汽車門蓋柔性化滾邊島的規(guī)劃與應(yīng)用

楊朝隆 王剛 萬維

上汽大眾汽車有限公司 上海市 201805

1 引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，隨著科技革命和產(chǎn)業(yè)革命發(fā)展，德國提出了工業(yè)4.0，為應(yīng)對競爭，中國也提出了“中國制造2025”，其中五大工程之一的智能制造工程尤為重要，而智能制造離不開機(jī)器人的大量運(yùn)用。

汽車行業(yè)作為制造業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一，更是在智能制造方面走在各種行業(yè)前沿。對于汽車行業(yè)，工業(yè)機(jī)器人大量應(yīng)用于各種車間，完成焊接、搬運(yùn)、涂膠、噴漆、裝配等各種工藝。工業(yè)機(jī)器人最直接的目的是取代人力，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，更重要是使生產(chǎn)的產(chǎn)品更趨于標(biāo)準(zhǔn)化、合格化，因此，工業(yè)機(jī)器人大大推動了工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。

在汽車零部件生產(chǎn)過程中，機(jī)器人滾邊技術(shù)是一種汽車制造過程中特殊的板材連接工藝，通常用于門蓋（發(fā)動機(jī)蓋、后備箱蓋、前后車門）、側(cè)圍以及天窗車頂區(qū)域。相對于點(diǎn)焊工藝，滾邊工藝成形美觀、投入及維護(hù)成本低、作業(yè)占地面積?。ㄏ鄬τ谡圻吂に嚕?、包邊質(zhì)量穩(wěn)定，且容易實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

當(dāng)今汽車市場競爭激烈，各廠商都推出了多款車型來覆蓋不同級別細(xì)分市場，需要投資更多的生產(chǎn)線來滿足不同車型零件的生產(chǎn)，因此生產(chǎn)成本隨之提高。各大廠商都在研究措施用以降本，而生產(chǎn)線柔性化正是降本點(diǎn)之一，特別是自動工位的柔性化程度提升，例如柔性自動焊接島、柔性車身總拼區(qū)域等等。

關(guān)于柔性化滾邊島布局，已有文獻(xiàn)進(jìn)行相關(guān)探討，其應(yīng)用場景是量產(chǎn)車型車間等。本文基于已有文獻(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行了更深入的探討，基于滾邊柔性整合了其他工藝的柔性方案，研究了多種柔性化思路，探討了多種新型滾邊島柔性化布局方案，專門用于多類型、小批量的零件柔性生產(chǎn)。

2 汽車門蓋自動滾邊島主要構(gòu)成部分

根據(jù)上件方式的不同，可以有兩種模式：一是無專用上件臺，操作工直接上件至滾邊胎膜中，為開放式滾邊島，不安全；一種是有專門的上件臺和安全隔離，操作工上件至上件臺，然后機(jī)器人抓取零件至胎膜中完成滾邊，是為封閉式滾邊島，安全性高。本方案基于后一種模式。

封閉式滾邊島主要構(gòu)成包括五大系統(tǒng)：

機(jī)器人及其控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要是通過執(zhí)行程序來抓取零件、抓手、滾邊頭并控制其運(yùn)動軌跡，從而完成滾邊任務(wù)，整個(gè)滾邊過程一般分2~4次完成。對于機(jī)器人選用要求包括：線性重復(fù)精度＜0.2mm，機(jī)器人的負(fù)載在200kg左右，保證相關(guān)操作可達(dá)性。常見工業(yè)機(jī)器人如：KUKA VKR210-C2）。

滾邊胎膜系統(tǒng)，主要由下胎膜和上壓膜構(gòu)成。滾邊下胎膜一班采用鑄鋼GP3M進(jìn)行整體鑄造、數(shù)控加工而成，表面進(jìn)行激光硬化，硬度一般在50~54HRC，且其型面要求與零件外板表面相吻合，從而保證表面質(zhì)量及滾邊壓合質(zhì)量。滾邊上壓膜采用連貫式結(jié)構(gòu)，鑄鋼或者鑄鋁。上壓膜及下胎膜還兼具定位夾緊作用：以車門為例，下胎膜與外板優(yōu)先選用孔定位，其次采用型面定位，并布置一定數(shù)量的吸盤以使外板型面盡可能與下胎膜貼合；上胎膜與內(nèi)板之間采用孔定位，并在胎膜周圍布置一定數(shù)量的夾頭進(jìn)行夾緊。

滾輪系統(tǒng)。滾輪結(jié)構(gòu)看似簡單卻承載重要作用，它直接與門蓋零件接觸，因此對其表面質(zhì)量及硬度要求較高，通常設(shè)計(jì)為90。輪、45。輪、30。輪、成型輪、專用特殊輪，根據(jù)零件形狀不同，滾輪尺寸規(guī)格也不同。滾輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中也會增加彈性機(jī)構(gòu)，得到所需求的滾輪壓力。

傳感器及PLC控制系統(tǒng)。收集各種信號，用于控制機(jī)器人動作、胎膜上夾頭的夾緊動作等。

輔助系統(tǒng)，包括上下件臺（人工將零件置于上件臺，機(jī)器人將零件置于下件臺），抓手（用于機(jī)器人搬運(yùn)零件），自動島基礎(chǔ)建設(shè)部分，如圍欄（是自動島形成封閉區(qū)域）、安全掃描設(shè)備（保證操作工安全）等

軟件系統(tǒng)。采用Robcad、CATIA等軟件來建模，并進(jìn)行機(jī)器人軌跡規(guī)劃與運(yùn)動仿真，模擬自動島工作過程。

3 柔性化自動滾邊島平臺

基于上述滾邊島構(gòu)成分析，機(jī)器人及其控制系統(tǒng)、傳感器及PLC控制系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)中的基建部分在硬件上是通用的，這些部分組成基礎(chǔ)平臺；生產(chǎn)不同零件時(shí)，區(qū)別在于各自程序、滾邊胎膜系統(tǒng)、滾輪系統(tǒng)、上下件臺及抓手各不相同，可以將不同程序存儲在控制系統(tǒng)中，因此只要滾邊胎膜、滾輪、抓手及上下件臺做成可切換的即可實(shí)現(xiàn)基于前述基礎(chǔ)平臺的柔性化生產(chǎn)模式。

柔性切換方式的主要評價(jià)指標(biāo)是方便性、快速性、準(zhǔn)確性。為滿足這些要求，上下件臺、滾邊下胎膜通過基座（如圖）柔性的方式切換，滾邊頭、抓手、滾邊上胎膜通過換槍盤切換，對應(yīng)的切換機(jī)構(gòu)如下圖所示?；嵝郧袚Q為平面對接式，采用吊裝切換，方便快捷，精度在1mm左右；換槍盤屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可直接購買，滿足方便快速準(zhǔn)確的要求。

由于基座共用、吊裝切換，因此切換區(qū)域占地面積小，同時(shí)這種切換方式使得滾邊島共用資源比例大，減少投資因而成本低。零件切換時(shí)，這一整套相關(guān)的設(shè)備系統(tǒng)隨之切換。

關(guān)于柔性化，包括兩方面內(nèi)容，一方面是零件種類柔性，即一個(gè)滾邊島可以完成多種零件的滾邊；另一方面是工藝柔性，即一個(gè)滾邊島可以完成除滾邊之外的其他工藝，如點(diǎn)焊、TOX焊等，工藝柔性正是本文章的創(chuàng)新點(diǎn)和亮點(diǎn)所在。

本文基于機(jī)器人數(shù)量設(shè)計(jì)了幾種高柔性的滾邊島布局方案，通過工藝流程分析其節(jié)拍、場地、投資費(fèi)用，闡明幾種方案的優(yōu)勢劣勢，以備根據(jù)實(shí)際需求情況進(jìn)行選擇。

方案一：單機(jī)器人方案

所述方案中，操作工上件之后，由單臺機(jī)器人完成剩下所有相關(guān)工作，包括切換抓手抓取零件、切換上壓膜進(jìn)行壓邊、切換滾邊頭進(jìn)行滾邊、抓取零件進(jìn)行其它工藝（如焊接），然后由操作工取走零件，進(jìn)入下一個(gè)做件循環(huán)。

由于所有的工作均由一臺機(jī)器人完成，而且從人工上件至機(jī)器人完成工作再到人工下件，所有工作均串聯(lián)在一起，所以其節(jié)拍時(shí)間有所有的工位工作時(shí)間累加而來，因此節(jié)拍較低；但從布局結(jié)構(gòu)來看，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、占用場地?。s60 ），特別適合多品種、每品種又很小批量的零件的柔性化生產(chǎn)。

方案二：雙機(jī)器人方案A

相比方案一，方案二中增加一臺機(jī)器人專門用于滾邊，因?yàn)橄啾绕渌の还しN，滾邊耗時(shí)較長，增加一臺機(jī)器人進(jìn)行工時(shí)平衡，從而提高節(jié)拍。其整體工藝流程與方案一類似。

雖然增加一臺機(jī)器人，但是從人工上件至機(jī)器人完成工作再到人工下件，所有工作仍串聯(lián)在一起，因此節(jié)拍有所提高；相比方案一，其結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜、成本略高、占用場地略大一點(diǎn)（約72 ），適合多品種、每品種又很小批量的、滾邊工藝耗時(shí)長的零件柔性化生產(chǎn)。

方案三：雙機(jī)器人方案B

相比方案二，方案三進(jìn)行優(yōu)化：將上件工位與下件工位進(jìn)行獨(dú)立，從而使得所有串行工作變得獨(dú)立，其節(jié)拍工時(shí)不再累加而是由耗時(shí)最長的工位（即瓶頸工位）決定；同時(shí)調(diào)整兩臺機(jī)器人的分工，一臺機(jī)器人進(jìn)行上件和滾邊，另一臺機(jī)器人進(jìn)行滾邊、其他工藝和下件，從而使得工時(shí)更為平衡。

雖然只是將下件工位獨(dú)立出來，但是工作卻由串行變?yōu)楠?dú)立并行，因此節(jié)拍可以大大提高；相比方案二，其結(jié)構(gòu)類似、成本略高、占用場地稍增加（約86 ），適合多品種、每品種批量較大的、滾邊工藝耗時(shí)較長的零件柔性化生產(chǎn)。

方案四：三機(jī)器人方案

相比方案三，方案四進(jìn)行優(yōu)化：將機(jī)器人滾邊和其他工藝進(jìn)一步獨(dú)立，解決滾邊耗時(shí)長或其他工藝耗時(shí)長的問題，從而實(shí)現(xiàn)工時(shí)平衡，提高節(jié)拍。一臺機(jī)器人上件和滾邊，一臺機(jī)器人專門滾邊，一臺機(jī)器人專門進(jìn)行其他工藝。

相比方案三，其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、成本增加、占用場地增加明顯（約124 ），但是集成度增加，可以柔性更多其他工藝，適合多品種、每品種批量較大的、滾邊工藝耗時(shí)較長/具有其他工藝且耗時(shí)長的零件柔性化生產(chǎn)。

方案五：多機(jī)器人方案

此方案僅作探究，引導(dǎo)滾邊島規(guī)劃者進(jìn)一步拓寬思路。

此方案融合滾邊前的焊接或者其他工藝，優(yōu)化為兩臺機(jī)器人專門用于滾邊，使得工時(shí)更加平衡，節(jié)拍進(jìn)一步提高，柔性程度進(jìn)一步提高，相應(yīng)的占地面積/布局復(fù)雜度/投資成本都會增加。

表1

4 基于上述平臺的應(yīng)用實(shí)例

雙機(jī)器人方案B已應(yīng)用于某工廠車間，以此為例進(jìn)行節(jié)拍分析：假設(shè)有一臺機(jī)器人進(jìn)行滾邊需要2分鐘，滾邊完成之后需要焊接10個(gè)焊點(diǎn)，基于這些條件進(jìn)行工序排布，圖為上件及滾邊機(jī)器人R01工時(shí)分析圖，其工時(shí)t1=155s；圖為下件及滾邊機(jī)器人R02工時(shí)分析圖，其工時(shí)t2=180s；因此整個(gè)自動島工時(shí)為t=180s，假設(shè)設(shè)備開動率OEE為85%，則節(jié)拍JPH=3600/t*OEE=3600/180*0.85=17。

5 結(jié)論與推廣

本文探討了一種新型的汽車滾邊島柔性化方式，不僅滾邊工藝進(jìn)行了柔性，同時(shí)可以兼容焊接等其他的工藝，從而使不同工藝加工的零件柔性在同一個(gè)島進(jìn)行生產(chǎn)成為可能。另外，本文設(shè)計(jì)了幾種不同的滾邊島布局形式，從節(jié)拍、場地、投資成本等角度進(jìn)行分析，可以根據(jù)具體應(yīng)用實(shí)際進(jìn)行選擇。