工業(yè)4.0背景下的人機協(xié)作天線罩涂膠技術(shù)

陳曉珊 佟夢晗, 修世超

(1.華晨寶馬汽車有限公司 沈陽110043；2.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院 沈陽110819)

鯊魚鰭天線罩的發(fā)明者是一位澳大利亞的飛機維修工程師，在維修飛機的時候獲得靈感，把飛機上的擾流板移植到了汽車上，獲得了成功，并注冊了專利[1]。BMW 是第一個購買了“鯊魚鰭”專利的汽車品牌，并將其成功地應(yīng)用在汽車設(shè)計當(dāng)中。其天線罩的裝配方式為涂膠（如圖1、圖2所示）后粘貼固定于指定位置。其所采用的粘接劑產(chǎn)品為：Sikaflex?-250 DB-2，其有兩種組成部分，分別為1,6-二異氰酸根合己烷的均聚物，其化學(xué)式為：（C8H12N2O2）x；二苯基甲烷-4,4'-二異氰酸酯，其化學(xué)式為：C15H10N2O2。外觀為糊狀物，黑色，無臭。其涂膠應(yīng)同時滿足膠量標(biāo)準(zhǔn)及位置標(biāo)準(zhǔn)，如涂膠質(zhì)量有偏差，則產(chǎn)品車可能出現(xiàn)漏水、膠溢出等質(zhì)量問題[2]。

圖1 天線罩涂膠樣板

圖2 人工天線罩涂膠

1 傳統(tǒng)天線罩涂膠工藝

豪華乘用車的組成零件較多，所以總裝工廠的工藝步驟也數(shù)量繁多，因此工廠希望將盡量多的工藝過程安排在有限的線體空間內(nèi)。如采用傳統(tǒng)機器人來進行天線罩涂膠，根據(jù)工廠的安全要求，需要將機器人工作站放置在防護欄內(nèi)，且機器人的活動范圍距防護欄應(yīng)有足夠的安全距離[3]。這就導(dǎo)致了機器人工作站占地面積較大，且防護欄會阻斷線旁通行，為整體工藝規(guī)劃增添不必要的負(fù)擔(dān)[4]。所以天線罩涂膠大多采用人工操作的方式，如圖2所示，采用氣動定量泵，使膠通過匹配的導(dǎo)流管，形成具有穩(wěn)定橫截面的條狀膠，然后人工將其粘貼到天線罩的接合面。為了保證膠面質(zhì)量，此工位操作者需要進行嚴(yán)格的培訓(xùn)，需要進行一定的投入（如培訓(xùn)師、練習(xí)用膠等）。并且由于此項操作需要一定的技能，操作者較難更換。即使由熟練操作者穩(wěn)定地進行工作，也有可能出現(xiàn)較差質(zhì)量的膠面，這可能會導(dǎo)致返修，而產(chǎn)生額外成本[5]。

2 人機協(xié)作涂膠工藝

人機協(xié)作涂膠項目如圖3所示，由膠泵單元（如圖4所示）和涂膠單元（如圖5所示）組成。粘接劑經(jīng)過氣動壓力系統(tǒng)進行加壓，從膠桶中抽出，然后由加熱器進行一次加熱，降低粘度，增強流動性能，然后進入膠管進行輸送。膠管內(nèi)有加熱絲，外壁包裹隔熱材料，進而保證粘接劑在膠管內(nèi)的溫度。輸送系統(tǒng)最終將膠輸送至涂膠單元中并進行人機協(xié)作涂膠作業(yè)，如圖6所示。

圖3 項目總圖

圖4 膠泵單元

圖5 涂膠單元

圖6 人機協(xié)作涂膠

在天線罩安裝工位，待裝配的天線罩會被物流按照訂單順序進行排序并運送到存儲區(qū)，操作者按順序拾取，并將指定型號的零件放置在位于等待位的天線罩夾具內(nèi)。夾具如圖7所示，由結(jié)構(gòu)件、夾具A、夾具B、安全傳感器組成。此夾具當(dāng)前狀態(tài)可兼容兩個型號的天線罩，最多可兼容4種，分別位于夾具的4個側(cè)面。

操作者在放置天線罩之后，觸發(fā)如圖8所示的確認(rèn)按鍵，IIWA會將當(dāng)前零件移動到條碼掃描位置，由如圖8所示的條碼掃描儀掃描如圖9所示零件內(nèi)的條碼，進而對零件進行檢測，并與 IPS—L系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行比對，判斷其是否為待涂膠零件，防止操作者放置錯誤。如天線罩內(nèi)部的條碼粘貼位置有誤或其他原因?qū)е聼o法掃描，操作者也可使用如圖 9所示的備用手持式掃描槍對零件上的條碼進行掃描來繼續(xù)進行操作。

圖7 天線罩夾具

圖8 條碼掃描儀

圖9 備用條碼掃描槍

在確認(rèn)零件放置正確后，協(xié)作機器人IIWA會移動夾具，使天線罩相對涂膠嘴進行運動，從而使膠涂在天線罩表面，如圖10所示。涂膠結(jié)束后，操作者再將其粘貼至指定位置，完成操作。

圖10 天線罩自動涂膠

3 人機協(xié)作涂膠技術(shù)性能的改進

通過與傳統(tǒng)工業(yè)機器人涂膠將術(shù)和工藝的對比分析，證明人機協(xié)作涂膠新技術(shù)的技術(shù)性能有了很大的提升。

3.1 與傳統(tǒng)工業(yè)機器人涂膠對比

由于本項目采用人機協(xié)作機器人，并且符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，所以無需防護裝置。其可直接放置于線旁進行作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，且現(xiàn)場通行無阻隔，更便于工藝規(guī)劃及現(xiàn)場管理。

由于人機協(xié)作涂膠的天線罩拾取及放置工作由操作者來完成，其工藝節(jié)拍時間應(yīng)少于單臺傳統(tǒng)機器人涂膠的理論時間（由于本工廠未采用過傳統(tǒng)機器人涂膠，所以無法統(tǒng)計準(zhǔn)確節(jié)拍時間），其對線體總節(jié)拍的限制性更小。

3.2 與傳統(tǒng)人工涂膠工藝對比

3.2.1 高度的質(zhì)量穩(wěn)定性

該工藝不同于手動涂膠，機器人自動涂膠可精確控制涂膠軌跡，通過模擬分析及仿真（如圖 11所示），最終確認(rèn)最佳涂膠軌跡。由于機器人具有高度的重復(fù)精度，所以該工藝過程可保證天線罩涂膠的高度一致性，從而確保天線罩粘接的質(zhì)量。

圖11 涂膠路徑模擬

3.2.2 優(yōu)化人機工程學(xué)

傳統(tǒng)手動涂膠需要將天線罩放置于適當(dāng)高度的工裝上，手持膠槍，并低頭目視涂膠過程，如圖 2所示。操作者長時間手持重物會對其手臂來成一定的負(fù)擔(dān)，低頭動作需要頸部彎曲，長時間保持此姿勢同樣會為操作者帶來一定的不適感[6]。

采用人機協(xié)作涂膠，操作者只需要以站立姿勢將天線罩放置于位于等待位的裝卡工具上，如圖 6所示，其涂膠過程由機器人自動完成，所以具有更加優(yōu)化的人機工程。

3.2.3 節(jié)拍優(yōu)化

在之前的人工操作期間，經(jīng)實測操作者的平均工作速度，并進行統(tǒng)計，最終給成產(chǎn)部門批準(zhǔn)的操作時間為52.6 s。而協(xié)作機器人涂膠實測速度均（包括操作者動作）值為21.2 s。

3.2.4 節(jié)省成本

雖然人工涂膠工藝與協(xié)作機器人涂膠工藝采用相同的粘接劑，但手持式膠槍使用小包裝的產(chǎn)品，如圖12所示，其容量為300ml。協(xié)作機器人涂膠采用的式大型桶式包裝，如圖13所示，容量為23L。

圖12 小包裝粘接劑

圖13 大包裝桶式粘接劑

粘貼工藝成本評估如表1所示，其中每臺車所需成本為除人工以外的綜合成本評估，并不僅限于粘接劑產(chǎn)品價格本身，得到結(jié)果為每年節(jié)約33850歐元。成本控制是制造業(yè)的根本，節(jié)約百分比高達72%，此節(jié)約比例以及年化節(jié)約成本均非常顯著，如表1所示。

表1 天線罩涂膠粘接劑成本核算

4 結(jié)語

人機協(xié)作技術(shù)作為工藝4.0的重要組成部分，其為制造業(yè)帶來了更多的解決方案，用以提升效率、安全性、人機工程以及經(jīng)濟性等，其或可幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程及工業(yè)過程，是今后汽車總裝技術(shù)重點發(fā)展方向之一。積極嘗試新技術(shù)、新思路，并享受其帶來的便利，以此促進全球工業(yè)能力的提高。