余濤,殷旅江,周晶晶,祝定勍,任小冬,汪鐵云
1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 湖北十堰 442000
2.十堰國(guó)藥東風(fēng)口腔醫(yī)院 湖北十堰 442002
3.東風(fēng)汽車動(dòng)力零部件有限公司 湖北十堰 442000
風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻系統(tǒng)及切削液的散熱。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫工作環(huán)境下必須得到適度的冷卻,保證其在適宜的溫度下工作,才能發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)良好的工作性能,滿足耐久性和廢氣排放的要求。風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)在此起著關(guān)鍵性作用,可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)因高溫而產(chǎn)生故障。這也對(duì)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體(見圖1)的加工、裝配及使用性能提出了很高的要求,運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線產(chǎn)能的提升、質(zhì)量的保證及人員的解放勢(shì)在必行[1-3]。
圖1 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體
風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體零件主要加工要求見表1,原工藝平面布置方式如圖2所示(圖中圓圈標(biāo)記為操作者位置),原加工工藝流程見表2。
表1 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體零件主要加工要求 (單位:mm)
圖2 原工藝平面布置方式
表2 原加工工藝流程
原工藝過(guò)程存在的主要問(wèn)題如下。
1)自動(dòng)化程度很低。加工中主要依靠人工進(jìn)行送料、裝夾、取料和檢驗(yàn)等,人工轉(zhuǎn)運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大,零件表面易產(chǎn)生磕碰傷。
2)質(zhì)量保障能力較低。生產(chǎn)中人為因素較多,質(zhì)量保障狀態(tài)不可控,檢測(cè)方式及測(cè)量?jī)x器可操作性差。
3)生產(chǎn)效率較低。周邊銑削毛刺需手工去除,生產(chǎn)過(guò)程全部靠人工來(lái)完成。設(shè)備平行布局比較適合多品種柔性化生產(chǎn),但在“一人三機(jī)”的作業(yè)模式下,工序之間距離最長(zhǎng)達(dá)4.95m,操作人員行走路線較長(zhǎng),勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品質(zhì)量難以保障。操作人員受生理因素的限制,不能持續(xù)高負(fù)荷地響應(yīng)設(shè)備節(jié)拍,勢(shì)必影響生產(chǎn)線的效率。
以汽車零部件發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體加工工序的智能制造單元為背景,集成工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等模塊,融入MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與可視化,通過(guò)工作島設(shè)備與信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)離散型工作島智能化。
風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體加工島合二為一,拋棄車削工藝,4臺(tái)加工中心組合成島平行布局,并輔以第七軸,由1臺(tái)關(guān)節(jié)臂機(jī)器人值守(見圖3)。結(jié)合設(shè)備外形尺寸確定機(jī)器人的工作范圍,結(jié)合機(jī)加夾具裝夾數(shù)量確定夾指結(jié)構(gòu),結(jié)合零件質(zhì)量確定機(jī)器人的額定負(fù)載。
圖3 關(guān)節(jié)臂機(jī)器人
(1)自動(dòng)上下料 采用自動(dòng)上下料機(jī)器人設(shè)備組成自動(dòng)上下料系統(tǒng),整體布局如圖4所示,主要由六軸關(guān)節(jié)臂機(jī)器人、上料輸送鏈、下料輸送鏈、缺料檢測(cè)機(jī)構(gòu)、零件定位機(jī)構(gòu)、零件矯姿機(jī)構(gòu)、零件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、零件轉(zhuǎn)存機(jī)構(gòu)和切屑清理機(jī)構(gòu)等組成。
圖4 自動(dòng)上下料系統(tǒng)整體布局
自動(dòng)上下料工藝流程為:首先通過(guò)物流小車將物料放置在輸送鏈上,然后運(yùn)用六軸機(jī)器人進(jìn)行物料抓取,通過(guò)機(jī)械抓手進(jìn)行定位并將物料放置到夾具上,加工中心進(jìn)行加工,完成后機(jī)器人取料并放置到下一工序夾具中。自動(dòng)上下料工作站如圖5所示,可完成加工設(shè)備連線、零件碼放、區(qū)域作業(yè)陣地的上料和下料等工作,減少重復(fù)且無(wú)創(chuàng)造性的勞動(dòng),降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。
圖5 自動(dòng)上下料工作站
(2)定位可靠 機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由機(jī)器人抓手、萬(wàn)向浮動(dòng)順從裝置、機(jī)器人碰撞傳感器、零件檢測(cè)裝置和機(jī)器人毛刺清理工具等組成。萬(wàn)向浮動(dòng)順從裝置(見圖6)是零件在夾具上可靠定位的關(guān)鍵,機(jī)器人上料雖然是按坐標(biāo)定位,但考慮到零件個(gè)體的差異及抓料的誤差,坐標(biāo)設(shè)定時(shí)必須要“過(guò)定位”,因此需要借助該裝置1~2mm的調(diào)節(jié)量來(lái)抵消這種誤差,確保零件“定準(zhǔn)位”[4,5]。
圖6 萬(wàn)向浮動(dòng)順從裝置
(3)采用集成工序 重新組合工序,實(shí)現(xiàn)“以鏜代車”(見圖7)。風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體加工島摒棄車削工序,3道工序重新組合為2道工序。既能節(jié)省設(shè)備資源,同時(shí)又減少了零件裝夾次數(shù),工藝穩(wěn)定性更高,而且工序集成化恰好又降低了智能改造的難度。
圖7 “以鏜代車”工藝優(yōu)化
該集成工序集成了加工中心、機(jī)器人和自動(dòng)輸送鏈系統(tǒng),在確保產(chǎn)品高精度要求的同時(shí),以自動(dòng)化解決了生產(chǎn)效率提升的掣肘。
(4)精益生產(chǎn) 通過(guò)作業(yè)觀察,發(fā)現(xiàn)機(jī)器人串行作業(yè)模式一旦被人工干預(yù),3臺(tái)設(shè)備中可能會(huì)存在多達(dá)2臺(tái)設(shè)備待料的情況,直到下一個(gè)作業(yè)循環(huán)開始。改為并行作業(yè)模式后(見圖8),3臺(tái)設(shè)備中無(wú)論哪臺(tái)先加工完成,或是哪臺(tái)需要上下料,都不受任何工況影響,使生產(chǎn)效率最大化。
圖8 串行模式優(yōu)化為并行模式
(5)自動(dòng)去毛刺與清潔模塊 自動(dòng)去毛刺裝置如圖9所示,通過(guò)優(yōu)化刀具角度來(lái)控制毛刺形狀,并通過(guò)調(diào)整切削軌跡來(lái)控制毛刺大小,使用高速專用倒角刀進(jìn)行自動(dòng)去毛刺操作。
圖9 自動(dòng)去毛刺裝置
高壓定點(diǎn)沖(吹)屑能確保零件清潔及定位可靠(見圖10),使操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步降低,節(jié)省加工時(shí)間。
圖10 高壓定點(diǎn)沖屑
(6)定點(diǎn)檢測(cè)模塊 定點(diǎn)抽檢臺(tái)如圖11所示,抽檢模式的設(shè)計(jì)更有利于質(zhì)量管控,而且抽檢靈活性更高,無(wú)需中斷加工島生產(chǎn),機(jī)器人可自動(dòng)將抽檢零件送至指定位置。
圖11 定點(diǎn)抽檢臺(tái)
(7)生產(chǎn)信息數(shù)字化 按照生產(chǎn)管理的需要,建立相應(yīng)的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),如圖12所示。
圖12 生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)
實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)顯示設(shè)備和工序的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)信息,進(jìn)行報(bào)警信息監(jiān)控及刀具壽命管理,生產(chǎn)管理人員可以及時(shí)查看生產(chǎn)運(yùn)行的現(xiàn)行狀態(tài)和生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)。通過(guò)ERP系統(tǒng)接收客戶計(jì)劃訂單,利用MES系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度及組織生產(chǎn),同時(shí)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行管理、質(zhì)量控制和追溯,接入PDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全生命周期管理,滿足商用車零件生產(chǎn)流程的智能化。另外,通過(guò)管理系統(tǒng)和車間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)車間管理智能化:通過(guò)WMS系統(tǒng)進(jìn)行物料的供給管理,保證產(chǎn)品、物料質(zhì)量的可追溯性;通過(guò)構(gòu)建車間網(wǎng)絡(luò)和信息安全體系以及SCADA系統(tǒng)對(duì)車間設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行有效監(jiān)控,保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)(見圖13)。
圖13 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控
普通加工和智能制造效果對(duì)比見表3。
表3 普通加工和智能制造效果對(duì)比
通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證,運(yùn)用智能制造方案,風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體“機(jī)器換人”項(xiàng)目完成后取得了顯著的效果。
1)新工藝流程中的單班操作人員由原來(lái)的14人減少為8人,合計(jì)減少6名操作者,降低人工成本 48萬(wàn)元/年(按兩班制統(tǒng)計(jì))。
2)加工設(shè)備由原來(lái)的9臺(tái)減少至現(xiàn)在的6臺(tái),大大降低了設(shè)備投入成本。
3)產(chǎn)品質(zhì)量保障能力得到全面提升,產(chǎn)品一次合格率由95.4%提高到99.2%。
4)通過(guò)機(jī)械連續(xù)作業(yè)與智能化加工方法的結(jié)合,生產(chǎn)線產(chǎn)能相比人工上下料JPMH(人均小時(shí)勞動(dòng)生產(chǎn)率)提升11%,大幅度降低了生產(chǎn)的綜合管理成本,每年多創(chuàng)造產(chǎn)值近300萬(wàn)元。
風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體的智能制造方案,不僅是實(shí)現(xiàn)零件加工自動(dòng)化、提高生產(chǎn)效率和滿足產(chǎn)品制造精度要求的較好方法,而且為企業(yè)提升經(jīng)營(yíng)效益提供了重要保障。后續(xù)計(jì)劃將智能制造自動(dòng)化機(jī)械加工設(shè)備、自動(dòng)去毛刺的工藝方法進(jìn)行橫向推廣,應(yīng)用到其他系列風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)本體及系列主軸承蓋產(chǎn)品的加工中,進(jìn)一步提高生產(chǎn)效益,降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。