張勇,楊麗,章翔,陳桂虎
浙江奇碟汽車零部件有限公司 浙江湖州 313113
汽車行業(yè)是智能制造主要推廣領(lǐng)域之一。而汽車產(chǎn)業(yè)的上游核心零部件企業(yè),特別是在重型商用車領(lǐng)域,仍存在智能制造水平低、制造技術(shù)與信息技術(shù)的融合度差等問題。在汽車“新三化”(即電動化、智能化和共享化)背景下,汽車離合器行業(yè)既面臨巨大挑戰(zhàn),也迎來研發(fā)轉(zhuǎn)型機遇[1]。高端重卡對離合器性能需求已有轉(zhuǎn)變,特別是自動擋變速器應(yīng)用產(chǎn)品,操作系統(tǒng)的電控化不斷加速著智能制造轉(zhuǎn)型進程。離合器產(chǎn)品智能制造及檢測的綜合集成水平提升成為行業(yè)焦點。
汽車離合器是底盤傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件,最早出現(xiàn)于19世紀(jì)20年代。離合器總成主要由主動部件(離合器蓋總成)和從動部件(離合器盤總成)組成,圖1為典型的拉式離合器總成。離合器安裝于發(fā)動機與變速器之間,完成動力輸送,并在換擋及駐停時進行動力切斷,從而起到平穩(wěn)起步、動力傳輸、平順換擋及過載保護等作用。
圖1 拉式離合器總成
離合器行業(yè)發(fā)展受能源革命的影響,傳統(tǒng)的干摩擦式離合器已經(jīng)受到?jīng)_擊。尤其在乘用車領(lǐng)域,汽車電動化、新能源的推進基本終結(jié)了傳統(tǒng)離合器的應(yīng)用。而在商用車領(lǐng)域,干摩擦式離合器雖仍被廣泛使用,但手動擋變速器(MT)已漸漸被自動擋變速器(AMT)所替代,其控制方式如圖2所示。AMT保留了干摩擦式離合器功能結(jié)構(gòu),但其控制系統(tǒng)的創(chuàng)新升級,對離合器的穩(wěn)定性、一致性、平順性和使用壽命等提出了更高的要求。
圖2 變速器控制示意
為了滿足這些要求,高端重卡離合器(見圖3)除了在功能結(jié)構(gòu)件上進行提升,還需要在其復(fù)雜繁瑣的裝配工藝和檢測精度上實施創(chuàng)新提升,因此要借助智能化的策劃實施。
圖3 重卡離合器結(jié)構(gòu)示意
相對來講,蓋總成組成零件和工序較少,智能化生產(chǎn)實現(xiàn)也較容易。盤總成因零部件較多,特別是彈性元件、回轉(zhuǎn)元件、阻尼元件和怠速元件等零件覆蓋數(shù)量多,所以裝配工藝較繁瑣[2]。本文以離合器盤總成生產(chǎn)線為例,介紹智能化解決方案。
根據(jù)裝配流程和質(zhì)量控制要求,對智能作業(yè)進行整體策劃。整條輸送線呈長條型布局設(shè)計(見圖4),各工序島采取線下獨立作業(yè)的方式,輸送線設(shè)立止推機構(gòu)對載料盤進行限位固定和放行輸送。裝配和檢測獨立分段,兩段之間設(shè)置緩存上料區(qū)柔性銜接,各自可單獨作業(yè),方便機動靈活的前后段維修和維護[3]。
圖4 整線布局策劃
裝配各工作站設(shè)置第一PLC控制器,檢測各質(zhì)檢站設(shè)置第二PLC控制器,兩PLC通過以太網(wǎng)與主控制系統(tǒng)連接。裝配各工位采用機械手或工業(yè)機器人抓取,檢測各工序由1臺工業(yè)機器人抓取產(chǎn)品,完成所有性能檢測后,再送回輸送線完成激光打碼,轉(zhuǎn)入包裝工序。同時,設(shè)置與各檢測特性相對應(yīng)的輸送輥道,分類處理不合格品。全線共設(shè)15個工位,自動裝配及檢測工位10個,人機協(xié)作裝配及核查工位1個,輔助工位3個,緩存區(qū)1個。全線占地面積440m2,作業(yè)區(qū)域采用鐵柵網(wǎng)和亞克力板隔離防護。整體智能制造工作區(qū)如圖5所示。
圖5 智能制造工作區(qū)
根據(jù)布局策劃,針對盤總成自動化生產(chǎn)線進行相關(guān)研發(fā)設(shè)計并制造,落地實施。
(1)減振器鉚接 采用機械桁架在自動儲料機構(gòu)(見圖6)依序逐一抓取零件,抓料機械手依次銜接拿取零部件至作業(yè)工序島內(nèi),采用雙工位裝配以符合節(jié)拍要求。鉚釘振動盤將鉚釘按規(guī)定方向排序至中間過渡位。CCD相機將目標(biāo)鉚釘?shù)膱D像信號傳送給處理系統(tǒng),精確鉚釘?shù)拈L度、位置和面積特征。抓料機械手準(zhǔn)確抓取合格鉚釘穿入鉚接孔內(nèi),壓鉚機完成兩工裝交替送入的部件鉚接裝配。減振器鉚接工序島局部如圖7所示。
圖6 自動儲料機構(gòu)
圖7 減振器鉚接工序島局部
因墩粗位置位于部件上方,鉚接后工件與后續(xù)實際裝配位置正好相反,故采用叉取翻轉(zhuǎn)機構(gòu)(見圖8)將部件叉取后進行180°翻轉(zhuǎn),以便銜接輸送后道工序。
圖8 叉取翻轉(zhuǎn)機構(gòu)
(2)阻尼元件裝配 阻尼元件厚度薄、質(zhì)量輕,易發(fā)生掉落以及抓取粘連問題,且阻尼片裝入時有周向定位要求,對端拾器要求較高。為防止拿多放多、抓取掉落等情況發(fā)生,采用軟質(zhì)氣吸結(jié)構(gòu)設(shè)計,控制吸力穩(wěn)定,保證抓取可靠性。在供料機構(gòu)上采用過渡工裝實施周向定位模擬,保證抓料手抓取后放入減振器部件的準(zhǔn)確度。抓料機械手順利完成抓件,并準(zhǔn)確裝配放置于減振器部裝中。阻尼裝配局部及抓料機械手如圖9所示。
圖9 阻尼裝配局部及抓料機械手
(3)彈簧分組裝配 彈簧裝配質(zhì)量直接決定總成扭轉(zhuǎn)特性的穩(wěn)定性和一致性。對彈簧實施分組工藝,完成減振彈簧壓并高度的篩選至關(guān)重要。方案實施時發(fā)現(xiàn),若彈簧不按特定的排序放置,會導(dǎo)致分擋彈簧數(shù)量不可計,且抓取彈簧時的順序問題,致使動作節(jié)拍變慢。為解決這個問題,設(shè)置裝配滾動通道(見圖10),對彈簧先進行自由長度分擋,裝入設(shè)有存放槽的彈簧放置板,再將放滿彈簧的存放板疊加于滾動通道,裝配時存放板移動至裝配位,裝完后存放板依次進行交換,有效提高了選取速度。
彈簧篩選機構(gòu)鄰設(shè)于滾動通道前端,夾取機構(gòu)將彈簧轉(zhuǎn)移輸出,對壓并高度進行測量,按設(shè)定長度范圍值放入指定的分組滾道(見圖11)。裝配時保證在同一滾道內(nèi)抓取規(guī)定數(shù)量的彈簧裝入減振器窗口,解決了彈簧裝配后壓縮長度差值大于裝配公差的技術(shù)難題。特別是對于彈簧并圈產(chǎn)生極限力矩?zé)o限位設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),可有效延長彈簧使用壽命。
圖11 篩選機構(gòu)分組滾道
(4)怠速部裝 怠速減振裝配是整條自動化生產(chǎn)線的設(shè)計難點,怠速蓋板形狀復(fù)雜,怠速彈簧線徑較細(xì),且涉及零件多,需要精細(xì)化動作。工序島設(shè)計符合人機工程,方案實施采用人工輔助裝配,人工輔位不變動并與機器作業(yè)區(qū)隔離不干涉。由1名專職人員負(fù)責(zé)怠速彈簧與蓋板的裝配,同時核實、檢查前面所有工序裝配的組件,無誤后拍下綠色“Pass”鍵,載物盤與裝配件步進后道工序。怠速組件的鉚壓以及中間過程、鉚壓后的抓取工作均自動化完成,鉚壓采用三工位圓周旋轉(zhuǎn)交替作業(yè),如圖12所示。
圖12 怠速部裝鉚壓
為實現(xiàn)裝配和檢測的柔性運作,兩段之間設(shè)置緩存上料區(qū)(見圖13)。當(dāng)檢測段不能正常運轉(zhuǎn)或需要維護時,裝配完成產(chǎn)品可在此區(qū)域緩存。同樣,當(dāng)裝配段不能正常運轉(zhuǎn)或需要維護時,產(chǎn)品可在此區(qū)域上料,平衡前后段的生產(chǎn)節(jié)拍和銜接。緩存上料區(qū)也可作為多規(guī)格產(chǎn)品的上料工位,不同規(guī)格的產(chǎn)品在此區(qū)域完成上料后,進行全自動化檢測,實現(xiàn)自動檢測的通用化作業(yè)。
圖13 緩存上料區(qū)
離合器檢測設(shè)備基本都是人工上料后進行自動檢測。因此,自動化檢測的實施主要是利用工業(yè)機器人完成產(chǎn)品上料和抓取周轉(zhuǎn),各檢測設(shè)備自動感應(yīng)啟停作業(yè),同時將所有檢測界面由OP顯示器實時同步傳遞,便于可視化管理,如圖14所示。此部分主要實施重點為送取料裝置、不合格處置和質(zhì)量系統(tǒng)追溯等方面。
圖14 自動化檢測區(qū)
(1)送取料裝置 為解決盤總成搬運定位和效率的技術(shù)問題,采用雙頭抓取裝置(見圖15)。抓取機構(gòu)設(shè)置A、B兩組,利用定位與夾緊組件配合實現(xiàn)對產(chǎn)品的抓取搬運,對總成盤轂進行插合定位,同時對總成圓周邊沿夾緊抓取,定位準(zhǔn)確的同時注重了對產(chǎn)品的防護。四自由度機械手利用雙頭抓取,通過點位、軌跡控制和伺服三級結(jié)構(gòu)控制實現(xiàn)多個工位共同使用。并且兩組抓取機構(gòu)工作時,A抓手持未作業(yè)產(chǎn)品進入工序,B抓手抓取完成工序產(chǎn)品,然后A抓手180°旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)品放入工序,B抓手持完成工序產(chǎn)品進入下一道工序,以此類推,極大地縮短了機械手的抓取軌跡,提高了生產(chǎn)節(jié)拍和效率[4]。
圖15 雙頭抓取裝置
(2)不合格處置 針對檢測不合格品,設(shè)置上下平行的兩組輸送線。根據(jù)檢測性能進行分類,即同一性能檢測不合格的產(chǎn)品放入同一條不合格輸送線。不合格品出現(xiàn)時,機械手會將其放入相對應(yīng)的輥道流出,并觸發(fā)相應(yīng)的計數(shù)器,每步進一個工位計數(shù)器減1,直到輸送線布滿報警,對不合格品進行離線處理后恢復(fù),完成不同特性不合格品的區(qū)分和離線處理。
(3)質(zhì)量追溯系統(tǒng) 產(chǎn)品的質(zhì)量追溯至關(guān)重要,尤其是對于產(chǎn)品的全生命周期管理。該生產(chǎn)線利用RFID電子標(biāo)簽為每個產(chǎn)品和載物盤賦碼,完成整個在線追溯。RFID讀、寫器自動讀寫數(shù)據(jù),完成采集、收集和儲存[5,6]。OP顯示器顯示所有過程的實時數(shù)據(jù)、實時報告和檢測記錄。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對各個工序進行不合格統(tǒng)計,并可根據(jù)在生產(chǎn)時設(shè)定的“批次號+流水號”查找到歷史檢測數(shù)據(jù),也可調(diào)出追溯產(chǎn)品的曲線圖,同時顯示產(chǎn)品的零部件供應(yīng)商,實現(xiàn)正向和反向追溯,方便查找質(zhì)量問題點。質(zhì)量追溯系統(tǒng)界面如圖16所示。
圖16 質(zhì)量追溯系統(tǒng)界面
該盤總成智能生產(chǎn)檢測線注重在實際使用中創(chuàng)新,策劃并實施了分段組線、獨立作業(yè)工序島及柔性銜接等創(chuàng)新設(shè)計,同時采用了成像檢測、過渡工裝、分組工藝、彈簧篩選和送取料雙頭抓取等創(chuàng)新工藝,并建立了不合格輥道區(qū)分和RFID質(zhì)量追溯系統(tǒng),達到了項目預(yù)期效果。
本生產(chǎn)線正常投產(chǎn)后,生產(chǎn)節(jié)拍60s/件,產(chǎn)能13.7萬套/年,設(shè)備開動率89%,年節(jié)省人工成本費用近100萬元,產(chǎn)品一次下線合格率提升2%,較大程度實現(xiàn)了“智能制造+強化質(zhì)量+全生命周期追溯”的目的。
該智能制造生產(chǎn)線仍有許多改進空間,比如,未來可將智能制造系統(tǒng)與MES、PLM等系統(tǒng)結(jié)合,從而實現(xiàn)信息共享、協(xié)同制造和協(xié)同管理。
智能制造的發(fā)展是一個長期推進的過程,本文基于高端重卡離合器盤總成智能制造裝配及檢測策劃實施,解決了一些存在的技術(shù)問題,節(jié)省了人工成本,降低了裝配錯誤率,提高了裝配效率。項目得到了整車廠客戶的高度評價,也希望能給行業(yè)內(nèi)離合器生產(chǎn)制造廠商帶來幫助和參考。