李書(shū)劍，吳 丹

半自動(dòng)助力臂在汽車總裝線中的應(yīng)用

李書(shū)劍，吳 丹

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

汽車裝配線作為汽車制造過(guò)程的關(guān)鍵工序，操作員工多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此作為減輕員工作業(yè)強(qiáng)度的工藝裝備——助力臂得到廣泛應(yīng)用。隨著智能制造的推廣，汽車制造也逐步向自動(dòng)化、半自動(dòng)化的方向轉(zhuǎn)化。文章通過(guò)分析總裝車間助力臂的特點(diǎn)，以天窗為例，解決來(lái)料定位、取料、進(jìn)入車身等過(guò)程遇到的難點(diǎn)，順利開(kāi)發(fā)了天窗半自動(dòng)助力臂，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員投入，降低制造成本。最后提出半自動(dòng)助力臂推廣應(yīng)用的展望，為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，智能制造跨出重要的一步做準(zhǔn)備。

助力臂；半自動(dòng)；總裝線

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，汽車走入了千家萬(wàn)戶，成為人們出行的一種主要交通工具，如何縮短汽車生產(chǎn)周期，在最短的時(shí)間內(nèi)制造出物美價(jià)廉的產(chǎn)品是汽車企業(yè)生存與發(fā)展的關(guān)鍵[1]。汽車制造中最后一環(huán)的汽車裝配線，也是關(guān)鍵工序之一，對(duì)汽車性能、質(zhì)量有著直接的影響[2]。在傳統(tǒng)汽車制造中，裝配線零件多而零散，部分零件質(zhì)量較重，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，作為減輕員工作業(yè)強(qiáng)度的工藝裝備，助力臂被諸多汽車廠廣泛應(yīng)用于汽車裝配線，諸如儀表板、擋風(fēng)玻璃、座椅、車門、蓄電池、輪胎、天窗、油箱等[3]。

本文主要通過(guò)分析汽車助力臂的應(yīng)用背景，探討半自動(dòng)助力臂應(yīng)用條件以及需要解決的難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出天窗、座艙模塊等半自動(dòng)助力臂，并推廣到后橋、備胎等助力臂，以及提出其他模塊或者大零件助力臂向半自動(dòng)化的可能性。

1 裝配車間特點(diǎn)及助力臂的發(fā)展

1.1 裝配車間特點(diǎn)

隨著汽車的發(fā)展，汽車向模塊化發(fā)展，通過(guò)集成模塊間的劃分，可實(shí)現(xiàn)模塊間的自由組合，滿足不同用戶個(gè)性化、定制化需求與專項(xiàng)功能需求，提升企業(yè)的設(shè)計(jì)實(shí)施效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量，使平衡式生產(chǎn)作業(yè)模式變得更易實(shí)現(xiàn)[4]。但模塊化也帶來(lái)了挑戰(zhàn)，例如大多數(shù)模塊一般質(zhì)量較重。

在汽車總裝線上主要的模塊有座艙模塊（coc- kpit）、頂襯模塊（headliner）、前懸架模塊（front vertical suspension）、副車架模塊（front horizontal module）、后橋模塊（rear axle）、輪胎及備胎模塊（wheel tire & spare tire）、前端模塊或者散熱器模塊（CRFM）等，如圖1。

①—cockpit；②—headliner；③—front vertical suspension；④—front horizontal module；⑤—rear axle；⑥—wheel tire；⑦—CRFM。

1.2 助力臂的發(fā)展

助力臂巧妙地應(yīng)用力的平衡原理，使操作者對(duì)重物進(jìn)行相應(yīng)的推拉，就可在空間內(nèi)平衡移動(dòng)定位。重物在提升或下降時(shí)形成浮動(dòng)狀態(tài)，無(wú)需熟練的點(diǎn)動(dòng)操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正確地放到空間中的任何位置，因此在汽車總裝線上得到廣泛的應(yīng)用[5]。在汽車裝配線上，主要應(yīng)用在車門的拆裝、天窗助力臂、座艙模塊助力臂、座椅助力臂、副車架助力臂、后橋助力臂等。

一套完整的助力臂主要由三部分組成：助力臂主體、抓取夾具（機(jī)械手）及安裝結(jié)構(gòu)。如圖2的車門助力臂，①為助力臂主體，控制助力臂的夾取以及移動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮空載或者夾取工件的重力平衡；②為直接夾取車門的機(jī)械手部分，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮同工廠不同平臺(tái)的零件差異；③是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行對(duì)接的部分，例如可以與鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。

①—助力臂主體；②—機(jī)械手；③—安裝結(jié)構(gòu)。

工業(yè)4.0及智能制造2025的倡導(dǎo)，汽車制造已逐步向“電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化”的新四化發(fā)展，因此對(duì)助力臂提出了新的要求，需逐步向半自動(dòng)、全自動(dòng)助力臂轉(zhuǎn)化。

①—快進(jìn)工位；②—靜止工位，安裝；③—快出工位。

由于全自動(dòng)的助力臂一般需要有一個(gè)完全靜止的工位（如圖3中的工位②）以方便車身和零件進(jìn)行精準(zhǔn)拼合，在前后各一個(gè)工位有追趕的操作，如圖3中的①、③工位，對(duì)生產(chǎn)線改造較大、費(fèi)用較高，所以本文主要推廣的為半自動(dòng)助力臂，即助力臂自動(dòng)取料進(jìn)入車身后，手工拼合安裝，拼合后自動(dòng)返回進(jìn)行下一個(gè)操作循環(huán)，既可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，又可降低投資成本。

2 天窗半自動(dòng)助力臂在總裝線的應(yīng)用

汽車天窗主體材料是玻璃，能夠改善車內(nèi)空氣流通，增加新鮮空氣，開(kāi)闊視野，帶來(lái)健康舒適感受。在市場(chǎng)調(diào)研中，已有近半數(shù)的消費(fèi)者認(rèn)為天窗對(duì)購(gòu)車重要，天窗的新車裝車率呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)。由于天窗體積大、質(zhì)量重，所以一般由助力臂輔助操作。

圖4 天窗助力臂操作圖

隨著車型尺寸逐步加大，在取天窗到主線時(shí)增加了難度，需要通過(guò)增加輔助人員和操作工時(shí)來(lái)滿足天窗取料及安裝，從而造成非增值操作，提高了整車制造成本，因此開(kāi)發(fā)一種半自動(dòng)天窗助力臂對(duì)制造過(guò)程有著重要的意義。

在制造助力臂過(guò)程中存在一些制造難點(diǎn)：（1）天窗來(lái)料位置的精確性；（2）天窗助力臂與料架的順利對(duì)接；（3）天窗順利進(jìn)入車身并加以拼合。在該案例中，主要開(kāi)發(fā)的是半自動(dòng)助力臂，因此天窗進(jìn)入車身后的拼合過(guò)程中采用的是人工操作，其他操作均由助力臂通過(guò)程序控制自動(dòng)完成。

2.1 物料的精確定位

想實(shí)現(xiàn)物料的精確夾取，首先需要解決的是物料位置的一致性和唯一性。

當(dāng)天窗料架通過(guò)AGC驅(qū)動(dòng)天窗料架移動(dòng)到圖示中左右防撞桿之間，AGC通過(guò)預(yù)埋的感應(yīng)磁條進(jìn)行初導(dǎo)向，進(jìn)入圖5防撞桿①區(qū)域后，再次導(dǎo)向，最后通過(guò)防撞桿②精確導(dǎo)向天窗料架的位置，防止天窗料架的左右方向躥動(dòng)，從而保證了天窗的向定位。

圖5 天窗料架Y向定位

圖6 天窗料架X向定位

當(dāng)料架進(jìn)入助力臂可抓取的區(qū)域后，由移栽機(jī)上的機(jī)構(gòu)③和④對(duì)料架夾緊，以保證料架前后躥動(dòng)，從而保證了天窗的向定位，如圖6。

2.2 助力臂的精確夾取

天窗料架保證了天窗的精確定位，天窗移載機(jī)可以不斷抓取料架上的天窗，從而保證了天窗在向位置的一致性，因此助力臂只需要這個(gè)特定的位置就可以實(shí)現(xiàn)與移載機(jī)的對(duì)接操作。

圖7 天窗移載機(jī)和助力臂

本案例天窗移載機(jī)上裝有檢測(cè)傳感器，如圖7中的Ⅰ和Ⅱ，考慮到不同車型的大小天窗，本案例引入兩個(gè)傳感器進(jìn)行感應(yīng)識(shí)別，如果Ⅱ無(wú)相應(yīng)，反饋助力臂為小天窗。同時(shí)傳感器Ⅰ和Ⅱ可以檢測(cè)到天窗料架上天窗的位置，啟動(dòng)取料架，吸起天窗，等待天窗助力臂夾??；當(dāng)檢測(cè)到天窗料架上無(wú)天窗時(shí)，釋放圖6中的夾緊機(jī)構(gòu)，反饋AGC進(jìn)行天窗補(bǔ)料。

2.3 助力臂夾取天窗進(jìn)入車身

解決物料的精確夾取問(wèn)題后，下一步就是解決輔助臂順利進(jìn)入車身的問(wèn)題，可以通過(guò)光柵識(shí)別車輛進(jìn)入工位后，助力臂進(jìn)行向移動(dòng)，將天窗移動(dòng)設(shè)定的位置后，通過(guò)操作人員對(duì)助力臂進(jìn)行微調(diào)，以便天窗上的安裝孔對(duì)準(zhǔn)車身安裝孔，最后安裝天窗。

完成一個(gè)循環(huán)后，操作者打開(kāi)助力臂上的自動(dòng)取料按鈕，助力臂將自動(dòng)返回天窗料架位置，接取下一個(gè)天窗，進(jìn)行循環(huán)操作。

2.4 效益分析

通過(guò)以上對(duì)半自動(dòng)助力臂特點(diǎn)的分析，并通過(guò)合理使用機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器等，從而解決助力臂中的物料定位、助力臂順利對(duì)接、物料自動(dòng)補(bǔ)充等的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，最后開(kāi)發(fā)出半自動(dòng)助力臂，如圖8。

①—助力臂；②—移載機(jī)；③—料架。

使用該設(shè)備后，減少了取料、取料過(guò)程中定位天窗、天窗助力臂返回等非增值操作，具體節(jié)省時(shí)間見(jiàn)表1，并且該設(shè)備已經(jīng)對(duì)天窗進(jìn)行自動(dòng)定位，提高裝配的一致性和穩(wěn)定性。

表1 半自動(dòng)助力臂節(jié)省時(shí)間

操作時(shí)間/s 移動(dòng)天窗助力臂到料架8 定位天窗，取料5 天窗助力臂移除工位3 合計(jì)16

3 半自動(dòng)助力臂在汽車總裝線的推廣

根據(jù)上文分析，可以從模塊的精確定位、自動(dòng)取料等方式考慮模塊半自動(dòng)助力臂的可行性，從而開(kāi)發(fā)出座艙模塊半自動(dòng)助力臂（圖9）、后橋半自動(dòng)助力臂（圖10）、備胎自動(dòng)放置助力臂等，并已應(yīng)用到汽車裝配線上，提高了總裝車間自動(dòng)化使用效率，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖9 座艙模塊半自動(dòng)助力臂

圖10 后橋半自動(dòng)助力臂

根據(jù)之前模塊化的分析，以及汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，目前車門、前懸、副車架、風(fēng)擋玻璃、散熱器、排氣管等零件質(zhì)量較重，也需要助力臂輔助安裝。由于風(fēng)擋玻璃為吸盤式，安裝時(shí)有定位銷，也逐漸實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化或自動(dòng)化的助力臂；其他零件，如排氣管、散熱器等，不同車型的造型不同，零件差異性較大，對(duì)多車型的工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化還存在一定難度。

4 結(jié)論

本文主要分析了助力臂在汽車裝配線上的重要作用，根據(jù)智能制造的發(fā)展觀點(diǎn)，分析半自動(dòng)化助力臂開(kāi)發(fā)的必要性以及開(kāi)發(fā)難點(diǎn)，從物料的精確定位、助力臂與物料的順利對(duì)接等方面進(jìn)行了分析，從而開(kāi)發(fā)了天窗半自動(dòng)助力臂，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)、半自動(dòng)助力臂應(yīng)用情況，進(jìn)而推廣到座艙、后橋、備胎等模塊。

通過(guò)半自動(dòng)助力臂的使用，可以節(jié)省非增值操作時(shí)間，從而可以轉(zhuǎn)化為提高操作效率，減少勞動(dòng)人數(shù)投入，進(jìn)而降低整車制造成本，并且可以提高總裝車間的自動(dòng)化比率，為智能制造做準(zhǔn)備。

隨著智能制造的發(fā)展，無(wú)論主機(jī)廠還是助力臂制造商都加大了投資力度，相信在不久的將來(lái)，半自動(dòng)、自動(dòng)助力臂將在汽車裝配廠得到廣泛的應(yīng)用。

[1] 李偉偉,劉小兵,王德明,等.淺談模塊化設(shè)計(jì)在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].汽車零部件,2013(03):98-100.

[2] 張少輝.助力機(jī)械在汽車裝配調(diào)整線上的應(yīng)用及設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù),2008(08):168-169+173.

[3] 張金枝,肖立軍.助力機(jī)械手在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用[A].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)工業(yè)自動(dòng)化分會(huì).企業(yè)應(yīng)用集成系統(tǒng)與技術(shù)學(xué)術(shù)研究會(huì)論文集[C].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)工業(yè)自動(dòng)化分會(huì):中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化分會(huì),2006:3.

[4] 王運(yùn)峰.模塊化設(shè)計(jì)在專用汽車制造中的優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用示例[J].商用汽車,2019(06):46-49.

[5] 卜東飛,肖洋,潘雷.助力機(jī)械手在汽車總裝車間的應(yīng)用[J].汽車制造業(yè),2017(016):56-57.

Application of Semi-automatic Assist Arm in Automobile Assembly Line

LI Shujian, WU Dan

( SAIC General Motors Co., Ltd., Shanghai 201206 )

As the key process of automobile manufacturing, automobile assembly line has many opera- tors and great labor intensity. As the technological equipment to reduce the working intensity of emplo- yees, assist arm has been widely used. With the popularization of intelligent manufacturing, automobile manufacturing has gradually turned to automation and semi-automation. By analyzing the characteristics of the assist arm in the assembly plant, and taking the sunroof as an example, this paper solves the difficulties encountered in the process of positioning, taking materials and entering the car body, and successfully develops the semi-automatic sunroof assist arm, then to reduce labor intensity, personnel input and manufacturing cost. Furthermore, the prospect of popularization and application of semi- automatic assist arm is put forward to prepare for the important step of reducing labor intensity and intelligent manufacturing.

Assist arm; Semi-automatical; General assembly line

TK416+.4

A

1671-7988(2022)02-123-05

TK416+.4

A

1671-7988(2022)02-123-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.028

李書(shū)劍，男，中級(jí)工程師，現(xiàn)任上汽通用汽車有限公司VME總裝工藝工程師，熟悉汽車開(kāi)發(fā)流程，通過(guò)虛擬評(píng)估確保產(chǎn)品的可裝配性，并不斷優(yōu)化設(shè)備投資和工藝設(shè)計(jì)，推動(dòng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作順利進(jìn)行。