摘要：為提升一體化車(chē)身鑄件生產(chǎn)線(xiàn)柔性化水平，通過(guò)研究料架、抓具、夾具、物流、裝配單元的柔性化和全自動(dòng)化，同時(shí)以制造需求為目進(jìn)行前傾產(chǎn)品設(shè)計(jì)，兼顧制造工藝需求，達(dá)到了性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)、兼顧多平臺(tái)、多車(chē)型柔性快速切換的要求，降低了車(chē)型導(dǎo)入成本，滿(mǎn)足了高質(zhì)量、高效率、低成本和多車(chē)型的生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：一體化 柔性化 自動(dòng)化 低成本

中圖分類(lèi)號(hào)：U468.2+2 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240289

Research on the Fully Automatic and Flexible Assembly of Integrated Castings

Luo Daifu， Yu Liqun， Xiao Chenping， Bai Enlin

（Engine Manufacturing Center， Chongqing Chang’an Automobile Co， Ltd.， Chongqing 400021）

Abstract： In order to improve the flexibility level of the integrated body casting production line， through the study of the flexibility and full automation of the material rack， gripper， fixture， logistics and assembly unit， the forward products is designed for the purpose of manufacturing needs， which takes into account the needs of the manufacturing process， and satisfies the requirement of reliable performance， strong practicability， and flexible and rapid switching of multiple platforms and models so as to meet the production requirements of high quality， high efficiency， low cost and multi-model.

Key words： Integrated， Flexible， Automatic， Low-cost

1 前言

在一體化車(chē)身鑄件的生產(chǎn)過(guò)程中，需要將標(biāo)準(zhǔn)件裝配到一體化車(chē)身鑄件上，期間需使用螺栓自攻、螺母拉鉚、螺柱拉鉚等裝配工藝。當(dāng)前，通常采用人工或半自動(dòng)的方式將標(biāo)準(zhǔn)件裝配到一體化車(chē)身鑄件上，自動(dòng)化程度低且裝配質(zhì)量難以保證；通常采用抓具快換、夾具快換以及增加裝配工位的方式實(shí)現(xiàn)單生產(chǎn)線(xiàn)兼容多平臺(tái)、多車(chē)型、多規(guī)格的一體化車(chē)身鑄件的裝配，存在投資成本高、生產(chǎn)線(xiàn)占地面積大、抓具和夾具切換時(shí)間長(zhǎng)且生產(chǎn)線(xiàn)柔性化水平低的技術(shù)問(wèn)題；現(xiàn)有技術(shù)中的抓具和夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在對(duì)抓具和夾具進(jìn)行柔性化改造時(shí)需要較多的伺服組件，甚至存在難以柔性化改造的問(wèn)題，不利于生產(chǎn)線(xiàn)柔性化水平的提升。本文闡述了一體化車(chē)身鑄件的裝配單元，從鑄件抓具、夾具、料架、裝配工藝、產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化等方面進(jìn)行研究，減少或消除傳統(tǒng)裝配的缺點(diǎn)。

2 全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)

本文對(duì)裝配單元的全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行研究[1]。如圖1所示，裝配區(qū)設(shè)置至少2種裝配單元，一種裝配單元為拉鉚裝配單元6，另一種裝配單元為自攻裝配單元8。在具體實(shí)施時(shí)，2種裝配單元可設(shè)置多個(gè)，多個(gè)裝配單元之間可共用1臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人裝置10，搬運(yùn)機(jī)器人可沿軌道移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)裝配單元的上、下料。采用拉鉚裝配單元6進(jìn)行全自動(dòng)拉鉚裝配的過(guò)程如下：第1搬運(yùn)機(jī)器人抓取一體化車(chē)身鑄件沿第1軌道移動(dòng)，將一體化車(chē)身鑄件上料至鑄件夾具，利用第1裝配機(jī)器人帶動(dòng)拉鉚裝置對(duì)一體化車(chē)身鑄件進(jìn)行拉鉚裝配。裝配時(shí)，可通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)將1個(gè)鑄件夾具轉(zhuǎn)到工作位，另1個(gè)鑄件夾具轉(zhuǎn)到上料位等待第1搬運(yùn)機(jī)器人下料和上料，減少工位上、下料的等待時(shí)間，如在60 s設(shè)計(jì)節(jié)拍中，可節(jié)約20 s（取放工件時(shí)間），減少1/3的無(wú)效時(shí)間。采用自攻裝配單元9進(jìn)行全自動(dòng)自攻裝配的過(guò)程與拉鉚裝配的過(guò)程相似。

裝配區(qū)設(shè)置有用于對(duì)一體化車(chē)身鑄件去毛刺的單元12和用于檢測(cè)一體化車(chē)身鑄件是否合格的單元11，有助于提升一體化車(chē)身鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量。

3 柔性抓具

如圖2所示，每個(gè)夾持組件均包括變位組件[2]、限定成單自由度直線(xiàn)移動(dòng)的夾臂以及用于驅(qū)動(dòng)夾臂移動(dòng)的抓具氣缸，變位組件包括用于限定夾臂的夾持行程止點(diǎn)的限位部和用于調(diào)節(jié)限位部位置的直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器。采用上述技術(shù)方案，利用直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和限位部調(diào)整夾臂的夾持行程止點(diǎn)，從而調(diào)整2個(gè)夾持組件之間的夾持間距，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。

鑄件抓具包括抓具底座、滑軌、夾臂、抓具氣缸以及變位組件，4個(gè)夾臂上各設(shè)置有1個(gè)抓具定位銷(xiāo)，每個(gè)夾持組件包括2條抓具滑軌、2個(gè)夾臂、2個(gè)抓具氣缸、2個(gè)抓具定位銷(xiāo)和2個(gè)變位組件。在該示例中，每根抓具定位銷(xiāo)分別設(shè)置抓具滑軌、夾臂、抓具氣缸和變位組件，能夠降低對(duì)一體化車(chē)身鑄件抓取孔的要求，易于實(shí)現(xiàn)且適用范圍廣。鑄件抓具還包括用于與搬運(yùn)機(jī)器人連接的快換機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)鑄件抓具快換。

以某車(chē)型的一體化鑄造后地板為例，對(duì)鑄件抓具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明，如圖3所示。鑄件抓具包括柔性抓具的所有結(jié)構(gòu)（圖2），4個(gè)抓具定位銷(xiāo)與一體化車(chē)身鑄件側(cè)面的4個(gè)抓具孔匹配，變位組件兼容了全系車(chē)型外形的寬度，利用上述鑄件抓具抱夾一體化車(chē)身鑄件，可實(shí)現(xiàn)夾緊和定位。在具體實(shí)施時(shí)，還可在鑄件抓具上設(shè)置視覺(jué)裝置，對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人、鑄件料架、一體化車(chē)身鑄件的實(shí)際位置進(jìn)行理論糾偏，起到抓取引導(dǎo)作用；一體化車(chē)身鑄件上的4個(gè)抓取孔為預(yù)鑄孔，不增加額外制造成本，且不同一體化車(chē)身鑄件的左、右兩側(cè)均較容易布置預(yù)鑄孔，在具體實(shí)施時(shí)，同側(cè)預(yù)鑄孔的連線(xiàn)需經(jīng)過(guò)一體化車(chē)身鑄件的重心，以減少偏心距對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人造成的多余負(fù)載。以上方案將常規(guī)技術(shù)中的6個(gè)抓取定位點(diǎn)減少至4個(gè)，兼容多種車(chē)型的一體化車(chē)身鑄件所用的伺服組件由原來(lái)的12個(gè)減少至4個(gè)，有助于提高效率、降低搬運(yùn)機(jī)器人的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的柔性鑄件抓具，降低了調(diào)整和控制難度，提升了自動(dòng)化水平。

4 柔性?shī)A具

如圖4所示，鑄件夾具還包括2個(gè)水平位置調(diào)節(jié)裝置和2個(gè)豎向位置調(diào)節(jié)裝置。通過(guò)設(shè)置位置調(diào)節(jié)裝置即可實(shí)現(xiàn)鑄件夾具的柔性化，能夠適應(yīng)不同車(chē)型的一體化車(chē)身鑄件，將現(xiàn)有技術(shù)中所需要的12個(gè)伺服組件減少至4個(gè)，降低了成本，精簡(jiǎn)了夾具結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種車(chē)型裝配的兼容。

鑄件夾具包括夾具底座、4個(gè)夾具支撐座、4個(gè)旋轉(zhuǎn)壓緊機(jī)構(gòu)、2個(gè)水平位置調(diào)節(jié)裝置、2個(gè)豎向位置調(diào)節(jié)裝置、4個(gè)夾具定位面、4個(gè)夾具定位銷(xiāo)。水平位置調(diào)節(jié)裝置包括長(zhǎng)度沿前、后方向延伸的水平導(dǎo)軌以及用于驅(qū)動(dòng)支撐座沿水平導(dǎo)軌移動(dòng)的水平直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，水平導(dǎo)軌固定安裝在夾具底座上，水平直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)可采用伺服電機(jī)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器。豎向位置調(diào)節(jié)裝置包括長(zhǎng)度沿上、下方向延伸的豎向?qū)к壱约坝糜隍?qū)動(dòng)支撐座沿豎向?qū)к壱苿?dòng)的豎向直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，豎向?qū)к壒潭ò惭b在夾具底座上，豎向直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器可采用伺服電機(jī)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器。

4個(gè)定位機(jī)構(gòu)上均設(shè)置有旋轉(zhuǎn)壓緊機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)壓緊機(jī)構(gòu)能夠在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中逐漸向下壓緊，能夠適應(yīng)不同厚度的鑄件，有助于提升鑄件夾具的柔性化水平。

以某車(chē)型的一體化鑄造的后地板為例，當(dāng)以后地板的頂面進(jìn)行定位，對(duì)底面進(jìn)行裝配時(shí)，如圖5所示，可以采用后地板前部的2個(gè)安全帶孔端面、后部的2個(gè)預(yù)鑄孔以及2個(gè)預(yù)鑄孔的端面進(jìn)行定位；當(dāng)以后地板的底面進(jìn)行定位，對(duì)底面進(jìn)行裝配時(shí)，可采用后地板前部的2個(gè)焊接滑橇孔端面、后部的2個(gè)產(chǎn)品定位孔以及2個(gè)產(chǎn)品定位孔的端面進(jìn)行定位。上述技術(shù)方案采用4個(gè)伺服組件即可實(shí)現(xiàn)鑄件夾具的柔性化，能夠適應(yīng)多種一體化車(chē)身鑄件，柔性鑄件夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，降低了調(diào)整難度和控制難度，有助于提升自動(dòng)化水平。

單工位設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)置有至少2個(gè)夾具安裝部，分別安裝有鑄件夾具。上述技術(shù)方案可在1個(gè)鑄件夾具上進(jìn)行裝配，另一個(gè)鑄件夾具上、下料，有助于提升生產(chǎn)效率。

裝配單元包括至少2個(gè)裝配臺(tái)，2個(gè)裝配臺(tái)之間可以共用裝配機(jī)器人裝置，有助于提升場(chǎng)地利用率，降低成本。如圖5所示，2個(gè)裝配臺(tái)可與3臺(tái)裝配機(jī)器人裝置配合使用，其中1臺(tái)裝配機(jī)器人裝置可對(duì)2個(gè)裝配臺(tái)上的一體化車(chē)身鑄件14進(jìn)行裝配。

5 標(biāo)件篩料裝置

裝配單元還包括用于為裝配機(jī)器人裝置提供標(biāo)件的標(biāo)件篩料裝置。利用標(biāo)件篩料裝置為裝配機(jī)器人裝置自動(dòng)提供標(biāo)件，有助于提升自動(dòng)化水平。

如圖6所示，標(biāo)件篩料裝置包含料箱、振動(dòng)料盤(pán)、防錯(cuò)裝置、輸送輥道。料箱采用磁吸門(mén)+可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的方案，掃描來(lái)料二維碼，標(biāo)件篩料裝置自動(dòng)比對(duì)實(shí)際來(lái)料與設(shè)定來(lái)料的零件號(hào)，零件號(hào)一致則打開(kāi)磁吸門(mén)加料，否則無(wú)法打開(kāi)，起到防錯(cuò)的作用。防錯(cuò)裝置可對(duì)標(biāo)件大小、長(zhǎng)短特點(diǎn)設(shè)計(jì)防錯(cuò)判定，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)件從料箱到上料全過(guò)程的防錯(cuò)。

6 柔性裝配單元

6.1 柔性拉鉚

圖7、圖8所示為自動(dòng)拉鉚裝置。利用自動(dòng)拉鉚裝置可實(shí)現(xiàn)標(biāo)件的自動(dòng)拉鉚，有助于提升自動(dòng)化水平。自動(dòng)拉鉚裝置上設(shè)置有拉鉚視覺(jué)裝置。如圖6所示，標(biāo)件篩料完成后，通過(guò)氣管將標(biāo)件吹至標(biāo)件上料系統(tǒng)的端頭處，上料夾抓取標(biāo)件為自動(dòng)拉鉚裝置的拉鉚槍頭上料。裝配機(jī)器人對(duì)一體化車(chē)身鑄件上的拉鉚底孔進(jìn)行拍照，識(shí)別其X、Y、Z坐標(biāo)，引導(dǎo)裝配機(jī)器人自動(dòng)找正，同時(shí)對(duì)拉鉚底孔直徑是否合格進(jìn)行檢測(cè)預(yù)警，有效保護(hù)自動(dòng)拉鉚裝置，修正裝配機(jī)器人移動(dòng)軌跡后帶動(dòng)拉鉚裝置對(duì)標(biāo)件進(jìn)行裝配。采用裝配機(jī)器人、拉鉚裝置和視覺(jué)裝置配合工作，實(shí)現(xiàn)拉鉚裝配全過(guò)程自動(dòng)走位、多機(jī)器人協(xié)同、任意位置的高效拉鉚裝配，有助于提升裝配單元的柔性化水平。

6.2 柔性螺栓自攻

圖9所示為自動(dòng)自攻裝置。自動(dòng)自攻裝置主要由自攻擰緊軸、自攻快換結(jié)構(gòu)、自攻氣缸、自攻套筒組成。標(biāo)件篩料裝置將標(biāo)件按隊(duì)列排好后，根據(jù)本次生產(chǎn)任務(wù)選擇正確的自攻套筒，通過(guò)自攻快換結(jié)構(gòu)拾取自攻套筒，自攻視覺(jué)裝置引導(dǎo)裝配機(jī)器人移動(dòng)認(rèn)帽螺栓，帶動(dòng)自攻擰緊軸找正底孔，自攻氣缸持續(xù)提供自攻過(guò)程的下壓力，克服自攻時(shí)反作用力。如圖10所示，將標(biāo)件篩料裝置設(shè)置為雙通道輥道，在節(jié)拍允許范圍內(nèi)可提供多個(gè)自動(dòng)自攻裝置認(rèn)帽，自攻快換結(jié)構(gòu)可快速自動(dòng)更換套筒，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格螺栓結(jié)構(gòu)自攻裝配。

6.3 視覺(jué)引導(dǎo)

部分搬運(yùn)機(jī)器人裝置配有第1視覺(jué)裝置。視覺(jué)裝置用于對(duì)固有特征進(jìn)行拍照，對(duì)裝配機(jī)器人、鑄件料架、一體化車(chē)身鑄件的實(shí)際位置理論糾偏起到抓取引導(dǎo)作用。

部分裝配機(jī)器人裝置還配有第2視覺(jué)裝置。第2視覺(jué)裝置用于引導(dǎo)裝配，如上述自攻視覺(jué)裝置和拉鉚視覺(jué)裝置。

7 柔性料架

鑄件豎放結(jié)構(gòu)為兼容多種一體化車(chē)身鑄件的柔性結(jié)構(gòu)，鑄件料架上設(shè)置有視覺(jué)識(shí)別點(diǎn)，作為上料識(shí)別拍照點(diǎn)及工件特征點(diǎn)，由第1搬運(yùn)機(jī)器人裝置準(zhǔn)確找到抓取位置，同時(shí)可判定一體化車(chē)身鑄件在料架的相對(duì)位置，為柔性結(jié)構(gòu)放置鑄件提供了基礎(chǔ)。

以一體化鑄造的后地板鑄件料架為例，如圖11、圖12所示，鑄件料架包括底部架體、底部架體兩側(cè)架體、底部的V型支撐塊、側(cè)部的限位塊、料架限位槽以及底部架體上的視覺(jué)識(shí)別點(diǎn)。V型支撐塊限定后地板Z向、X向位置，料架限位槽防止后地板傾倒，料架擋料塊限定后地板Y向位置。V型支撐塊還可將位置偏差小于10 mm的后地板導(dǎo)正；料架限位槽可兼容10°的傾斜角度，料架擋料塊可兼容Y向20 mm的差異。視覺(jué)識(shí)別點(diǎn)作為上料識(shí)別拍照點(diǎn)及工件特征，有助于準(zhǔn)確找到相對(duì)位置，對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行預(yù)警和保護(hù)，所有部件均可適應(yīng)性調(diào)整，具有更好的兼容性。

在實(shí)際應(yīng)用中，鑄件料架寬度不僅需要考慮多種機(jī)型自身寬度，還需考慮物流通道、鑄件抓具、上下料工位的寬度。由于鑄件抓具采用側(cè)面抱抓，因此需要考慮同側(cè)2個(gè)抓取孔的Y向距離、鑄件抓具退出時(shí)躲避鑄件的最大距離、鑄件抓具的定位組件與工件的安全距離、鑄件抓具的定位組件安裝面相對(duì)抓具底座外延的距離、鑄件抓具的柔性變位范圍；其次考慮鑄件在料架中的適應(yīng)范圍；然后考慮自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV）通行的物流通道的寬度和生產(chǎn)線(xiàn)上下料工位的安全寬度；最后經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)出柔性合適的鑄件料架。料架前、后呈開(kāi)放式，便于選擇鑄件抓取姿態(tài)。

8 節(jié)拍及物流

裝配區(qū)的節(jié)拍為60 s，單臺(tái)加工設(shè)備節(jié)拍大于400 s，單個(gè)裝配區(qū)可配置8臺(tái)以上加工設(shè)備（即每個(gè)裝配區(qū)對(duì)應(yīng)多個(gè)加工區(qū)），設(shè)置雙下料通道，通過(guò)AGV運(yùn)輸至裝配區(qū)，裝配區(qū)設(shè)置有雙上料通道，避免機(jī)器人等待AGV上料（等待時(shí)間為1 min）。配置料框射頻識(shí)別（Radio Frequency，RFID）確認(rèn)來(lái)料車(chē)型，自動(dòng)切換夾具和抓具，效率提升10%（節(jié)省換型時(shí)間6 s）。區(qū)域內(nèi)采用機(jī)器人抓取，設(shè)置交換式轉(zhuǎn)臺(tái)，提升有效裝配效率約16%（減少抓放時(shí)間20 s，增加轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間10 s，綜合節(jié)約10 s）。設(shè)置三下料通道，2個(gè)合格下料通道+1個(gè)待處理下料通道，減少AGV空滿(mǎn)框交換時(shí)間1 min和待處理工件對(duì)產(chǎn)線(xiàn)擾動(dòng)。通過(guò)本柔性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多車(chē)型共線(xiàn)且提升整體效率約226%。

9 信息化

在具體實(shí)施時(shí)，生產(chǎn)線(xiàn)有多個(gè)加工單元，同時(shí)對(duì)多種一體化車(chē)身鑄件進(jìn)行機(jī)加工，AGV小車(chē)從加工區(qū)域1下料工位接料，通過(guò)物流通道將裝有一體化車(chē)身鑄件的料架運(yùn)輸至裝配區(qū)的上料工位。根據(jù)制造運(yùn)營(yíng)管理（Manufacturing Operation Management，MOM）系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)車(chē)型，裝配區(qū)的鑄件夾具、鑄件抓具和裝配程序自動(dòng)切換，匹配對(duì)應(yīng)的一體化車(chē)身鑄件，搬運(yùn)機(jī)器人從上料工位的鑄件料架中抓取鑄件，通過(guò)讀取鑄件二維碼內(nèi)的車(chē)型信息并與MOM下發(fā)的車(chē)型信息進(jìn)行核對(duì)，核對(duì)一致后，線(xiàn)內(nèi)搬運(yùn)機(jī)器人沿軌道移動(dòng)，逐一通過(guò)去毛刺單元、檢測(cè)單元、拉鉚裝配單元、自攻裝配單元、下料工位進(jìn)行檢測(cè)和裝配。整個(gè)過(guò)程通過(guò)AGV調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)線(xiàn)PLC及MOM實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)全過(guò)程信息傳遞調(diào)度。

10 結(jié)束語(yǔ)

本文為一體化機(jī)加線(xiàn)裝配提供了一種全自動(dòng)柔性裝配方案，具有性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)、兼顧多平臺(tái)、多車(chē)型柔性快速切換的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“零”人員、“零”等待和“零”庫(kù)存切換的全自動(dòng)化柔性方案，改變了車(chē)型導(dǎo)入需要高額費(fèi)用的現(xiàn)狀，同時(shí)，所有過(guò)程均由設(shè)備自動(dòng)完成，將扭矩、拉力、視覺(jué)拍照數(shù)據(jù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)等全過(guò)程全范圍采集監(jiān)控，滿(mǎn)足高質(zhì)量、高效率、低成本和多車(chē)型的生產(chǎn)要求。

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