李冬林
迅能自动化技术（上海）有限公司 上海 2021.4.
摘要：当前，自动装配线技术得到了迅猛发展。自动装配线具有完善的线体工艺和精密的控制过程，且检测和装配误差小，精度高。自动装配线凭借其技术优势，在轿车方向盘生产制造中得到了日渐广泛的应用。本文简述了轿车方向盘自动转配线的硬件设计和功能模块设计，浅析了轿车方向盘自动装配线的工艺流程和节拍优化，探究了轿车方向盘自动装配线的检测与调试，以及为轿车方向盘自动装配线研究提供借鉴。
关键词:轿车；方向盘；自动转配线
引言：轿车方向盘装配线基于手工转配线原有的装配动作，借助各类工业器件，诸如传感系统、伺服控制系统、PLC系统等，实现自动化改造。在改造过程中，需参照装配动作，详细分析各装配步骤，并对装配线规划线体形式和时序节拍，在确保瓶颈时间的基础上，促进装配线利用率得到最大化提高，并对装配线相应的工位方案进行制定。将工位作为基本单位，与装配工艺相结合，完成对线体机械结构的设计，并对其可行性进行论证。从总体上对控制系统进行规划，做好对装配、监控、伺服、检测等的统筹运行，确保整条装配线自动实现按序运行，监控装配动作，保障装配质量，减小装配误差。搭建装配线后，对线体实施空载调试，并开展负载运行调试，优化运行状态，发挥最大化的效能。
1轿车方向盘自动装配线设计
1.1硬件设计
方向盘装配工作具有较强的复杂性和精密性，科学设计硬件系统对于方向盘装配极为重要。将任务安排作为依据，计算生产节拍，对装配线实施合理的工作台划分，对方向盘盘体框架、零件进行组装检测。契合实际需求，剖析硬件系统的任务，并做好方案协同，对各模块功能进行拆分分组，对工作次序进行确定，对每部分做好针对性设计，与通讯系统相结合，确定硬件设计总体方案[1]。
（1）分析任务要求
从整体上全面解读硬件构架。一，分析轿车方向盘涉及的装配流程，对操作步骤和具体方法进行确定；二，分析轿车方向盘装配涉及的生产、技术指标；三，单独设计难点部位。轿车方向盘装配涉及诸多动作，以人工排线方式实施线束分装，其他动作为自动化装配。年产量50万台的轿车方向盘生产厂家，其瓶颈装配时间在40s以下。
（2）装配线线体布局
装配设备选型，为装配设备设计奠定基础。对装配线整体布局而言，装配平台发挥着决定性作用。装配线布局通常包括直线形、S形、U形、L形等。应参照装配线特点，合理选择装配线形式。轿车方向盘对装配精度要求高，涉及较少的装配步骤，且步序重叠较少，适合选用直线形装配布局[2]。同时，直线形装配布局紧凑，且结构相对简单，能减少设计制造耗费的成本，并增加利润。
1.2功能模块设计
（1）线束分装工位
方向盘成型后，首道工序是整理线束。在方向盘盘体规范整理线束，并对之分装后，合理预留其他部件所需的装配空间，通过规范走线，为后期装配提供便利，并便于维修维护。操作时，用气缸将方向盘装饰盖在仿形夹具线束分装工序相应的工作台中固定，以手工方式分装线束。操作人员在装配过程中，在仿形夹具上放置装饰环。在装饰环内放入开关，通过专用工具在装饰环卡扣内束掖线束[3]。
（2）多功能开关分装工位
完成线束分装后，在装饰盘上装配多功能开关。此工作台包括仿形快换夹具、气缸、电动拧紧机、指示灯、占位传感器、显示器、扫码枪等。在装配时，先在相应位置装配多功能开关模块，通过电动拧紧机按照0.3±0.05Nm的扭矩，垂直拧紧多功能开关。装配成功后，指示灯全亮，扭矩数据实现对服务器的自动上传，自动打开夹具。
（3）研磨件和装饰盖装配工位
完成多功能开关分装后，在方向盘上装配装饰盖与研磨件。本工位包括扫码枪、气缸、仿形夹具、显示器、电动拧紧机、指示灯、占位传感器等器件。通过气缸控制仿性夹具，在装配台上固定方向盘盘体，操作者以手工方式在对应位置装配装饰盘，再装配按响组件研磨件，占位传感器形成对占位的检测，指示灯全部亮起后，通过电动拧紧机按照1.2±0.1Nm的扭矩，拧紧研磨件[4]。通过上述操作，避免漏装研磨件，装配结束后，向服务器上传扭矩数据。
（4）导向套装配工位
该工位负责在方向盘底部，组装按响组件导向套，确保在方向盘上装配按响按钮。该工位主要包括锁紧夹具、显示器、随型夹具、指示灯、占位传感器以及电动拧紧机。装配步骤如下：在锁紧夹具上放置方向盘盘体并拧紧，在方向盘盘体上放置导向套，将夹具合紧，传感器对占位实施分别检测。在随型夹具洞口，放置螺钉，通过电动拧紧机，按照4.5±0.2Nm的扭矩，将螺钉垂直拧紧，向服务器上传扭矩数据。拧紧之后，在原位座放入电动拧紧机，信号被传感器检测到后，释放压装气缸，将方向盘取下。
2工艺流程及节拍优化
2.1工艺流程
装配线包含多道工序需要拧紧螺钉，具有大致相同的操作过程。在人工装配线中，以手工方式操作气动枪，将螺钉拧紧。此方式较为粗放。不同操作者的拧紧标准存在较大差异，且每个螺钉相应的拧紧标准不同。拧紧螺钉需要长期重复操作，操作者的注意力会逐渐减弱，可能错拧、忘拧、漏拧。该过程缺乏监督机制，装配的产品缺乏稳定质量，产生的次品较多。通过电动拧紧枪将螺钉拧紧，能提升正确率，并确保装配精度，能实现自动化装配，增强装配效能。
对操作界面实施PLC编程处理，通过显示屏，对工控界面进行显示，包括加工件数、拧紧扭矩、工件合格率以及螺钉占位等信息。工艺流程图如下图1所示：
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导向套压装的原始工艺较为粗糙，通过自制工具以手工方式强行压装，极易损伤工件，形成报废件。对原始工艺进行改造，在OP-50工位上，对仿形压装夹具进行设计，将导向套放入对应的定位处，碰珠夹紧导向套，对射光线对占位进行检测，完成安装后，压装气缸下行，随仿形夹具在方向盘上压装导向套。上述操作能形成统一均匀的装配力度，且满足标准要求，还能确保装配高度形成一定基准。
2.2节拍优化
通过如下方法，计算装配线平衡：
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以装配线平衡率作为衡量装配线是否平衡的指标；以装配线平滑指数作为衡量装配线是否顺畅的指标。计算公式如下：
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通过Flexsim软件，开展线体仿真，对模型进行构建。将实体模型从实体库中导入系统，开展模拟。将各工序相应的操作时长以及参数输入系统仿真模型中，对装配线相应的装配过程实施系统仿真。设定模型运行时间为57600S。对各工作站实际工作情况进行仿真分析，计算获知装配线运行的实际情况。
在详细分析各工序的基础上，对装配线实施自动化改造，改变原有的工位布置和装配工序。实现对各工位职能的细化，部分工序耗时较长，可对之进行拆分，形成单列设计。将每台工位节拍控制在瓶颈节拍40s以内。
对装配线涉及的各道工序进行分析和科学设计，规避装配线原有的设计缺陷，尽量减少手工操作工序，升级为自动化装配工序。对装配节拍实施仿真模拟，形成更为平衡顺滑的装配线，大幅度提高效率。
3检测与调试
多功能开关检测协议，与LIN2.0通讯标准协议相符。通过主从模式，由主机对帧头发送，从机响应。帧头主要包括三部分，即同步间隔场、标识符场、同步场。标识符对帧目的作出了唯一定义。LIN控制器上电后，主控制器将握手命令发出，发送握手与数据包和LIN控制器连接，若字符串返回，则表明连接完成。之后，主控制器对帧头发送，对应LIN控制器实施帧相应。LIN控制器对报文接收后，对响应报文打包，对主控制器返回，实现方向盘对多功能开关的通断检测。
搭建工作台，并安装电气系统，完成接线，完成软件系统编程后，应上电，对轿车方向盘装配线各工位实施控制系统调试，对各工位电气系统接线安装情况进行逐次验证。
结束语
综上所述，轿车方向盘自动装配线，综合运用了自动控制、伺服传感以及机械电气等手段。自动化装配线运行实际情况显示，量产能力良好。在后期研究中，应开发精确度和科学性更高的测量方式，提高相关测量精度，有效消除误差，并避免冗余测量误差。自动化装配线采用垂直拧紧方式拧紧螺钉，在后期，对需变换角度拧紧的工件进行换装时，应探索拧紧角度呈现出的变化。
参考文献
[1]隋明钊. 轿车方向盘自动装配线研究[D].吉林大学,2019.
[2]张海源,黄巨成,古红晓,朱钊.汽车生产线方向盘对中方案探讨[J].汽车实用技术,2018(06):145-146+159.
[3]周鹤,张阳,鲁辉,黄太强.汽车方向盘设计与人机工程学[J].汽车科技,2018(05):67-72.
[4]周俊锋.汽车方向盘装配方案[J].汽车工艺师,2018(09):34-35.