一種車(chē)身柔性線多種車(chē)型頂蓋運(yùn)送裝置

霍炳武　肖春燕　劉浩　曾顯政

摘要：國(guó)內(nèi)部分汽車(chē)制造廠車(chē)身柔性線上多種車(chē)型頂蓋的運(yùn)送由人工操作，這樣會(huì)存在車(chē)型開(kāi)發(fā)速度快與輔助設(shè)備開(kāi)發(fā)緩慢之間的矛盾、人機(jī)工程及安全隱患等問(wèn)題。文章運(yùn)用軌道機(jī)構(gòu)和吸盤(pán)原理，開(kāi)發(fā)一種多種車(chē)型頂蓋運(yùn)送裝置，達(dá)到符合簡(jiǎn)易自動(dòng)運(yùn)送技術(shù)的生產(chǎn)要求，滿足單個(gè)生產(chǎn)線多種車(chē)型的頂蓋上線及轉(zhuǎn)運(yùn)要求。

關(guān)鍵詞：頂蓋；軌道機(jī)構(gòu)；吸盤(pán)；運(yùn)送裝置；汽車(chē)車(chē)身 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U223 文章編號(hào)：1009-2374（2016）21-0008-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.004

1 研究背景

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展和人力成本的逐漸上升，車(chē)身工藝自動(dòng)化已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而現(xiàn)今國(guó)內(nèi)部分汽車(chē)廠制造白車(chē)身時(shí)，車(chē)身頂蓋的拼裝運(yùn)送依舊是人工操作，而人工操作存在以下問(wèn)題：車(chē)型開(kāi)發(fā)速度快與輔助設(shè)備開(kāi)發(fā)緩慢之間的矛盾、人機(jī)工程及安全隱患等問(wèn)題。以某公司某車(chē)身車(chē)間為例，車(chē)身頂蓋的運(yùn)送需要兩名操作工將其安裝到拼臺(tái)，同樣也存在類(lèi)似問(wèn)題：（1）零件過(guò)大不方便取拿，每次拿取零件都會(huì)浪費(fèi)不必要的時(shí)間，如果每班次生產(chǎn)計(jì)劃350臺(tái)，累計(jì)時(shí)間將很可觀；（2）需要2人操作步行時(shí)間浪費(fèi)共達(dá)到10秒；（3）在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，容易碰凹或掉落，每班次10臺(tái)，需要返修15分鐘，每班次需要返修2.5小時(shí)。為解決企業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，本研究采用一種車(chē)身柔性線多種車(chē)型頂蓋運(yùn)送裝置代替人工運(yùn)送。

2 車(chē)身柔性線多種車(chē)型頂蓋運(yùn)送裝置的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)構(gòu)的工作場(chǎng)所位于頂蓋分拼區(qū)域，其設(shè)計(jì)思路為通過(guò)料框-焊接拼臺(tái)-機(jī)器人取料拼臺(tái)中心線，設(shè)計(jì)吊運(yùn)中心線，運(yùn)用吸盤(pán)抓取車(chē)身頂蓋，并且根據(jù)拼臺(tái)與轉(zhuǎn)接臺(tái)弧度變化，在地面上增加滑移導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)運(yùn)送裝置落料后，在不同位置自動(dòng)達(dá)到精準(zhǔn)放置。

根據(jù)軌道機(jī)構(gòu)和真空吸盤(pán)加載技術(shù)工作原理，該運(yùn)送裝置采用氣控升降裝置、氣控防護(hù)裝置、獨(dú)立吸盤(pán)裝置、軌道轉(zhuǎn)向等結(jié)構(gòu)，組成一種物料吸取、物料運(yùn)送、物料防護(hù)的結(jié)構(gòu)形式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工運(yùn)送的模式，減少勞動(dòng)力，提高工作效率，避免零件損壞，保證員工不受傷害等安全問(wèn)題。

在實(shí)際工作區(qū)域中，有兩個(gè)該運(yùn)送機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車(chē)身頂蓋的運(yùn)送裝配，以下便以前運(yùn)送機(jī)構(gòu)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。圖1為該機(jī)構(gòu)工作示意圖，本文將重點(diǎn)介紹軌道機(jī)構(gòu)與吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。表1為機(jī)構(gòu)部件明細(xì)表：

2.1.1 軌道機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本運(yùn)送裝置的移動(dòng)機(jī)構(gòu)由到導(dǎo)軌完成，因此軌道機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分重要。軌道機(jī)構(gòu)的大致分布可從圖1看出，根據(jù)拼臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，在拼臺(tái)地面上左右增加一條軌道，實(shí)現(xiàn)吊運(yùn)機(jī)構(gòu)根據(jù)軌道軌跡移動(dòng)，避免偏移。在外框結(jié)構(gòu)的底部增加3個(gè)滑輪連接（右側(cè)2個(gè)滑輪，左側(cè)1個(gè)滑輪位于右側(cè)2個(gè)滑輪之間的中心線，滿足左轉(zhuǎn)彎條件），滑輪與外框連接處增加圓錐滾子軸承，使滑輪水平面360°可旋轉(zhuǎn)，達(dá)到整個(gè)框式機(jī)構(gòu)可根據(jù)軌道弧形轉(zhuǎn)彎。由于焊接拼臺(tái)線與機(jī)器人焊接線不在同一條直線上，因此運(yùn)送裝置在導(dǎo)軌上需要偏移一定角度，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角為135°，實(shí)現(xiàn)運(yùn)送裝置轉(zhuǎn)彎之后到達(dá)指定終點(diǎn)，頂蓋定位沒(méi)有偏差，自動(dòng)達(dá)到精準(zhǔn)效果。

2.1.2 吸盤(pán)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在外框結(jié)構(gòu)的頂部上增加氣動(dòng)葫蘆吊，作為動(dòng)力裝備，通過(guò)氣控元件控制系統(tǒng)，由人工控制、調(diào)節(jié)控制器實(shí)現(xiàn)取料機(jī)構(gòu)在Z方向精確移動(dòng)。在吊裝框式結(jié)構(gòu)與外框結(jié)構(gòu)，使用配套的導(dǎo)向桿2根，防止被吊取零件在XY方向隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)向桿和外框結(jié)構(gòu)之間增加墊片，使導(dǎo)向桿在XY方向起微調(diào)作用。外框結(jié)構(gòu)的連接件為：GB6728-86冷彎矩空心型鋼50X50，并在外框結(jié)構(gòu)上部增加相同材料形成三角結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)外框結(jié)構(gòu)的牢固性。吊裝框式結(jié)構(gòu)的連接件為：GB6728-86冷彎矩空心型鋼25X25，結(jié)構(gòu)輕巧，并在吊裝框式結(jié)構(gòu)連接處放置6個(gè)吸盤(pán)。

實(shí)際工作時(shí)，拼臺(tái)上有兩個(gè)10mm的定位銷(xiāo)與頂蓋后部的定位孔配合，每次操作時(shí)，為防止拼臺(tái)上的定位銷(xiāo)可能會(huì)導(dǎo)致零件變形或者是頂蓋定位銷(xiāo)孔變形，必須保證頂蓋落位準(zhǔn)確，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用滑移導(dǎo)軌的精確限位和吸盤(pán)導(dǎo)向桿的精確固定雙重定位方式，保證了頂蓋在前后輸送及上下升降過(guò)程中能夠精確定位。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到生產(chǎn)線的柔性與該機(jī)構(gòu)的推廣性，該機(jī)構(gòu)應(yīng)該滿足多種車(chē)型頂蓋的運(yùn)送，同時(shí)也可以應(yīng)用到其他工作區(qū)域，在此就對(duì)吸盤(pán)機(jī)構(gòu)做以下五點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)：

2.2.1 針對(duì)不同尺寸零件同一吊點(diǎn)問(wèn)題，使用外框結(jié)構(gòu)作為物料料架參考點(diǎn)/停止點(diǎn)，不同物料切換時(shí)，可實(shí)現(xiàn)不需手動(dòng)調(diào)節(jié)吊點(diǎn)，對(duì)不同車(chē)型的零件同時(shí)吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而配合主線完成柔性生產(chǎn)不同車(chē)型的需求。

2.2.2 使用吊裝框式結(jié)構(gòu)的鏈接件材料換成強(qiáng)度高、耐磨性好的鋁合鋼材料，從而使結(jié)構(gòu)輕巧，同時(shí)，鏈接方式也由開(kāi)始的焊接方式改為螺桿鏈接方式，這樣便于吊裝框式結(jié)構(gòu)安裝、調(diào)節(jié)以及更換零部件。

2.2.3 頂蓋的吸取采用6個(gè)可在Z向做升降的彈簧式套桿進(jìn)行定位，用以彌補(bǔ)不同車(chē)型在Z方向的差異，吸盤(pán)選擇獨(dú)立式吸盤(pán)，可避免某個(gè)吸盤(pán)吸失效，其他吸盤(pán)也能吸住零件，同時(shí)因?yàn)椴煌斏w，吸取面的弧面不一致，所以頂蓋吸盤(pán)在X/Y方向不能是固定不動(dòng)的，必須是可自動(dòng)活動(dòng)的，這樣才能更好地與不同頂蓋型面貼合，防止吸盤(pán)漏氣導(dǎo)致零件墜落，造成零件損壞及安全風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)吸盤(pán)上方都采用了一個(gè)萬(wàn)向機(jī)構(gòu)與吸盤(pán)連接。吸盤(pán)結(jié)構(gòu)實(shí)際圖如圖2所示：

2.2.4 考慮到頂蓋有天窗和非天窗之分，天窗框架會(huì)讓整個(gè)頂蓋的重心偏向天窗一側(cè)，因此吊取吸盤(pán)數(shù)量及吸取位置必須在設(shè)計(jì)上解決可能出現(xiàn)的吊取不平衡問(wèn)題，在設(shè)計(jì)上，吸盤(pán)采用三對(duì)（6個(gè)）雙列布置；針對(duì)分拼臺(tái)焊接后頂蓋總成，吊裝方式的吊裝框式結(jié)構(gòu)為：一對(duì)吸盤(pán)靠近天窗型頂蓋側(cè)，另外兩對(duì)遠(yuǎn)離天窗的非對(duì)稱(chēng)式布置。

2.2.5 在吊裝框式結(jié)構(gòu)上增加防落機(jī)構(gòu)，通過(guò)氣缸與轉(zhuǎn)軸連接，推動(dòng)防落裝置，當(dāng)吸盤(pán)失效時(shí)，防落機(jī)構(gòu)也能保護(hù)零件，使零件無(wú)法掉落。

2.3 輸送裝置運(yùn)作

該運(yùn)送裝置的正常工作循環(huán)可以分為以下四個(gè)動(dòng)作：

2.3.1 吸取頂蓋：人工通過(guò)控制氣動(dòng)葫蘆升、降開(kāi)關(guān)按鈕進(jìn)行分導(dǎo)氣源，使氣動(dòng)葫蘆內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)工作，氣動(dòng)葫蘆的鋼絲繩連接外框機(jī)構(gòu)，使外框機(jī)構(gòu)整體下降，使吸盤(pán)貼近頂蓋，然后吸盤(pán)接入高壓氣源，人工操作氣動(dòng)元件導(dǎo)氣開(kāi)關(guān)按鈕，控制主導(dǎo)氣主閥的氣源至氣動(dòng)元件真空發(fā)生器，連接吸盤(pán)，吸盤(pán)產(chǎn)生吸力，從而吸住頂蓋。然后控制外框機(jī)構(gòu)整體吸住頂蓋上升到指定高度，動(dòng)作結(jié)束，準(zhǔn)備下一個(gè)動(dòng)作。

2.3.2 運(yùn)送頂蓋：人工控制運(yùn)送裝置吸住頂蓋，按照指定的軌道（設(shè)計(jì)好的導(dǎo)軌），平穩(wěn)準(zhǔn)確地將頂蓋運(yùn)送到下一個(gè)工位，動(dòng)作結(jié)束，準(zhǔn)備下一個(gè)動(dòng)作。

2.3.3 釋放頂蓋：人工控制外框機(jī)構(gòu)整體吸住頂蓋下降，吸盤(pán)內(nèi)充入空氣，釋放吸力，從而使吸盤(pán)與頂蓋分離，然后外框機(jī)構(gòu)整體上升，動(dòng)作結(jié)束，準(zhǔn)備下一個(gè)動(dòng)作。

2.3.4 復(fù)位：人工控制運(yùn)送裝置，按照指定的軌道（設(shè)計(jì)好的導(dǎo)軌），平穩(wěn)準(zhǔn)確地回到原點(diǎn)，動(dòng)作結(jié)束，準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)難題

在設(shè)計(jì)該運(yùn)送機(jī)構(gòu)時(shí)，遇到以下四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

難題：

2.4.1 在吊裝框式結(jié)構(gòu)與外框結(jié)構(gòu)連接處，使用配套的兩根導(dǎo)向桿，通過(guò)夾板夾住導(dǎo)向桿撐套，加墊片控制X方向的相對(duì)穩(wěn)定，防止被吊取零件在XY方向隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，并保正導(dǎo)向桿在Z方向能夠正常移動(dòng)。

2.4.2 在外框結(jié)構(gòu)的底部增加滑輪機(jī)構(gòu)，滑輪與外框結(jié)構(gòu)連接處增加圓錐滾子軸承，使滑輪水平面360°可旋轉(zhuǎn)，并在拼臺(tái)地面增加軌道，實(shí)現(xiàn)外框結(jié)構(gòu)可在軌道上正確移動(dòng)，確保被吊裝零件在X方向正常移動(dòng)，Y方向的定位以鋪設(shè)導(dǎo)軌為參照物。

2.4.3 在吊裝框式結(jié)構(gòu)上增加防落機(jī)構(gòu)，通過(guò)氣缸與轉(zhuǎn)軸連接，推動(dòng)防落裝置，當(dāng)吸盤(pán)失效時(shí)，防落機(jī)構(gòu)也能保護(hù)零件無(wú)法掉落。

2.4.4 由于焊接拼臺(tái)線與機(jī)器人焊接線不在同一條直線上，因此運(yùn)送裝置在導(dǎo)軌上需要偏移一定角度，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角為135°，實(shí)現(xiàn)運(yùn)送裝置轉(zhuǎn)彎之后到達(dá)指定終點(diǎn)，頂蓋定位沒(méi)有偏差，自動(dòng)達(dá)到精準(zhǔn)效果。

3 實(shí)際生產(chǎn)效果

作為一條生產(chǎn)多種車(chē)型的柔性線，頂蓋分拼拼臺(tái)可實(shí)現(xiàn)兼容多種車(chē)型的切換，使得不同車(chē)型將使用同一吊運(yùn)設(shè)備，配合主線生產(chǎn)，可達(dá)到生產(chǎn)要求，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益（包括提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，節(jié)能降耗）如下：

操作步驟優(yōu)化獲得的節(jié)約值Vn為：

Vn=

假定：s=50600元，表示年人均工資；JPH=60元，表示車(chē)間的節(jié)拍；T=3600秒，表示一小時(shí)的時(shí)間；t=15秒，表示節(jié)約時(shí)間；F=3，表示班次，算得Vn=37590。

節(jié)約的報(bào)廢成本C1為：

C1=n1×m1×v

假定：n1=13，表示報(bào)廢部件的件數(shù)；m1=12，表示月的個(gè)數(shù)；v=180元，表示部件的商品價(jià)值；算得C1=30420。

節(jié)約的返修浪費(fèi)費(fèi)用C2為：

假定：t′=14小時(shí)，C2=t′×m2×P1×2表示返修耗時(shí)；m2=12，表示月的個(gè)數(shù)；P1=26.77元/小時(shí)，表示每小時(shí)所需返修花費(fèi)的資金；算得C2=8994。

減少吊具節(jié)約的成本C3為：

C3=St×Pn×P2

假定：St=2，表示工位數(shù)；n2=12，表示吊具個(gè)數(shù)；P2=20000元，表示吊具單價(jià)；算得C3=480000元。

則累計(jì)節(jié)約總額C=Vn+C1+C2+C3=55.7萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)，本文針對(duì)頂蓋運(yùn)送裝置的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種車(chē)身柔性線多種車(chē)型頂蓋運(yùn)送裝置，來(lái)解決人工操作所出現(xiàn)的問(wèn)題以及多種車(chē)型頂蓋運(yùn)送無(wú)需切換裝備的問(wèn)題，滿足了實(shí)際生產(chǎn)需求，并且提高了生產(chǎn)效率，給公司帶了巨大效益。本文按發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→查閱文獻(xiàn)→動(dòng)手操作→解決問(wèn)題→優(yōu)化設(shè)計(jì)的路線，實(shí)際問(wèn)題通過(guò)建立模型、受力分析、再計(jì)算、校核數(shù)據(jù)得以理論解決。

然而本文以及該研究還有許多不足之處，如有發(fā)現(xiàn)，還望指出。該研究還有待改進(jìn)，有些地方仍需加強(qiáng)完善：（1）軌道機(jī)構(gòu)的精確性還有待改進(jìn)?；喪褂脠A錐滾子軸承在軌道上運(yùn)動(dòng)存在晃動(dòng)，難以保證運(yùn)送機(jī)構(gòu)的精確性；（2）外框結(jié)構(gòu)、吊裝框式結(jié)構(gòu)、氣控升降裝置這三者之間的連接配合有待改進(jìn)；（3）新型多種車(chē)型頂蓋運(yùn)送裝置的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)今的頂蓋運(yùn)送裝置仍需一名員工操作，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，一種無(wú)人操作的車(chē)型頂蓋運(yùn)送裝置將會(huì)產(chǎn)生，來(lái)滿足多種車(chē)型頂蓋的運(yùn)送。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）