汽车总装车间高柔性智能增紧技术的研究与应用

李斌　钟裕民　马骥卿　陈国任

摘要：传统车企受产线改造的空间不足、成本投入巨大、与生产相冲突的制约，难以在大范围内开展自动化、智能化产业升级。本次创新性地提出了一种高柔性的智能增紧技术方案，通过工程集约、同步随行、协作机器人、套筒自动切换、视觉自动跟随及数字化趋势分析等一系列技术的创新开发与应用， 实现了在老旧生产线上完成车辆底部全数螺栓的自动智能增紧，不受空间、线体精度、车型多样性的制约，为总装领域的智能化数字化产业升级提供一种实际可行的思路和案例参考。

关键词：老旧生产线；同步随行；工程集约；视觉自动跟随；数字化趋势分析

在汽车制造领域，总装作为最后一道工序，各类工艺繁多，其中拧紧占比最高达42.5%，因此，如何实现拧紧的自动化、智能化是总装车间最终实现数字化最紧要的课题。目前汽车制造企业仅小部分新势力或新工厂会提前部署外，传统车企在进行产业升级时受产线改造的空间不足、巨大成本投入、与生产相冲突的制约，往往难以开展。如何在保障既有生产不受影响的前提下，通过创新技术的开发与应用，实现低空间占用、低成本投入达到自动化、智能化的提升，是旧工厂迈向智能化、数字化必须跨越的关键一步。本文结合公司的实际案例，从增紧工艺的角度开展智能化水平提升的相关探讨。

工程集约+同步随行技术

以前后悬增紧为例，过往由于工程编排及人员站立空间的限制，前悬、后悬的增紧分布在两个不同的工程，因此占用的空间为1.5+1.5共3个有效工位。基于TPS精益生产的理念，首先，将两个工程集合到一个工程作业。其次，设计一种同步夹紧机构，当车辆进入增紧工位时，机构自动升起并夹紧承载车辆的吊具臂，利用积放链条的拖动力带动设备一起同步前进，设备作业完成后，同步机构打开下降与吊具脱离，设备自身安装的驱动电动机将设备快速返回至初始位置，等待下一台车的进入。这种方式就不需要特别设置定停工位以及搬入搬出的缓冲了，有效工位的占用只需2工位/工程，如图1所示。

柔性自动增紧技术

公司的生产线属于多车型混线生产，不同于一般车企采用的批量式生产，前后的车型各不相同，设备必须柔性应对多种拧紧位置、角度、扭力以及螺栓规格的情况。由于工业机器人危险程度高，往往需要进行全围蔽，不利于异常情况的快速处置，对生产线稼动率的影响较大。在本案例中基于负载大小、动作范围以及安装空间，选用了FUNC CRX20i协作机器人来替代工业机器人抓取拧紧枪进行增紧作业。考虑到增紧的扭力最大达135N·m，为了避免机器人碰撞报警以及保障机器人各轴不受损伤，每台机器人加装了1条伸缩式碳纤维反力臂，来讲拧紧枪的反力转移至设备底座。目前案例中的机器人和碳臂已使用了一年（见图2），每台机器人拧紧的次数达159万次，仍然在正常运行中，可见有效。

第2个难点是如何确保拧紧枪与螺栓的对位精度。同样在多车型混线的生产线上，加上工厂老旧，车辆在吊具上的位置层次不齐，仅靠机器人的轨迹是无法保证枪与螺栓的对位精度的。本次开发了一种视觉追踪技术，通过视觉相机拍照锁定螺栓的中心位置，通过系统换算计算出机器人当前位置坐标与目标位置坐标的差值，从而引导机器人追踪螺栓，精度最大可达1.1mm以内，实际运用中引导的准确度99.999%以上。

第3个难点是如何实现套筒的切换。通过仿生人的作业，即旋转套筒插入拧紧枪，设备自动通过程序控制枪旋转，同时机器人带动拧紧枪上升，配合气缸压紧机构，完成拧紧枪插入套筒的动作。为了让设备知道套筒已经取到位，还需在外围加装1个距离传感器检测拧紧枪上的位置感应环。如图3所示。

数字化技术应用

设备实现完全自动化后，长期处于无人值守的状态，對于一些慢性不良状态如何及时发现并给出预警，以便技术人员及时介入解决，从而避免大批量的不良或重大故障的发生显得尤为重要。

本次开发的数字化系统功能模块主要由报警提示与异常处置指导、故障预防分析预警、品质波动分析预警及维保预警构成（见图4）。系统架构上，通过外置的PLC模块与设备PLC及时通信，采集设备运转的基础信息，包含车辆信息、故障报警信息、动作次数及拧紧扭力角度信息等，所有信息上传至上位服务器的数据库。上位系统开发分析软件，基于大数据及算法逻辑的设定给出精确的预警判断，最后通过终端web/大屏/平板输出报警信息。

经济效益与社会效益

本次创新技术的应用已实现人工成本192万元/年的递减，目前正在全公司全面展开应用，5个工厂全部铺开，最终可达到递减人工成本2640万元/年的效果。此外高柔性的特点也为后续新车型带来的设备改造成本的递减，最大可递减352万元/车型。由于不需要对搬送线体进行改造，间接的自动化改造投入成本可以节约1082万元/处，同时空间上可以结余476m2。社会效益层面，可以消除60人/处职业病隐患作业工程，极大地改善了员工的作业环境。本案例场景如图5所示。

参考文献：

[1] 王春生. 某汽车厂总装车间柔性化生产线的优化设计研究[D]. 长春：吉林大学，2017.

[2] 陈平，蒋佳桉，谭志强，等. 汽车总装工艺技术应用及发展趋势[J]. 汽车工程师，2016（3）：55-58.

[3] 孙淑均，王涛. 整车装配自动化发展探索和实践[J]. 汽车制造业，2020（10）：52-55.

[4] 李强. 浅谈汽车总装工艺技术应用及发展趋势[J]. 中国设备工程，2019（18）：187-188.

[5] 廖国远. 论汽车总装工艺技术的应用及发展趋势[J]. 内燃机与配件，2019（15）：33-34.

[6] 严星，杨建，许宝强，等. 汽车总装整体式自动合装工艺规划要点[J]. 汽车工程师，2018（12）：55-58.

[7] 霍淑珍，何志超. 协作机器人在智能制造中的应用[J]. 机床与液压，2021，49（9）：62-66.

[8] 邓智良，何伟东，王敬谋，等. 汽车总装拧紧工艺管理研究[J]. 装备制造技术，2019（5）：77-80+100.

[9] 费劲，秦子铭. 基于“0-FIS”理念的汽车总装自动化工艺研究和应用[J]. 汽车工艺与材料，2022（2）：29-35.