汽車焊裝柔性方案在先進(jìn)主焊線的應(yīng)用

陳志毅 畢愿江 丁才奇 劉澤博 李柯冉

摘要：闡述了國產(chǎn)某主機(jī)廠高節(jié)拍（60 JPH）、四車型共線生產(chǎn)的先進(jìn)白車身柔性主焊線工藝布局。該條主焊線為焊點(diǎn)自動焊接，采用自動預(yù)裝、OPEN-GATE式主拼框架、頂蓋激光釬焊、頂蓋激光焊自動輕擦焊、自動打磨、機(jī)器人視覺應(yīng)用、AGV自動輸送和在線測量先進(jìn)工藝，滿足從轎車到MPV不同白車身混線生產(chǎn)，在高節(jié)拍生產(chǎn)過程中可以滿足四車型內(nèi)切換無節(jié)拍損失。首先闡述主焊線中不同工位柔性方案，然后以此生產(chǎn)線作為案例，對一些主焊線共用典型工藝進(jìn)行多車型混線的方案與設(shè)計進(jìn)行解讀，最后對線體設(shè)計和規(guī)劃要點(diǎn)進(jìn)行闡述及分析。

關(guān)鍵詞：白車身 柔性化 主焊線 多平臺混線

中圖分類號：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220363

Abstract： This article elaborated the process layout of the advanced flexible main welding line of Body In White （BIW） for the high beat （60 JPH） 4-model fixed line in a China OEM， this welding line adopted advanced technologies such as automatic welding， automatic pre-assembly， OPEN GATE type main assembly frame， top cover laser brazing， automatic brushing of the top cover laser welding， automatic polishing， robot vision application， AGV automatic conveying， and online measurement， which can meet the requirements of mixed production of different BIW from cars to MPVs. In the high beat production process， the production line can meet the requirements of switching within 4 models without beat loss. The paper firstly elaborated the flexible solution for different stations in the main welding line， then， taking this production line as a case， interpreted the typical processes adopted by some main welding lines in terms of the solution and design of multiple vehicle mixed lines. At the end of this paper， the key points in design and planning of the main welding line were elaborated and analyzed.

Key words： Body In White （BIW）， Flexibility， Main welding line， Multi-platform mixed line

作者簡介：陳志毅（1995—），男，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向為汽車焊裝制造技術(shù)。

參考文獻(xiàn)引用格式：

陳志毅， 畢愿江， 丁才奇， 等. 汽車焊裝柔性方案在先進(jìn)主焊線的應(yīng)用[J]. 汽車工藝與材料， 2023（5）： 55-61.

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1 前言

在愈發(fā)激烈的乘用車競爭環(huán)境中，柔性化白車身生產(chǎn)線在國內(nèi)外高端生產(chǎn)線中發(fā)揮著越來越大的作用。柔性生產(chǎn)線可以根據(jù)生產(chǎn)訂單，靈活應(yīng)對不同的車型生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)車型的快速切換，滿足生產(chǎn)實(shí)際需求。在柔性生產(chǎn)線中，主焊線肩負(fù)著最終白車身尺寸精度的重要任務(wù)。在傳統(tǒng)白車身主焊線中，很難實(shí)現(xiàn)車身尺寸、結(jié)構(gòu)差異過大的混線生產(chǎn)，從而影響主機(jī)廠生產(chǎn)線車身產(chǎn)品規(guī)劃。如何在主焊線中實(shí)現(xiàn)從轎車到MPV不同車型的混線生產(chǎn)，成為主焊線的主要課題。

主焊線柔性主要體現(xiàn)在3個方面：一是共用工裝夾具，如地板夾具?？蚣茏ナ值亩ㄎ粰C(jī)構(gòu)需要滿足所有車型定位及通過性，需要具備可以同時定位多車型零件的能力；二是每個車型單獨(dú)工裝夾具，如總拼框架。頂蓋激光焊胎膜，預(yù)裝抱具需要有無節(jié)拍損失的快速切換及存儲方案；三是每個車型的機(jī)器人工裝抓手都需要有對應(yīng)的?？课恢?，需要有足夠的空間預(yù)留。

2 柔性主焊線工藝布局

以傳統(tǒng)的德系主車身為例，主焊線需要裝配的零件如圖1所示。圖2與圖3為國產(chǎn)某豪華品牌主機(jī)廠的柔性主焊線工藝流程圖，該主焊線分為主焊一線和主焊二線，線內(nèi)有4車型預(yù)留，可以滿足4+N車型混線生產(chǎn)。

3 柔性方案應(yīng)用目的

3.1 縮短新車型融入周期

現(xiàn)有汽車市場競爭激烈，國內(nèi)外每個主機(jī)廠都在不停推陳出新，加快新車型研發(fā)速度，縮短新車型換型周期。作為4大工藝中自動化程度最高的焊裝工藝，通過在一期產(chǎn)線中施行柔性方案，做好后續(xù)車型預(yù)留，可以極大程度縮短后續(xù)車型線體改造周期，實(shí)現(xiàn)車型的快速達(dá)產(chǎn)。

3.2 可以更靈活應(yīng)對生產(chǎn)訂單

如果生產(chǎn)線柔性較高，可以混合生產(chǎn)多個當(dāng)前市場車型，便可以根據(jù)實(shí)際訂單需要，調(diào)整線體生產(chǎn)比例，提高線體實(shí)際生產(chǎn)效率。

4 多平臺車型主焊線柔性方案

4.1 應(yīng)用NC柔性地板定位夾具

對于多平臺白車身主焊線，地板定位尤為關(guān)鍵。由于不同車型的定位孔位置差異較大，在傳統(tǒng)主焊線下部夾具，通常采用翻轉(zhuǎn)氣缸帶動勾銷缸的定位形式，當(dāng)需要切換不同車型部件時，翻轉(zhuǎn)氣缸打開，帶動整個勾銷氣缸打開，部件如圖4所示。

這種方式缺點(diǎn)在于一旦一條生產(chǎn)線車型過多，下部夾具上就會有大量的翻轉(zhuǎn)單元，甚至?xí)霈F(xiàn)部件過多無法設(shè)計的情況，對多車型混線生產(chǎn)線設(shè)計以及現(xiàn)場后續(xù)的維護(hù)都存在較大問題。

針對這種情況，該生產(chǎn)線采用伺服柔性定位裝置（NC-LOCATOR，NC）柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行下部夾具的定位，每一組NC單元可以實(shí)現(xiàn)車身X方向±200 mm，Y方向±100 mm，Z方向±200 mm任意位置切換，重復(fù)定位精度為±0.1 mm。通過使用NC柔性機(jī)構(gòu)，保證在平臺不同，地板主定位孔位置差異較大的情況下，也可以通過NC單元切換實(shí)現(xiàn)不同車型定位孔的共用。但采用NC定位需要和白車身產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行提前溝通，對于不同車型下部主定位孔需要設(shè)計成孔徑大小一致，前后位置差異需要在NC單元切換范圍內(nèi)，圖5為使用NC定位單元的下部夾具。

4.2 側(cè)圍內(nèi)外板高節(jié)拍柔性預(yù)裝方案

側(cè)圍預(yù)裝工位是主焊線生產(chǎn)的第一序，是總拼工位的前提。在側(cè)圍內(nèi)板的預(yù)裝工位中，需要在側(cè)圍內(nèi)板上完成和地板搭接位置的涂膠工藝以及和地板連接的搭扣工藝。在側(cè)圍外板的預(yù)裝工位中，要在側(cè)圍外板上，完成和地板搭接位置的涂膠工藝以及和地板連接的搭扣工藝。由于每個車型搭扣位置普遍不同，每個車型抓手都需要有各自單獨(dú)抓手，占地面積較大，通常需要占用2～3個滾床工位。

由于預(yù)裝涂膠工作量非常大，一般車型側(cè)圍單側(cè)會有4 000～5 000 mm長的涂膠量，在高節(jié)拍的生產(chǎn)線中很難在一個生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成。通常在這種情況下采用雙節(jié)拍工藝，即采用2組同樣工藝的機(jī)器人同時工作，這種情況下實(shí)際工作節(jié)拍翻倍，并保證一個生產(chǎn)節(jié)拍產(chǎn)出一個零件。如圖6所示，R01和R02機(jī)器人分別從電動單軌系統(tǒng)（Electric Monorail System，EMS）上抓取側(cè)圍零件，并放到涂膠工作位，R03和R04同時在側(cè)圍上涂膠，當(dāng)?shù)谝粋€側(cè)圍完成后，R01將側(cè)圍拿走放置到車身上預(yù)裝，并從EMS上抓取下一個側(cè)圍。在此時R02放到涂膠工作位，由R03與R04再次進(jìn)行涂膠，兩個機(jī)器人工作互相穿插進(jìn)行，保證線體在一個節(jié)拍內(nèi)完成一個側(cè)圍工作量。

4.3 AGV配合機(jī)械視覺的頂蓋柔性輸送系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的頂蓋生產(chǎn)線中，頂蓋器具通常采用人工精定位料車推入料口的形式。此種方案費(fèi)時費(fèi)力，而且需要至少一個線體人員時刻守在線體旁邊，進(jìn)行空滿器具的倒換。

在先進(jìn)主焊線中，采用自動導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）代替人工進(jìn)行頂蓋器具轉(zhuǎn)運(yùn)工作，AGV通過承載頂蓋料車器具，通過與工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）進(jìn)行交互，從MES系統(tǒng)得到生產(chǎn)通知和生產(chǎn)線需求車型信息，從規(guī)劃的不同車型物料存儲區(qū)輸送至線體料口。圖7為AGV自動運(yùn)輸至主焊二線頂蓋料口的AGV路線圖，在AGV緩存區(qū)設(shè)置有6組緩存，可以滿足6種頂蓋自動接收、上線。

本線體采用承載舉升式AGV，AGV與線體器具采用銷孔配合，以保證精度。料口采用雙側(cè)精定位鋼制導(dǎo)輪，使AGV能夠承載器具穩(wěn)定，順滑進(jìn)入料口。AGV到位后，承載器具下降，使器具輪子貼合地面。同時在料口到位位置，有兩組氣缸，對器具進(jìn)行夾緊定位，對器具的X、Y、Z 方向進(jìn)行精確定位（圖8）。

國內(nèi)AGV一般最多能實(shí)現(xiàn)的定位精度為±5 mm，所以在線內(nèi)機(jī)器人從料庫取件時，需要配備視覺系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)誤差在±5°、±70 mm內(nèi)的零件抓取，從而實(shí)現(xiàn)不同車型頂蓋零件的精準(zhǔn)運(yùn)輸（圖9）。

4.4 后輪罩滾邊高節(jié)拍柔性方案

在德系主焊線工藝中，側(cè)圍內(nèi)外板需要在主焊線分別上件，側(cè)圍外板和后輪罩之間需要在主焊線進(jìn)行滾邊，如圖10所示。按照工藝，需要進(jìn)行3遍，分別是45°、0°和水滴邊的滾邊壓合，如圖11所示。由于滾邊工藝需要的工藝時間較長，傳統(tǒng)的通過換槍盤切換方式很難在60 JPH的線體中實(shí)現(xiàn)4車型無節(jié)拍損失的切換。

本線體采用單側(cè)布置2個機(jī)器人的方案如圖12所示，一個機(jī)器人抓持胎膜工裝，工裝采用四面體風(fēng)車結(jié)構(gòu)，可以在不采用切換設(shè)備的前提下滿足4個不同車型。另一個機(jī)器人抓持滾頭，進(jìn)行滾邊作業(yè)。在工作過程中，胎膜工裝不脫離機(jī)器人，同時在地面兩側(cè)伸縮氣缸組件對胎膜夾具進(jìn)行精確定位。應(yīng)用此種方案，可以節(jié)拍損失的進(jìn)行4種車型的切換。

按照滾邊理論速度（150 mm/s），和常規(guī)轎車單側(cè)1 000 mm左右的滾邊距離計算分析，該工藝生產(chǎn)節(jié)拍，如表1所示。

此方案可以在滾邊3次的情況下，滿足4車型隨機(jī)生產(chǎn)的任意切換，極大提高了生產(chǎn)線效率。

4.5 頂蓋激光釬焊柔性方案

在現(xiàn)有高端乘用車生產(chǎn)線，頂蓋和側(cè)圍外板搭接普遍采用激光釬焊。對比傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊，頂蓋剛度高、外觀好、生產(chǎn)速度快，同時取消了車頂飾條和密封膠，單車成本降低約32.4元。但是激光釬焊固定投資大，生產(chǎn)柔性差，對零件搭接精度要求高，對生產(chǎn)線要求也更高。在德系車型連接工藝中，頂蓋激光釬焊已成為標(biāo)配[1]。

頂蓋激光焊接工位通常由激光房本體、激光釬焊機(jī)器人、輔助點(diǎn)焊機(jī)器人、側(cè)圍抱具、頂蓋胎膜組成。

頂蓋激光焊工藝流程如圖13所示。

頂蓋釬焊激光房通常分為2層，一層中由車身左右2條帶七軸的釬焊機(jī)器人，以及首尾2臺點(diǎn)焊機(jī)器人構(gòu)成，點(diǎn)焊機(jī)器人在釬焊過程中對頂蓋前后進(jìn)行電阻點(diǎn)焊，提高頂蓋工位連接穩(wěn)定性，如圖14所示。柔性方案最大的難題為用來控制頂蓋開口的側(cè)圍抱具以及頂蓋胎膜如何進(jìn)行不同車型的切換及預(yù)留。

4.5.1 側(cè)圍抱具柔性方案

側(cè)圍抱具定位需要針對不同車型的側(cè)圍B柱位置進(jìn)行定位夾緊，從而起到控制側(cè)圍開口、輔助矯正頂蓋位置的作用。由于不同車型寬度、高度普遍不同，側(cè)圍零件很難做到一致。所以，針對每種不同車型零件，都需要各自單獨(dú)的定位部件，針對此種情況，一般抱具采用如下形式混流。

翻轉(zhuǎn)式切換如圖15所示，翻轉(zhuǎn)式采用大型翻轉(zhuǎn)氣缸（如TUNKERS品牌KS系列氣缸），采用不同翻轉(zhuǎn)單元定位不同的車型側(cè)圍零件，優(yōu)點(diǎn)是相對于其它方案成本較低，缺點(diǎn)是一旦超過3個車型共線，由于翻轉(zhuǎn)單元對空間的限制，采用此形式設(shè)計就會變得很困難，并且由于后續(xù)融入車型外形未知，翻轉(zhuǎn)定位部件不容易預(yù)留。

圖16所示為旋轉(zhuǎn)式切換，本線體選用此種方案，采用轉(zhuǎn)臺或者轉(zhuǎn)轂單元的切換方式，針對不同車型的側(cè)圍，旋轉(zhuǎn)單元都有單獨(dú)的一面工裝對應(yīng)。此種方案優(yōu)點(diǎn)在于各自車型的工裝獨(dú)立性強(qiáng)，改造方便，同時柔性強(qiáng)，轉(zhuǎn)臺最多可以滿足5種不同車型的混流生產(chǎn)。缺點(diǎn)在于這種方案成本較高，需要增加轉(zhuǎn)臺和變頻器電氣原件，成本較高。

4.5.2 頂蓋胎膜柔性方案

激光焊頂蓋胎膜是頂蓋激光釬焊最重要的尺寸保證手段，針對不同車型，都必須要有各自單獨(dú)的工裝夾具，頂蓋胎膜柔性方案也直接影響該條生產(chǎn)線的混線車型數(shù)量。傳統(tǒng)方案中，頂蓋胎膜一般采用升降舉升機(jī)構(gòu)，此種方案定位穩(wěn)定，但多車型混線難度極高，對預(yù)留空間要求高，如圖17所示。

目前生產(chǎn)線中，柔性最高的方案如圖18、圖19所示，也是本線體采用的方式。在激光房的二層平臺車身方向首尾位置，采用2臺高負(fù)載機(jī)器人（如ABB品牌IRB 8700-800/3.50型號機(jī)器人），應(yīng)用機(jī)器人抓取頂蓋胎膜的形式，并在機(jī)器人和抓手中間增加快換盤，實(shí)現(xiàn)不同車型切換的柔性。由于胎膜工裝質(zhì)量較大，采用此方案的胎膜框架普遍采用鋁制焊接框架。在二層機(jī)器人兩側(cè)，分別布置2個四面體轉(zhuǎn)臺，用來存放不同車型胎膜夾具。由于在車身首尾位置各有一臺機(jī)器人，當(dāng)需要車型切換時，若此時R01車型抓取A車型胎膜正在工作，轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)，將需要切換的車型B面向R02機(jī)器人，使R02可以提前抓取，由于該工作完全可以在釬焊過程中完成，所以不會占用額外節(jié)拍，對生產(chǎn)線效率的提升大有好處。

4.6 總拼工位高節(jié)拍柔性切換方案

針對于總拼工位的布局設(shè)計，不同主機(jī)廠有諸多不同方案。抓手飛行夾具總拼包含內(nèi)置夾具總拼以及OPEN GATE形式總拼。在高節(jié)拍主焊線中，OPEN GATE形式主拼采用的最多。OPEN GATE以電機(jī)形式推動，節(jié)拍快、精度定位高，應(yīng)用較為廣泛。本文以該線體采用的KUKA公司OPEN GATE形式總拼框架為例，闡述總拼柔性方案及切換形式，如圖20所示。

KUKA公司總拼框架是經(jīng)典的轉(zhuǎn)臺形式總拼結(jié)構(gòu)，核心部件為能夠沿X、Y方向移動的滑軌臺車系統(tǒng)與主拼鎖緊機(jī)構(gòu)。GATE主拼通常與滾床輸送設(shè)備配合使用，滾床先將預(yù)裝好的白車身總成傳輸?shù)街髌垂の?，下夾具對地板總成進(jìn)行定位，然后GATE通過滑軌臺車移動側(cè)圍定位夾具，通過鎖緊機(jī)構(gòu)對側(cè)圍及頂蓋梁進(jìn)行定位夾緊，最后機(jī)器人進(jìn)行焊接，完成主拼工藝[2]。同時可以在框架上方增加二層鋼結(jié)構(gòu)平臺，增加空中的機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)定工位機(jī)器人焊接，如圖21所示。

當(dāng)不同車型車身需要進(jìn)行切換時，總拼系統(tǒng)通過上位PLC傳來的車型信息，將轉(zhuǎn)臺上對應(yīng)車型的夾具提前轉(zhuǎn)移至滑道2號滑車上。當(dāng)前車型工藝完成后，1號滑車承載夾具橫移，2號滑車承載下一車型夾具滑移至工作位，從而實(shí)現(xiàn)不同車型夾具自動柔性切換，如圖22所示。

5 柔性方案中規(guī)劃設(shè)計要點(diǎn)

5.1 焊裝線體白車身通過性

在白車身線體柔性方案中，普遍采用滑臺、轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)鼓切換形式，這些切換單元普遍需要占用大量的生產(chǎn)線體面積。在新車型融入時，需要重點(diǎn)考慮車身的通過性。

在主焊線規(guī)劃設(shè)計中，白車身的最大通過尺寸作為最重要的前期輸入前提，是重中之重。以本條線體為例，前期輸入的最大通過尺寸為5 200 mm（長）×2 200 mm（寬）×1 700 mm（高），那么在主拼以及激光焊房的重點(diǎn)工位，需要保證該尺寸的車身無干涉通過，對鋼結(jié)構(gòu)高度以及兩側(cè)的側(cè)圍定位系統(tǒng)寬度都有了最低要求。

5.2 生產(chǎn)線的車型切換節(jié)拍

在前期線體規(guī)劃中，切換節(jié)拍同樣是重要的生產(chǎn)前提。在傳統(tǒng)的低節(jié)拍生產(chǎn)線中，車型切換甚至可以做到1∶1切換，但在高節(jié)拍生產(chǎn)線中，以60 JPH、85%開動率的線體考慮，僅有51 s的工作時間，無法滿足過于頻繁的隨機(jī)切換。這時需要前期和焊裝車間生產(chǎn)部門達(dá)成協(xié)議，以8∶8或10∶10進(jìn)行切換，將切換節(jié)拍分均到每個節(jié)拍中，減少對生產(chǎn)節(jié)拍的損耗。

6 結(jié)束語

隨著主機(jī)廠成本、改造周期控制逐漸嚴(yán)格，能夠兼容多種不同車型，又能快速融入新車型的生產(chǎn)線是大勢所趨。伴隨著AGV、人機(jī)協(xié)作機(jī)器人、機(jī)械視覺新技術(shù)、新設(shè)備的出現(xiàn)，更多柔性方案也會在今后的焊裝生產(chǎn)線中獲得更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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