汽車零部件自動上料方式研究與應(yīng)用

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)革命是以機器取代人力，以大規(guī)模工廠化生產(chǎn)取代個體手工生產(chǎn)的一場生產(chǎn)與科技革命。三次工業(yè)革命分別經(jīng)歷了機械化、電氣化和自動化，如今正朝著第四次工業(yè)革命邁進，即智能化。要全面邁進智能化時代，對于制造型企業(yè)而言，就需要完成高度自動化的設(shè)備導(dǎo)入，零部件裝配線自動上料為生產(chǎn)線的自動化率貢獻了關(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，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化的實施，一系列的自動方式替代手工勞動，降低企業(yè)人力成本。生產(chǎn)線高度自動化的先決條件是子零件自動上料的實施。針對零件不同的形態(tài)與材質(zhì)，結(jié)合企業(yè)實際情況需要設(shè)計選用合適的自動上料結(jié)構(gòu)，確保上料的效率與質(zhì)量，減少設(shè)備停機與客戶投訴。

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 某國際項目，該項目要求其產(chǎn)生電信號的關(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，實際生產(chǎn)線現(xiàn)有批產(chǎn)的項目全部為兩極充磁，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)軸四極充磁線外實施，即工藝路線為“工藝中心四極充磁→充完磁的轉(zhuǎn)軸運輸回生產(chǎn)線→在現(xiàn)有設(shè)備自動上料裝配”?，F(xiàn)有生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)軸工藝路線是“未充磁的轉(zhuǎn)軸在振動盤自動上料→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，充完磁后具有很強的磁性，在現(xiàn)有振動盤自動上料，會存在兩個已經(jīng)充完磁轉(zhuǎn)軸由于很強的磁力互相吸合在一起，造成振動盤無法靠振動分料，因此，研究設(shè)計一種針對已充磁零件的自動上料方式勢在必行。

充磁轉(zhuǎn)軸的自動上料分析與應(yīng)用

1.充磁轉(zhuǎn)軸自動上料的關(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，且在自動傳輸過程當(dāng)中要求卡滯率極低（約0.1%），自動傳輸過程當(dāng)中要求轉(zhuǎn)軸無磕傷.同時對于自動化生產(chǎn)線而言，自動上料機構(gòu)需滿足一次性上料要確保30min可用，否則頻繁的上料會影響生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線節(jié)拍為16s，OEE為90%，滿足0.5h生產(chǎn)可用即上料機構(gòu)的最少數(shù)量為：上料間隔時間/節(jié)拍×OEE=（30min×60/16s）×90%=101.25，即上料機構(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)軸零件特點分析

轉(zhuǎn)軸為圓柱體，磁鐵嵌入塑料件中，且?guī)в袕姶?，放在振動盤當(dāng)中通過振動加仿形篩選，經(jīng)過實驗驗證，強磁導(dǎo)致兩個零件會吸附在一起，振動盤無法通過振動將轉(zhuǎn)軸拆分，且已充完磁的轉(zhuǎn)軸會在振動盤內(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構(gòu)或者原理來實現(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)軸充磁上料機構(gòu)及充磁機占用，采用較大的上料機構(gòu)會占用更大的廠房面積，會使得現(xiàn)有設(shè)備布局重新布置，且會導(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)布置一個能夠滿足已經(jīng)充完磁轉(zhuǎn)軸的機構(gòu)是一個必要條件。

4.上料機械結(jié)構(gòu)要求分析

結(jié)合上料的技術(shù)分析，上料機構(gòu)的容量計算、零件特點以及現(xiàn)有場地布局，轉(zhuǎn)軸只能采用多排堆垛式上料。堆垛起來的兩個相鄰轉(zhuǎn)軸塑料與磁鐵相接觸，避免了磁鐵之間的吸附，同時一排轉(zhuǎn)軸放置在一個透明塑料圓筒當(dāng)中，確保了實時消耗的可視化，多排塑料管道采用機械機構(gòu)固定。整個機構(gòu)底部有一個伺服機構(gòu)，伺服機構(gòu)安裝一個接料板，接料板端部設(shè)計一個沉孔。當(dāng)伺服運動至某一排轉(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)，伺服機構(gòu)將轉(zhuǎn)軸運輸至待抓取位置，就完成了一次轉(zhuǎn)軸的上料。同時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)軸貼合不會導(dǎo)致非消耗位置轉(zhuǎn)軸的卡滯。

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

圖2 轉(zhuǎn)軸自動上料機構(gòu)示意

5.上料機構(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，需要有一個傳感器檢測，且傳感器的閾值需要采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計原理±3s來設(shè)置，這樣能保證沒有誤檢測。只有轉(zhuǎn)軸完全落在沉孔后傳感器檢測到，伺服方可運動?？紤]到一次上料不可能將整個機構(gòu)當(dāng)中的轉(zhuǎn)軸消耗完畢，可能半盤就要換型，設(shè)備重新回原點位，剩余的半盤物料在下次生產(chǎn)四極轉(zhuǎn)軸時重新上料。設(shè)備換型后會從第一排開始自動運輸上料，會嚴(yán)重影響設(shè)備效率，因此，軟件設(shè)計時必須在控制面板上設(shè)計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)識位“置空”，這樣設(shè)備就會從有料的位置開始運輸物料，提高生產(chǎn)效率。標(biāo)識位置如圖3所示。

圖3 標(biāo)識位置示意

6.實施后效果

實施后的布局如圖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)省場地面積2m2，節(jié)省設(shè)備投資約50萬元。

圖4 實施后效果

不同零件自動上料機構(gòu)研究與應(yīng)用

1.任意零件放置姿態(tài)的振動盤上料

振動盤適用于較小零件的振動上料，太大的零件會導(dǎo)致振動機構(gòu)體積較大，占地面積較大，不符合精益生產(chǎn)的理念。其原理是一種自動組裝或自動加工機械的輔助送料設(shè)備。它能把各種產(chǎn)品有序地排列出來，配合自動組裝設(shè)備將產(chǎn)品各個部位組裝起來成為完整的一個產(chǎn)品，或者配合自動加工機械完成對工件的加工。振動盤料斗下面有個脈沖電磁鐵，可以使料斗作垂直方向振動，由傾斜的彈簧片帶動料斗繞其垂直軸做扭擺振動，料斗內(nèi)零件由于受到這種振動而沿螺旋軌道上升。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)自動進入組裝或者加工位置。其工作目的是通過振動將無序工件自動有序定向排列整齊，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盤上料，如圖5所示。

圖5 振動盤上料示意

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，但是需要實現(xiàn)自動上料的工位，零件可以隨意放置，對零件包裝要求較低，但是必須采用視覺引導(dǎo)加機械手實現(xiàn)零件的抓取。機械手和視覺系統(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

3.零件堆垛式自動上料

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

圖7 擋圈自動上料機構(gòu)示意

4.單層坐標(biāo)式自動上料

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

圖8 包裝塑料盤上料機構(gòu)示意

5.箱柜多層坐標(biāo)式自動上料

如圖9所示，箱柜式上料一般適用于較大零件的上料，其一般要求各個零件在塑料盤當(dāng)中定位可靠。將每一個塑料盤放置在一個料架當(dāng)中，伺服機構(gòu)根據(jù)實際需要移載料架當(dāng)中的某一層物料，抓取機構(gòu)在取料位置按照坐標(biāo)逐一取料，抓取機構(gòu)可以是龍門式氣缸或伺服機構(gòu)，也可以是機械手。當(dāng)塑料盤當(dāng)中的物料消耗完畢后，伺服機構(gòu)將塑料盤退回料架當(dāng)中，操作工按照要求對空料位置進行補料。

圖9 箱柜式自動上料示意

6.不同自動上料機構(gòu)的優(yōu)劣勢對比分析

針對不同的零件形態(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)劣勢見表1。

表1 不同上料方式的優(yōu)劣勢

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，實現(xiàn)了低成本、高自動化、占地面積小等特點的自動上料，滿足了生產(chǎn)效率要求。同時通過案例分析介紹，針對不同類型的零件形式的不同上料方式進行了對比分析，分別列出了其優(yōu)劣勢，供生產(chǎn)線規(guī)劃自動化上料時參考。