號(hào)的關(guān)鍵零部件轉(zhuǎn)軸磁鐵需要四極充磁，以滿足客戶要求的抗電磁干擾等性能。然而，實(shí)際生產(chǎn)線現(xiàn)有批產(chǎn)的項(xiàng)目全部為兩極充磁，要在現(xiàn)有產(chǎn)線兼容四極和兩極充磁，綜合考慮了現(xiàn)有產(chǎn)線空間、換型的便捷性及設(shè)備投資，工廠決定在線外建立一個(gè)充磁工藝中心以滿足DVE/APM6/GPA不同磁鐵的充磁。

基于此，決定APM6轉(zhuǎn)軸四極充磁線外實(shí)施，即工藝路線為“工藝中心四極充磁→充完磁的轉(zhuǎn)軸運(yùn)輸回生產(chǎn)線→在現(xiàn)有設(shè)備自動(dòng)上料裝配”?，F(xiàn)有生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)軸工藝路線是“未充磁的轉(zhuǎn)軸在振動(dòng)盤自動(dòng)上料→抓取→充磁→抓取→裝配”。然而，四極轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)是高磁性材料釹鐵硼，充完磁后具有很強(qiáng)的磁性，在現(xiàn)有振動(dòng)盤自動(dòng)上料，會(huì)存在兩個(gè)已經(jīng)充完磁轉(zhuǎn)軸由于很強(qiáng)的磁力互相吸合在一起，造成振動(dòng)盤無法靠振動(dòng)分料，因此，研究設(shè)計(jì)一種針對(duì)已充磁零件的自動(dòng)上料方式勢(shì)在必行。

充磁轉(zhuǎn)軸的自動(dòng)上料分析與應(yīng)用

1.充磁轉(zhuǎn)軸自動(dòng)上料的關(guān)鍵技術(shù)要求分析

帶有磁性材料的轉(zhuǎn)軸，是一個(gè)將磁鐵注塑其中的圓柱體（見圖1），根據(jù)裝配要求，充完磁的轉(zhuǎn)軸磁鐵面朝上，且在自動(dòng)傳輸過程當(dāng)中要求卡滯率極低（約0.1%），自動(dòng)傳輸過程當(dāng)中要求轉(zhuǎn)軸無磕傷.同時(shí)對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)線而言，自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)需滿足一次性上料要確保30min可用，否則頻繁的上料會(huì)影響生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線節(jié)拍為16s，OEE為90%，滿足0.5h生產(chǎn)可用即上料機(jī)構(gòu)的最少數(shù)量為：上料間隔時(shí)間/節(jié)拍×OEE=（30min×60/16s）×90%=101.25，即上料機(jī)構(gòu)容量至少為102件可滿足30min生產(chǎn)不因上料而中斷。

圖1 帶有磁鐵的注塑轉(zhuǎn)軸圖示

2.轉(zhuǎn)軸零件特點(diǎn)分析

轉(zhuǎn)軸為圓柱體，磁鐵嵌入塑料件中，且?guī)в袕?qiáng)磁，放在振動(dòng)盤當(dāng)中通過振動(dòng)加仿形篩選，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，強(qiáng)磁導(dǎo)致兩個(gè)零件會(huì)吸附在一起，振動(dòng)盤無法通過振動(dòng)將轉(zhuǎn)軸拆分，且已充完磁的轉(zhuǎn)軸會(huì)在振動(dòng)盤內(nèi)吸附金屬碎屑給產(chǎn)品質(zhì)量帶來較大的隱患。因此，轉(zhuǎn)軸自由無序狀態(tài)下，混在一起采用一種機(jī)構(gòu)或者原理來實(shí)現(xiàn)篩選上料依然不可行。

3.現(xiàn)有設(shè)備布局分析

設(shè)備空間已被兩極轉(zhuǎn)軸充磁上料機(jī)構(gòu)及充磁機(jī)占用，采用較大的上料機(jī)構(gòu)會(huì)占用更大的廠房面積，會(huì)使得現(xiàn)有設(shè)備布局重新布置，且會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有設(shè)備沒有足夠的維修空間（IE要求通道至少有500mm），對(duì)于現(xiàn)有生產(chǎn)是一種嚴(yán)重的干擾。因此，在現(xiàn)有的狹小空間內(nèi)布置一個(gè)能夠滿足已經(jīng)充完磁轉(zhuǎn)軸的機(jī)構(gòu)是一個(gè)必要條件。

4.上料機(jī)械結(jié)構(gòu)要求分析

結(jié)合上料的技術(shù)分析，上料機(jī)構(gòu)的容量計(jì)算、零件特點(diǎn)以及現(xiàn)有場(chǎng)地布局，轉(zhuǎn)軸只能采用多排堆垛式上料。堆垛起來的兩個(gè)相鄰轉(zhuǎn)軸塑料與磁鐵相接觸，避免了磁鐵之間的吸附，同時(shí)一排轉(zhuǎn)軸放置在一個(gè)透明塑料圓筒當(dāng)中，確保了實(shí)時(shí)消耗的可視化，多排塑料管道采用機(jī)械機(jī)構(gòu)固定。整個(gè)機(jī)構(gòu)底部有一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，伺服機(jī)構(gòu)安裝一個(gè)接料板，接料板端部設(shè)計(jì)一個(gè)沉孔。當(dāng)伺服運(yùn)動(dòng)至某一排轉(zhuǎn)軸下方，塑料透明管道內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸因自身重力作用掉落在接料板沉孔內(nèi)，伺服機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)軸運(yùn)輸至待抓取位置，就完成了一次轉(zhuǎn)軸的上料。同時(shí)由于接料板除沉孔部位外，其他部位與塑料管道內(nèi)的轉(zhuǎn)軸貼合不會(huì)導(dǎo)致非消耗位置轉(zhuǎn)軸的卡滯。

上料機(jī)構(gòu)物料消耗完畢后需要換另外一個(gè)帶有轉(zhuǎn)軸的上料機(jī)構(gòu)（見圖2）。對(duì)于裝有物料后整體機(jī)構(gòu)的質(zhì)量IE要求≤8kg，由于轉(zhuǎn)軸是已經(jīng)充完磁的材料，因此整個(gè)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)軸接觸的部分未非磁性材料，防止上料時(shí)的因磁性吸附導(dǎo)致的卡料。

圖2 轉(zhuǎn)軸自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)示意

5.上料機(jī)構(gòu)軟件控制關(guān)鍵要求分析

轉(zhuǎn)軸靠自身重力落在接料板沉孔內(nèi)時(shí)，需要有一個(gè)傳感器檢測(cè)，且傳感器的閾值需要采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)原理±3s來設(shè)置，這樣能保證沒有誤檢測(cè)。只有轉(zhuǎn)軸完全落在沉孔后傳感器檢測(cè)到，伺服方可運(yùn)動(dòng)。考慮到一次上料不可能將整個(gè)機(jī)構(gòu)當(dāng)中的轉(zhuǎn)軸消耗完畢，可能半盤就要換型，設(shè)備重新回原點(diǎn)位，剩余的半盤物料在下次生產(chǎn)四極轉(zhuǎn)軸時(shí)重新上料。設(shè)備換型后會(huì)從第一排開始自動(dòng)運(yùn)輸上料，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備效率，因此，軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須在控制面板上設(shè)計(jì)留有可視化可重置的轉(zhuǎn)軸消耗示意圖。如果是半盤物料，在換型或者設(shè)備維修重新回零后，將沒有物料位置的標(biāo)識(shí)位“置空”，這樣設(shè)備就會(huì)從有料的位置開始運(yùn)輸物料，提高生產(chǎn)效率。標(biāo)識(shí)位置如圖3所示。

圖3 標(biāo)識(shí)位置示意

6.實(shí)施后效果

實(shí)施后的布局如圖4所示，滿足了四極轉(zhuǎn)軸的上料，不改變其他工位設(shè)備布局，保留了維修空間，節(jié)省場(chǎng)地面積2m2，節(jié)省設(shè)備投資約50萬元。

圖4 實(shí)施后效果

不同零件自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)研究與應(yīng)用

1.任意零件放置姿態(tài)的振動(dòng)盤上料

振動(dòng)盤適用于較小零件的振動(dòng)上料，太大的零件會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)機(jī)構(gòu)體積較大，占地面積較大，不符合精益生產(chǎn)的理念。其原理是一種自動(dòng)組裝或自動(dòng)加工機(jī)械的輔助送料設(shè)備。它能把各種產(chǎn)品有序地排列出來，配合自動(dòng)組裝設(shè)備將產(chǎn)品各個(gè)部位組裝起來成為完整的一個(gè)產(chǎn)品，或者配合自動(dòng)加工機(jī)械完成對(duì)工件的加工。振動(dòng)盤料斗下面有個(gè)脈沖電磁鐵，可以使料斗作垂直方向振動(dòng)，由傾斜的彈簧片帶動(dòng)料斗繞其垂直軸做扭擺振動(dòng)，料斗內(nèi)零件由于受到這種振動(dòng)而沿螺旋軌道上升。在上升的過程中經(jīng)過一系列軌道的篩選或者姿態(tài)變化，零件能夠按照組裝或者加工的要求呈統(tǒng)一狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入組裝或者加工位置。其工作目的是通過振動(dòng)將無序工件自動(dòng)有序定向排列整齊，準(zhǔn)確地輸送到下道工序。螺釘類零件、墊片類零件、小滾子類零件以及塑料類、金屬類的零件都可用振動(dòng)盤上料，如圖5所示。

圖5 振動(dòng)盤上料示意

2.帶有視覺引導(dǎo)無序抓取上料

無序抓取適用于零件較大或柔性要求較高的工位，但是需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料的工位，零件可以隨意放置，對(duì)零件包裝要求較低，但是必須采用視覺引導(dǎo)加機(jī)械手實(shí)現(xiàn)零件的抓取。機(jī)械手和視覺系統(tǒng)可以回收利用，即使生產(chǎn)線停止生產(chǎn)后，機(jī)械手和視覺系統(tǒng)可以安裝在其他新的產(chǎn)線，降低設(shè)備的投資。如圖6所示。

圖6 視覺引導(dǎo)無序抓取示意

3.零件堆垛式自動(dòng)上料

如圖7所示，針對(duì)盤轉(zhuǎn)類、碟片類小零件可采用堆垛式上料機(jī)構(gòu)，如彈簧卡圈，將卡圈堆垛在一個(gè)仿形機(jī)構(gòu)當(dāng)中，正下方采用一個(gè)帶有卡圈外圈仿形的氣缸切料機(jī)構(gòu)。當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)至擋圈正下方時(shí)，擋圈在自身重力作用下掉落至仿形機(jī)構(gòu)中，傳感器檢測(cè)到擋圈落到位，氣缸機(jī)構(gòu)將擋圈運(yùn)輸至待夾取位置。

圖7 擋圈自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)示意

4.單層坐標(biāo)式自動(dòng)上料

對(duì)于小零件且有電氣性能要求的精密零件，顯然其他方式會(huì)損傷零件。如帶有電氣元件的PCB（見圖8），要求采用塑料盤包裝物料，采用伺服機(jī)構(gòu)加負(fù)壓吸頭逐個(gè)吸取PCB，確保零件上料過程當(dāng)中不會(huì)影響質(zhì)量。

圖8 包裝塑料盤上料機(jī)構(gòu)示意

5.箱柜多層坐標(biāo)式自動(dòng)上料

如圖9所示，箱柜式上料一般適用于較大零件的上料，其一般要求各個(gè)零件在塑料盤當(dāng)中定位可靠。將每一個(gè)塑料盤放置在一個(gè)料架當(dāng)中，伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際需要移載料架當(dāng)中的某一層物料，抓取機(jī)構(gòu)在取料位置按照坐標(biāo)逐一取料，抓取機(jī)構(gòu)可以是龍門式氣缸或伺服機(jī)構(gòu)，也可以是機(jī)械手。當(dāng)塑料盤當(dāng)中的物料消耗完畢后，伺服機(jī)構(gòu)將塑料盤退回料架當(dāng)中，操作工按照要求對(duì)空料位置進(jìn)行補(bǔ)料。

圖9 箱柜式自動(dòng)上料示意

6.不同自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析

針對(duì)不同的零件形態(tài)，結(jié)合工藝規(guī)劃、投資成本選用合適的上料機(jī)構(gòu)可滿足精益規(guī)劃要求。不同類型的上料方式的優(yōu)劣勢(shì)見表1。

表1 不同上料方式的優(yōu)劣勢(shì)

結(jié)語

通過研究分析已充磁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)線布局，實(shí)現(xiàn)了低成本、高自動(dòng)化、占地面積小等特點(diǎn)的自動(dòng)上料，滿足了生產(chǎn)效率要求。同時(shí)通過案例分析介紹，針對(duì)不同類型的零件形式的不同上料方式進(jìn)行了對(duì)比分析，分別列出了其優(yōu)劣勢(shì)，供生產(chǎn)線規(guī)劃自動(dòng)化上料時(shí)參考。