工业4.0背景下的人机协作天线罩涂胶技术

陈晓珊 佟梦晗, 修世超

(1.华晨宝马汽车有限公司 沈阳110043；2.东北大学机械工程与自动化学院 沈阳110819)

鲨鱼鳍天线罩的发明者是一位澳大利亚的飞机维修工程师，在维修飞机的时候获得灵感，把飞机上的扰流板移植到了汽车上，获得了成功，并注册了专利[1]。BMW 是第一个购买了“鲨鱼鳍”专利的汽车品牌，并将其成功地应用在汽车设计当中。其天线罩的装配方式为涂胶（如图1、图2所示）后粘贴固定于指定位置。其所采用的粘接剂产品为：Sikaflex®-250 DB-2，其有两种组成部分，分别为1,6-二异氰酸根合己烷的均聚物，其化学式为：（C8H12N2O2）x；二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯，其化学式为：C15H10N2O2。外观为糊状物，黑色，无臭。其涂胶应同时满足胶量标准及位置标准，如涂胶质量有偏差，则产品车可能出现漏水、胶溢出等质量问题[2]。

图1 天线罩涂胶样板

图2 人工天线罩涂胶

1 传统天线罩涂胶工艺

豪华乘用车的组成零件较多，所以总装工厂的工艺步骤也数量繁多，因此工厂希望将尽量多的工艺过程安排在有限的线体空间内。如采用传统机器人来进行天线罩涂胶，根据工厂的安全要求，需要将机器人工作站放置在防护栏内，且机器人的活动范围距防护栏应有足够的安全距离[3]。这就导致了机器人工作站占地面积较大，且防护栏会阻断线旁通行，为整体工艺规划增添不必要的负担[4]。所以天线罩涂胶大多采用人工操作的方式，如图2所示，采用气动定量泵，使胶通过匹配的导流管，形成具有稳定横截面的条状胶，然后人工将其粘贴到天线罩的接合面。为了保证胶面质量，此工位操作者需要进行严格的培训，需要进行一定的投入（如培训师、练习用胶等）。并且由于此项操作需要一定的技能，操作者较难更换。即使由熟练操作者稳定地进行工作，也有可能出现较差质量的胶面，这可能会导致返修，而产生额外成本[5]。

2 人机协作涂胶工艺

人机协作涂胶项目如图3所示，由胶泵单元（如图4所示）和涂胶单元（如图5所示）组成。粘接剂经过气动压力系统进行加压，从胶桶中抽出，然后由加热器进行一次加热，降低粘度，增强流动性能，然后进入胶管进行输送。胶管内有加热丝，外壁包裹隔热材料，进而保证粘接剂在胶管内的温度。输送系统最终将胶输送至涂胶单元中并进行人机协作涂胶作业，如图6所示。

图3 项目总图

图4 胶泵单元

图5 涂胶单元

图6 人机协作涂胶

在天线罩安装工位，待装配的天线罩会被物流按照订单顺序进行排序并运送到存储区，操作者按顺序拾取，并将指定型号的零件放置在位于等待位的天线罩夹具内。夹具如图7所示，由结构件、夹具A、夹具B、安全传感器组成。此夹具当前状态可兼容两个型号的天线罩，最多可兼容4种，分别位于夹具的4个侧面。

操作者在放置天线罩之后，触发如图8所示的确认按键，IIWA会将当前零件移动到条码扫描位置，由如图8所示的条码扫描仪扫描如图9所示零件内的条码，进而对零件进行检测，并与 IPS—L系统数据进行比对，判断其是否为待涂胶零件，防止操作者放置错误。如天线罩内部的条码粘贴位置有误或其他原因导致无法扫描，操作者也可使用如图 9所示的备用手持式扫描枪对零件上的条码进行扫描来继续进行操作。

图7 天线罩夹具

图8 条码扫描仪

图9 备用条码扫描枪

在确认零件放置正确后，协作机器人IIWA会移动夹具，使天线罩相对涂胶嘴进行运动，从而使胶涂在天线罩表面，如图10所示。涂胶结束后，操作者再将其粘贴至指定位置，完成操作。

图10 天线罩自动涂胶

3 人机协作涂胶技术性能的改进

通过与传统工业机器人涂胶将术和工艺的对比分析，证明人机协作涂胶新技术的技术性能有了很大的提升。

3.1 与传统工业机器人涂胶对比

由于本项目采用人机协作机器人，并且符合相关的安全标准及规范，所以无需防护装置。其可直接放置于线旁进行作业，结构简单、紧凑，且现场通行无阻隔，更便于工艺规划及现场管理。

由于人机协作涂胶的天线罩拾取及放置工作由操作者来完成，其工艺节拍时间应少于单台传统机器人涂胶的理论时间（由于本工厂未采用过传统机器人涂胶，所以无法统计准确节拍时间），其对线体总节拍的限制性更小。

3.2 与传统人工涂胶工艺对比

3.2.1 高度的质量稳定性

该工艺不同于手动涂胶，机器人自动涂胶可精确控制涂胶轨迹，通过模拟分析及仿真（如图 11所示），最终确认最佳涂胶轨迹。由于机器人具有高度的重复精度，所以该工艺过程可保证天线罩涂胶的高度一致性，从而确保天线罩粘接的质量。

图11 涂胶路径模拟

3.2.2 优化人机工程学

传统手动涂胶需要将天线罩放置于适当高度的工装上，手持胶枪，并低头目视涂胶过程，如图 2所示。操作者长时间手持重物会对其手臂来成一定的负担，低头动作需要颈部弯曲，长时间保持此姿势同样会为操作者带来一定的不适感[6]。

采用人机协作涂胶，操作者只需要以站立姿势将天线罩放置于位于等待位的装卡工具上，如图 6所示，其涂胶过程由机器人自动完成，所以具有更加优化的人机工程。

3.2.3 节拍优化

在之前的人工操作期间，经实测操作者的平均工作速度，并进行统计，最终给成产部门批准的操作时间为52.6 s。而协作机器人涂胶实测速度均（包括操作者动作）值为21.2 s。

3.2.4 节省成本

虽然人工涂胶工艺与协作机器人涂胶工艺采用相同的粘接剂，但手持式胶枪使用小包装的产品，如图12所示，其容量为300ml。协作机器人涂胶采用的式大型桶式包装，如图13所示，容量为23L。

图12 小包装粘接剂

图13 大包装桶式粘接剂

粘贴工艺成本评估如表1所示，其中每台车所需成本为除人工以外的综合成本评估，并不仅限于粘接剂产品价格本身，得到结果为每年节约33850欧元。成本控制是制造业的根本，节约百分比高达72%，此节约比例以及年化节约成本均非常显著，如表1所示。

表1 天线罩涂胶粘接剂成本核算

4 结语

人机协作技术作为工艺4.0的重要组成部分，其为制造业带来了更多的解决方案，用以提升效率、安全性、人机工程以及经济性等，其或可帮助企业优化生产流程及工业过程，是今后汽车总装技术重点发展方向之一。积极尝试新技术、新思路，并享受其带来的便利，以此促进全球工业能力的提高。