摘要：在汽车装配流水线上，绝大部分零件都是依靠人工装配的，在很多工况下，会存在装配效率低，人机工程情况差，物料占据工位多等问题。以ESP 模块的零件为例，从自动化和人机协作的角度，设计了一种智能拧紧系统，高效的完成了ESP 模块的全部工艺，并且极大改善了人机工程情况。
关键词：ESP 模块
人机工程
中图分类号：TP242.2
文献标识码：B
DOI ：10.19710/Jki.1003-8817.20180168
ESP 智能拧紧系统应用
孙治国1陈恪毅2
（一汽-大众汽车有限公司，长春130011）
作者简介：陈恪毅（1987—），男，规划工程师，研究生学历，主要从事总装工艺规划工作。
1前言
在现行的汽车装配线上，对于车身电子稳定
系统（ESP ）模块零件，普遍采用下述方式进行装配，即由操作者手持各个零件，在不同的工位上，依序装配，依序拧紧。对于60秒节拍生产线，需使用6名操作者，在5个主线工位的前舱位置和1个线边分装工位来完成。
经过工艺调研和结构测试，开发并使用了一种ESP 智能拧紧系统，可以使用3名操作者，在一个线边工位来完成全部工艺过程，即完成ABS 泵、泵体支架、支架螺钉、刹车油管、油管管夹、油管间隔块、EC 拧紧等工艺。其中支架螺钉由人工用手持式电动拧紧拧紧，油管螺母由人工手动带入，再由机器人带动特殊头扳手对其终拧紧。下面将从系统结构、系统模块、通讯架构和人机工程分析四方面来详述。
这样的工艺安排，首先带来的是人员的精益，在总装车间的项目实施后，相关操作人员需求减少了54%，此外带来拧紧过程的可靠度提升，且开启了以小型机器人为载体的拧紧应用方向的探究。
2系统总体结构
在图1的系统总结构图中，可以看到，本系统
分为四个工序：
第一工序完成ABS 泵与泵体支架的连接紧固，扫码确认型号，放到夹具上并锁紧；
第二工序完成三个油管管夹和两根刹车油管的预装配；
第三工序完成三根刹车油管和3个油管间隔块的预装配；
第四工序是机器人工序，即机器人夹持EC 电动扳手对刹车油管螺母终拧紧，完成后自动放行。
3
系统各模块
3.1
循环线体
在图2的循环线体结构图中，线体采用立式循
环线方式，循环线外廓尺寸：6.2m*0.45m*1.45m ；
线体主体由铝型材构成(具有强度高、重量轻、直线性好等特点)，为保证设备稳定性及精度，在第四工序处的循环线底部，安装有矩形管钢架加强刚度。
循环载体为齿轮带，循环线尾部装有驱动装置，采用图3所示的SEW 变频减速电机（运行平稳可靠、噪音小、使用寿命长）驱动线体夹具以设定的速度进行循环。
循环线体的轨道采用图4所示的经强化处理的矩形型材，最长分段为1m ，连接处采用图5所示的先进轨道拼接技术，根据实际需要采用不同的拼接方法。夹具通过性平稳，轨道接缝处不易磨损，表面镀硬铬处理，与循环线体的铝制本配合，在其余件表面镀锌并白钝化防腐处理。
3.2夹具
如图6所示，全线提供12套夹具，夹具主体采
用航空铝，表面喷砂氧化处理，其它附件表面进行发黑处理。为保护装配零件，与零件接触的除重要的定位部分外均采用聚酯材料（以防零部件的划伤），夹具对于不同产品的不同外形零件具有一定的通用性。
采用快速夹钳对零件夹紧，为保证夹紧的可靠性，在第四工序额外配备夹紧安全装置，以确保
拧紧过程中夹具夹紧的绝对可靠。
夹具与循环线之间由齿形链轮传递动力，并采用摩擦块结构，通过选取合适的弹簧（米思米标准弹簧）提供可靠的夹紧力，使夹具即有足够的驱动力随输送链可靠运动，又能随时被停止机构可靠拦截。
夹具到位识别采用P+F 接近开关，关键工位（如第四工序）采用光电开关或读码器进一步提高可靠性。
3.3
第一工序分装台
如图7所示，第一工序操作过程为：
操作者扫码并根据条码信息从料架上取出相
应型号的ABS 泵体并放入定位夹具中定位，取出泵体支架放在ABS 泵体上，并靠紧夹具定位面进行定位；
取两个支架螺钉，手动带入支架及泵体，用手
汽车esp图1
系统总结构图
图2
循环线体结构图
图3SEW
电机
图4
线体轨道
图5
轨道拼接
图6
夹具侧视图
持式电动拧紧扳手进拧紧。之后将分装的总成放到线体循环夹具上，定位锁紧，按下开关放行。
分装台右侧放置条码打印机，用于打印条码，料盒用于放置支架螺钉。使用一个机械折臂附带EC 电动扳手以减轻操作者的工作负荷，一个扫码用于输入产品条码，分装台下安装有EC 电动扳手控制器，侧面落地固定一个显示屏，用于第一工
序的拧紧信息显示；
分装台承力部分使用铝型材，台面造型为内凹形，适合坐姿工作，扩大人手的控制范围。台面材质为硬实木，上方铺1cm 厚的耐磨聚氨酯；分装台所有连接均采用型材连接件。
3.4机器人及其非标头部
根据Altas 电动扳手的重量及最大反力矩，第
四工序选定KUKA 公司的小型六轴机器人KR1610，有效负荷16kg ，最大臂展1610mm ，重复精度±0.04mm 。
机器人头部通过自制连接件可靠夹持电动扳手，机器人较高的重复精度保证了特殊头电动扳手在油管螺母轴拧紧中的重复精度。机器人活动区安装防护栏，护栏由铝型材框架及透明的亚克力板构成，配合SICK 光幕已获得更高的安全性，并留有维修活门，以便后期维护保养。3.5
电控柜
原件采用威图标准电柜、西门子319F 安全型PLC 、ET200从站模块、西门子按钮开关及触摸屏、SEW 变频器等符合大众电气标准的元器件。
4通讯结构
如图8所示，机器人控制器作为主控装置，控
制线体夹具定位及放行，并控制扳手拧紧、复位，线体PLC 作为信号协调中转站使用（多方通讯协议不同）。MasterPC 通过XML 协议与扳手控制器通信，主要解析任务、拧紧数据的存储。
第一工序用条码扫码，上位机通过解析条码获得车辆信息。并将此信息以通讯的方式下达到一工位的拧紧任务中（PRG ：程序号）。设置在第一工序上的材质检测开关、光电开关等对产品型号进行区分、防错，并将信息与对应的夹具进行绑定，通过通信的方式将获取的产品信息反馈给线体PLC 并进行暂时存储，并与夹具到达拧紧工位时获得的型号数据（通过光电开关检测外形差
异）进行比对，将比对结果发送给机器人控制器及扳手控制器，机器人根据型号选择特定的轨迹进行定位，定位结束后通知扳手进行复紧，拧紧扳手根据型号信息选择对应的拧紧程序并进行复紧，将拧紧完成合格及不合格信号返回给线体PLC 及机器人控制器，线体PLC 将拧紧点合格、不合格信息与夹具绑定，并在下件工位进行显示。机器人控制器根据拧紧完成信号进行复位点定位，定位结束后通知扳手进行复位动作，扳手复位后通知机器人复位结束，机器人进行下一拧紧点位定位或回原位动作。
5人机工程分析
从人机工程学设计角度各工位进行分析，结
果如图9所示。
6下一步的设计方向
下一步的设计思路主要有三个方面：即更高的
自动化、智慧的物流方案、镜像化的控制系统。
图7
第一工序图解
图8通讯结构图
条码扫描
机器人控制器上位机MqsterPC
扳手控制器
线体PLC 型号识别检测装置
6.1更高的自动化
在如图10的设计方案中，原有的第一工序全
部工艺由机器人完成，拟采用Kuka Kr1610或
UR10，并配合使用Queens 的视觉组件，同时将第一工序和第二工序合并成一个大的工序，实现ABS 泵体的自动取放，配合振料器自动上钉，气动
图9
各工序人机工程图解第一工序人机情况第三工序人机情况（优化前
）36.8
≤51合格一工序工位距离10748.3
二工序工位距离11008.5
≤51合格三工序
工位距离7886.1
≤51合格  5.8
运行时间与工作时间重合不计入节拍
取ABS 泵5
分隔间距离2952.3
取两个管夹
1.2
分隔间距离3102.4
取油管37
分隔间距离3332.6
机器人
回原位定位1.5夹具
定位2.0
夹具定位2.0
定位安装6
夹具
定位2.0
取件支架2.5
定位安装3取油管47
机器人定位点1  2.0
定位1.5
取第三个管夹1定位安装6
复紧取两个螺钉1
定位安装1.5取油管57
扳手复位手工带入8
取油管17定位安装6
机器人定位点1扫码4
定位安装6取一个管夹1
复紧复紧14
取油管27定位安装1.5
扳手复位点漆2
定位安
装
6取一个管夹1
机器人定位点取出工件2
定位安装1.5
复紧上线
加紧5
取一个管夹1
扳手复位放行1
定位安装1.5
机器
人定位点1
放行
1
复紧扳手复位机器
人定位点复紧扳手
复位放行一工
序节拍
47.5
二工序节拍
35.8
三工序节拍
47.5
四工序节拍
第二工序人机情况
第三工序人机情况（优化后）
机构自动上支架和拧紧，实现与物料供应的自动化对接。
6.2智慧的物流方案
物料的供应过程如下：即AGV （自动引导移动
车）拖动物料子母车运行到接驳结构处，由接驳器将子车拖到预定位置，同时将空物料子车返还，在接驳结构靠近ESP 智能拧紧系统这一侧配置一个小型龙门机构，将物料子车中的料盒拾取至预先定位的位置并由气缸机构抱紧，机器人在视觉引导下即可取放ABS 泵体。此外，在接驳结构处会设置多个位置传感器，与系统PLC 通讯，当物料子车中的零件数量到达设定的最低储备时，即由PLC 向物流排序区服务器发送要货指令，服务器则分派AGV 小车开始下一轮的送件任务。6.3
镜像化的控制系统
如图11所示，体现的是PLC 远程控制软件同步PLC 各可控部件状态，实现逆向反馈，正向控制。
如图12所示，TIMS 拧紧系统远程控制软件，可以实时同步EC 电动扳手的状态及参数，实现实时的修正和动作控制。
以上两者均集成在故障分析处理系统中，通过内置的故障清单，通过判断故障特征来确认故障，并将故障处理方式和最佳步骤，反馈给服务器和维修工。
7
结束语
随着工业4.0大战略的持续延伸推进，汽车行业必将深受影响，汽车总装领域是自动化和镜像信息化的蓝海领域，围绕总装工艺设计的核心技术，以工业机器人和协作式机器人为执行体，以镜像双胞胎为控制架构，以物联协议和高速网络传输为连接，最终打造一个高度自动化，高度信息化
的无声无光工厂将成为可能。
图10
高阶自动化方案图
图11PLC 远程控制系统界面
图12TIMS
拧紧远程控制界面