覃裕安 郭維夏 梁伶伶

【摘 要】隨著汽車(chē)裝配技術(shù)的提升，汽車(chē)裝配工藝裝備技術(shù)也隨之迅速提升。為滿(mǎn)足總裝生產(chǎn)線混線生產(chǎn)模式及上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司運(yùn)行方針“低成本、高價(jià)值”的發(fā)展趨勢(shì)，汽車(chē)裝配工藝裝備需要持續(xù)改進(jìn)。本文主要研究總裝生產(chǎn)線簡(jiǎn)易氣動(dòng)助力工裝，以提高生產(chǎn)線操作崗位裝配效率，實(shí)現(xiàn)以人機(jī)工程為目的而實(shí)施的現(xiàn)場(chǎng)改善活動(dòng)。

【關(guān)鍵詞】總裝生產(chǎn)線；助力機(jī)械手；氣動(dòng)平衡吊；控制按鈕；吸盤(pán)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U468.23 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）09-0054-04

0 引言

總裝生產(chǎn)線助力機(jī)械手設(shè)計(jì)要求操作簡(jiǎn)單、投入成本低、車(chē)型兼容性較好、有利于持續(xù)改進(jìn)活動(dòng)的開(kāi)展。目前，前擋風(fēng)玻璃裝配由于工藝設(shè)計(jì)需要，通過(guò)2名操作工使用人工手拿吸盤(pán)配合裝配，手動(dòng)吸盤(pán)吸緊力不夠牢固易松脫，前擋風(fēng)玻璃為大件重物料，右側(cè)員工需要上下踏臺(tái)走到車(chē)身左側(cè)與另一名員工配合取料裝配，行走過(guò)程存在步行時(shí)間浪費(fèi)與安全隱患?，F(xiàn)場(chǎng)這種裝配方式的勞動(dòng)強(qiáng)度大，不利于現(xiàn)場(chǎng)裝配效率的提高。為提升員工的裝配效率，降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高現(xiàn)場(chǎng)裝配工藝裝備需要，本次研究參照各知名企業(yè)的助力機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司現(xiàn)場(chǎng)使用的汽車(chē)裝配工藝裝備使用要求。

1 基礎(chǔ)分析

1.1 助力機(jī)械手的種類(lèi)

助力機(jī)械手又稱(chēng)機(jī)械手、平衡吊、手動(dòng)移載機(jī)，是一種新穎的用于物料搬運(yùn)時(shí)省時(shí)省力操作的助力設(shè)備。它巧妙地應(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，可在有限的空間內(nèi)省力地平衡移動(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。

助力機(jī)械手按結(jié)構(gòu)形式可分為軟索式助力機(jī)械手和硬壁式助力機(jī)械手及自制省力吊具等。由于非標(biāo)設(shè)備的特點(diǎn)，決定了選用或者設(shè)計(jì)制作該類(lèi)設(shè)備時(shí)必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況及工藝要求，以更貼近操作者的實(shí)際需求。

1.2 車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)狀概述

總裝生產(chǎn)線某車(chē)型的前擋風(fēng)玻璃的自重≥15 kg，裝配時(shí)，需要將擋風(fēng)玻璃提升距離地面300～1 900 mm的高度進(jìn)行裝配，目前總裝生產(chǎn)線前擋風(fēng)玻璃使用的裝配方法，完全是以人力搬、人力扛，這種已是比較舊的作業(yè)方式，員工都需彎腰將每塊玻璃搬、扛起來(lái)，抬起或放入玻璃安裝框中來(lái)完成裝配動(dòng)作，操作者不但體力消耗大，而且因長(zhǎng)期彎腰施重力，會(huì)造成操作者的腰部損傷。此外，前擋風(fēng)玻璃裝配到車(chē)身部位時(shí)，由于工藝要求，需要2名操作工配合完成，現(xiàn)場(chǎng)布置裝配高度要求操作人員步行跨越踏臺(tái)且存在絆倒的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且手動(dòng)吸盤(pán)抓取重物的可靠性不高，重物掉落風(fēng)險(xiǎn)較高。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)分析

2.1 設(shè)計(jì)方案

結(jié)合助力機(jī)械手配置功能齊全，可以完全適應(yīng)工作場(chǎng)所和零件設(shè)計(jì)的要求，不僅可以順利地完成給定產(chǎn)品的裝配任務(wù)，還可以完成工作范圍內(nèi)的各種不同規(guī)格的產(chǎn)品裝配任務(wù)。根據(jù)目前總裝生產(chǎn)線裝配前擋風(fēng)玻璃的運(yùn)行模式和工藝要求，采取安裝軟索式助力機(jī)械手，軟索式機(jī)械手具有全行程“漂浮”功能，配有儲(chǔ)氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個(gè)循環(huán)，同時(shí)可以報(bào)警提醒操作者。配合非標(biāo)夾具，軟索式助力機(jī)械手可以起吊各種形式的工件。

以下是軟索式機(jī)械手設(shè)計(jì)方案，本文統(tǒng)稱(chēng)為氣動(dòng)助力工裝。總裝生產(chǎn)線前擋風(fēng)玻璃簡(jiǎn)易氣動(dòng)助力工裝設(shè)計(jì)方案如圖2、圖3、圖4所示。

2.2 氣動(dòng)助力工裝結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)助力工裝主要由扶手、把手、控制按鈕、吊環(huán)、快換氣缸、閥件盒、吸盤(pán)等部件組成，通過(guò)上述裝置結(jié)構(gòu)吸住玻璃，可由單人操作，方便員工簡(jiǎn)單拿取和安裝擋風(fēng)玻璃。

通過(guò)按壓吸盤(pán)開(kāi)關(guān)使各吸盤(pán)產(chǎn)生吸力，雙手握住抓取手柄和豎向手柄將整個(gè)裝置居中放在擋風(fēng)玻璃上，吸盤(pán)即可自動(dòng)吸住擋風(fēng)玻璃，員工可利用豎向手柄將擋風(fēng)玻璃翻轉(zhuǎn)至安裝角度，按下抓取手柄上的升降按鍵使玻璃上升至安裝高度，利用氣動(dòng)平衡吊將裝置推行至流水線車(chē)身?yè)躏L(fēng)玻璃安裝位置，另一名員工在對(duì)面工位握住裝配手柄，控制升降的員工只要將擋風(fēng)玻璃升降至車(chē)身安裝位置即可裝配，裝配后按下吸盤(pán)開(kāi)關(guān)，吸盤(pán)即松開(kāi)擋風(fēng)玻璃，整個(gè)裝配過(guò)程無(wú)需2名員工配合拿取玻璃，也不需要彎腰拿取重物，更不需要操作人員跨越流水線踏臺(tái)。

該工裝的結(jié)構(gòu)充分考慮到了使用氣動(dòng)吸盤(pán)比手動(dòng)吸盤(pán)可靠，降低了零件掉落風(fēng)險(xiǎn)。氣動(dòng)助力工裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 氣路原理圖

整個(gè)系統(tǒng)由高性能單片機(jī)、功率放大模塊、通信模塊、濾波電路模塊等組成。其中，高性能單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制算法的計(jì)算，功率放大模塊實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的放大及電機(jī)的過(guò)流保護(hù)，濾波放大電路模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)末端操作器和壓力傳感器信號(hào)的處理，通信模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信。

為使系統(tǒng)的輸出達(dá)到額定值，氣源壓力至少為5 bar（70 psi/500 kPa）。最大固態(tài)顆粒尺寸小于5 μm，最大顆粒密度為5 mg/m3，最大壓力露點(diǎn)為-20（℃），最大含油濃度為1 mg/m3。特別提醒氣源應(yīng)該清潔、去除水分和濕氣。警惕壓縮空氣的清潔問(wèn)題導(dǎo)致設(shè)備故障，尤其是新建立的工廠或新建立的壓縮空氣供應(yīng)站點(diǎn)，由于系統(tǒng)或管道處于未啟用或剛啟用的狀態(tài)，會(huì)使壓縮空氣中存在較多的雜質(zhì)，所以應(yīng)提供多級(jí)清潔過(guò)濾，并保持一定時(shí)間的空放狀態(tài)以便雜質(zhì)清除。系統(tǒng)控制原理如圖6所示。

3 實(shí)施與驗(yàn)證

3.1 氣動(dòng)助力工裝實(shí)施情況

該氣動(dòng)助力工裝安裝于總裝生產(chǎn)線前擋風(fēng)玻璃裝配工位，啟用后優(yōu)化和消除了提取15 kg重量的前擋玻璃需要4 s的步行時(shí)間，解決員工操作上下踏臺(tái)的問(wèn)題，降低了員工的換崗及離職率，節(jié)約成本合計(jì)3.4萬(wàn)元/年，達(dá)到了生產(chǎn)節(jié)拍要求和提高了工作效率。設(shè)計(jì)考慮了現(xiàn)有空間和滿(mǎn)足操作工藝布置要求，使用輕型滑軌及氣動(dòng)平衡吊滑動(dòng)更輕便、更容易操作。氣動(dòng)助力工裝造價(jià)低，使用和維護(hù)簡(jiǎn)單，使用氣動(dòng)控制升降更容易掌控、節(jié)約能耗、操作更安全、運(yùn)行和維護(hù)成本低。自主設(shè)計(jì)的前擋風(fēng)玻璃裝配氣動(dòng)助力工裝使用效果較好，短期內(nèi)可直接推廣運(yùn)用到前擋風(fēng)玻璃分裝工位上使用?？傃b生產(chǎn)線一期現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易氣動(dòng)助力工裝實(shí)施情況如圖7所示。

氣動(dòng)助力工裝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：操作輕便、滑動(dòng)靈活、操作活動(dòng)空間滿(mǎn)足工藝布置要求且安全可靠，能消除人機(jī)工程傷害，能夠滿(mǎn)足不同車(chē)型的生產(chǎn)節(jié)拍要求，提高了裝配效率。

難點(diǎn)如下：前擋玻璃重量與人體操作角度舒適性；氣動(dòng)助力工裝吸盤(pán)端與操控手柄的間距受力點(diǎn)均衡度；吊舉前擋、吊繩、氣動(dòng)助力工裝的懸空平衡度及高度；安裝點(diǎn)的空間和氣動(dòng)助力工裝活動(dòng)與裝配時(shí)跟車(chē)身的合理距離。

3.2 氣動(dòng)助力工裝效果驗(yàn)證

使用擋氣動(dòng)助力工裝裝配，只需要一名員工拿取擋風(fēng)玻璃，操作方便，無(wú)需彎腰，消除彎腰傷害，增加了生產(chǎn)安全系數(shù)，同時(shí)節(jié)約了另一名員工的操作時(shí)間。

（1）有效地解決了總裝生產(chǎn)線裝配前擋風(fēng)玻璃拿取大件重物料人機(jī)工程問(wèn)題，提高了員工裝配效率（如圖8所示）。

（2）杜絕了因手動(dòng)吸盤(pán)吸力不夠和配合拿取物料行走而造成安全事故的風(fēng)險(xiǎn)（如圖9所示）。

4 氣動(dòng)助力工裝技術(shù)要求

4.1 設(shè)備主要性能及參數(shù)

該設(shè)備采用軟索系列氣動(dòng)平衡吊主機(jī)，并裝備有前風(fēng)擋取料專(zhuān)用吊具，用于前風(fēng)擋取料的助力工作。該設(shè)備針對(duì)不同重量的工件，只要在平衡吊額定負(fù)載范圍內(nèi)，均可適應(yīng)平衡；系統(tǒng)具有全程平衡、運(yùn)動(dòng)平滑、操作靈活等特點(diǎn)，方便安裝和定位；系統(tǒng)配有安全保護(hù)閥組，具有失氣保護(hù)功能，當(dāng)主供氣源失氣時(shí)，鋼繩不會(huì)突然墜落；操作人員可雙手控制前風(fēng)擋取料專(zhuān)用吊具進(jìn)行工件定位；系統(tǒng)上下行程H=3 000 mm。服務(wù)范圍徑10 000 mm×4 500 mm。系統(tǒng)額定有效載荷P=90 kg（當(dāng)供氣壓力為5 bar時(shí)）。

4.2 設(shè)備操作及使用方法

（1）使用前風(fēng)擋取料吊具移載工件時(shí)，雙手扶住夾具手柄。

（2）手動(dòng)移動(dòng)夾具系統(tǒng)至前風(fēng)擋取料放置處，按“UP/DOWN”控制按鈕，調(diào)整夾具的高度，讓夾具與前風(fēng)擋取料對(duì)位。

（3）按“吸附”控制按鈕，夾具有效吸附工件，此時(shí)，負(fù)載指示器變?yōu)榧t色。

（4）按“UP”控制按鈕，提升夾具高度，通過(guò)“UP/

DOWN”控制按鈕，控制夾具高度，然后手動(dòng)移動(dòng)夾具將工件送到指定工位上方。

（5）按“DN”控制按鈕，將工件放置在指定工位，放置完成后，按“釋放”控制按鈕，負(fù)載指示器變?yōu)榘咨?，夾具與工件脫離。

（6）按“UP”控制按鈕，將夾具抬高到放置工件的上方。移動(dòng)夾具到前風(fēng)擋取料放置處，繼續(xù)下一次工作循環(huán)，待整個(gè)操作完成后，將助力設(shè)備恢復(fù)到初始狀態(tài)。

4.3 設(shè)備操作安全規(guī)則

（1）培訓(xùn)和操作等，僅允許在安全的情況下進(jìn)行。

（2）僅允許在操作人員身體狀態(tài)良好的情況下操縱本設(shè)備。

（3）當(dāng)有寫(xiě)“請(qǐng)勿使用”的標(biāo)牌掛在設(shè)備上或控制器上時(shí)，請(qǐng)不要使用本系統(tǒng)。

（4）每次使用前，檢查設(shè)備有無(wú)磨損或損傷。不要使用已檢測(cè)出有嚴(yán)重磨損及損傷的系統(tǒng)。

（5）不要將手放在掛鉤的“咽喉”部位。

（6）不要使用扭曲、糾結(jié)或已損傷的鋼絲繩或鏈條。

（7）不要用本設(shè)備處理重量超出本系統(tǒng)額定載荷的重物（其額定載荷請(qǐng)參照設(shè)備銘牌）。

（8）在操作本設(shè)備時(shí)，應(yīng)時(shí)刻注意觀察工件。

（9）確定在工件移動(dòng)的通路上無(wú)人，并且不要在任何人的上方提升負(fù)載。

（10）不要使用本設(shè)備升降人員，不允許任何人懸掛在負(fù)載上。

5 結(jié)語(yǔ)

氣動(dòng)助力工裝以其“平衡重力”使得運(yùn)動(dòng)平滑，操作省力、簡(jiǎn)單，裝配方便、快捷，定位準(zhǔn)確，減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)助力工裝使用于重量物件吊舉、轉(zhuǎn)運(yùn)、搬運(yùn)操作，符合人機(jī)工程學(xué)，操作靈活、體積小，達(dá)到安全和高效工作的目的?？赏茝V在不同汽車(chē)制造商總裝生產(chǎn)線操作崗位上使用，目前該簡(jiǎn)易氣動(dòng)助力工裝設(shè)計(jì)已推廣運(yùn)用到總裝生產(chǎn)線二期BC線上使用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司內(nèi)部資料[Z].2015.

[2]張金枝，肖立君.助力機(jī)械手在汽車(chē)制造業(yè)中的應(yīng)用[Z].企業(yè)應(yīng)用集成系統(tǒng)與技術(shù)學(xué)術(shù)研究會(huì)，2006.

[3]肖立軍，米學(xué)寧.氣動(dòng)平衡助力機(jī)械手的原理及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（6）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]