柔性力矩机器人

通常，当汽车制造商需要拧紧引擎组件中的几个螺栓时，他们会使用多个紧固主轴安装在一个“硬工具”自动系统中。福特的工程师们找到了一个更好的方法。

在福特(Ford)的发动机工厂，凸轮盖、前盖和进气歧管等多紧固件接头传统上是在专用的停机站使用硬工具、多轴动力头组装的。磁头安装在气动、液压或机电滑轨上。主轴(每个紧固件一个)固定在适当的位置，并同时将所有紧固件紧固到一个特定的扭矩。

在诸如福特V-8发动机的凸轮罩等应用中，这可能需要多达27个主轴，每个主轴的成本约为1.5万美元。主轴的设置与所装配部件的紧固件式样相匹配。由于每个停机站专用于特定的发动机，因此在装配线上需要额外的工作站来容纳不同的发动机。一个硬工具、多轴紧固工位的总成本从52.5万美元到70万美元不等，具体取决于发动机的应用情况和涉及的紧固件数量。

硬工具，多轴紧固方法是(并且仍然是)有效和经济的解决方案，发动机装配线的特点是高容量，低复杂性和短周期Arial。然而，对于新的V和I引擎项目，福特采取了不同的战略方向。我们想要设计一条非常灵活的中低速发动机装配线，能够支持高度复杂的产品，并且能够轻松转换。

在开发柔性扭矩技术时，我们希望达到以下目标:

能够紧固通常在发动机应用中发现的多紧固件硬接头。
演示单轴扭矩的可行性，在生产环境中提供一致的，高质量的接头。
降低新项目生产设备的生命周期成本。

技术开发团队由先进制造技术开发中心领导。该中心位于密歇根州雷德福，是福特汽车公司先进制造工程组织的一个分支机构。

该项目团队还包括来自以下福特组织的成员:动力总成运营制造工程、动力总成运营v型发动机设计和位于加拿大温莎市温莎发动机工厂的小批量装配线。此外，以下供应商也直接参与了工作:Comau Pico (Southfield, MI)、ABB (New Berlin, WI)和Advanced Fastening Systems (AFS, Sterling Heights, MI)。

技术开发

由于该项目的主要目标是开发柔性扭矩技术，这自然导致将现有的机器人技术作为解决方案的基础。

我们的柔性扭矩技术集成了两个主要组件。一个标准的六轴机器人取代了传统的硬工具、多轴紧固站的机翼底座、立柱和动力头。机器人制造商的控制器控制机器人的运动。在机械臂的端部工装上安装了一个直流电紧固主轴。主轴由工具制造商的基于pc的控制器控制。一个独立的可编程逻辑控制器(PLC)同步机器人和主轴之间的事件。

机器人按预定的顺序一次一个地拧紧紧固件。机器人依次将主轴放置在每个紧固件上。然后主轴控制器启动并监控紧固件的拧紧顺序。记录并存储每个紧固件的关键扭矩数据和通过-失败信息。

我们的柔性扭转技术在一个具有代表性的测试单元上进行了广泛的测试和试验，以确认关节的完整性，并建立“拼接”或替代紧固顺序的循环Arial。1997年，同时完成了发动机应用的工程活动和可行性研究，柔性扭矩技术被认为可以投入生产。

生产实现

我们的柔性扭矩技术于1998年1月5日在温莎发动机厂的低产量生产线上首次实施。1999年的4.6升双气门发动机和5.4升双气门四气门发动机都采用了该技术。

温莎的发动机装配线的周期为49秒。它可以制造30多种不同的发动机代码，年产20万台发动机。

该紧固机器人应用于以下领域:

前盖破败站(两个站，每个站一个机器人)。
火花塞安装和拆卸站(一个站两个机器人)。
凸轮盖拆卸工位(两个工位，每个工位有两个机器人)。

自机器人投入使用以来，该生产线已经制造了50多万台发动机。在此期间，生产和保修数据已经收集和分析，与机器人工作站组装的发动机的接头没有出现质量相关问题。此外，机器人停机站的设备正常运行时间、可靠性和可维护性均优于传统的硬工具多轴工作站。

福特衡量新技术有效性的一种方法是看它们是否能在其他工厂成功实施。基于在温莎的成功试点应用，机器人扭矩技术在2000年第三季度被复制到密歇根州罗密欧的福特发动机工厂的低产量装配线上。2001年的4.6升双气门发动机和5.4升双气门四气门发动机都采用了该技术。

罗密欧工厂的发动机装配线周期为42秒。它可以制造30多种不同的发动机代码，年产23.5万台发动机。

紧固机器人的应用与温莎大学的类似。此外，对机器人技术进行了调整，并将其应用到发动机的过程测试设备中。具体来说，这项技术被用于由两个机器人组成的压缩检查站。

随着温莎和罗密欧的成功实施，该技术已成为福特内部的最佳实践。此外，该技术目前已被记录在福特制造通用规划和工程方法规范中，作为小批量发动机或典型周期Arial为40 - 55秒的发动机的推荐扭矩策略。

典型的破败的站

在温莎工厂，4.6升双气门发动机和5.4升双气门发动机的右凸轮盖上都有13个紧固件，左凸轮盖上有14个紧固件。尽管两个发动机使用相同的凸轮盖，凸轮盖上的紧固件总数相同，但由于甲板高度的不同，X、Y和Z飞机上的紧固件位置是独特的。这款5.4升四气门发动机有独特的凸轮盖，右凸轮盖上有10个紧固件，左凸轮盖上有10个紧固件。此外，由于四气门气缸盖配置，在X, Y和Z平面的紧固件位置是独特的。所有三个引擎上使用的紧固件都是M6螺栓和M6螺柱的组合，紧固扭矩为8到12牛顿米。

如果这三台发动机采用传统的熄火工艺组装，那么至少需要两个，甚至可能是三个硬工具多轴站。此外，动力头上至少需要47个固定锭子。

相反，我们安装了两个相同的机器人站来连接凸轮盖。每个工作站使用两个ABB 4400系列机器人。每个机器人的端部工装上安装一个AFS直流电主轴。

发动机由专用托盘装载，并通过硬自动化转移到工位。在工位上有一个托盘停止器和一个升降和定位单元，用于定位发动机以进行组装。安装在引擎托盘上的射频(RF)标签将引擎构建“配方”编码到其中。站的天线读取射频标签信息，PLC为特定的发动机代码选择适当的停机程序。然后机器人将主轴放置在每个紧固件上，将插座接合到M6螺栓或螺柱六角上。启动扭转序列，紧固件按一针模式依次向下运行，一次一个。

如果其中一个挠性转矩站发生故障，可以由另一个站完全提供备份，直到在换班期间可以进行维修。这就保证了生产线的运转。