柔性化商用車換橇系統(tǒng)的設(shè)計與研究

熊磊，陳亮

（上海市機(jī)電設(shè)計研究院有限公司涂裝工程院，上海 200000）

引言

中國現(xiàn)已成為全球最大的商用車生產(chǎn)基地，商用車制造商為提高生產(chǎn)效率，對生產(chǎn)線的要求也隨之變得越來越高。如圖1所示，與乘用車大規(guī)模生產(chǎn)相比，商用車對跨平臺、多車型共線生產(chǎn)的柔性生產(chǎn)線技術(shù)要求更高。柔性生產(chǎn)線是針對大規(guī)模生產(chǎn)的弊端而提出的新型生產(chǎn)線模式，柔性化生產(chǎn)能夠根據(jù)客戶的需求在同一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)不同型號、不同配置的車型，而要實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，車身轉(zhuǎn)載技術(shù)與精定位是其中一項關(guān)鍵技術(shù)。

大多數(shù)乘用車制造商采用單一平臺化生產(chǎn)（即多種車型共用一種底板），或者最多 2～3個平臺且車型底板結(jié)構(gòu)差別很小，但商用車企業(yè)車型則往往差別很大。商用車企業(yè)為了適應(yīng)市場的需求，需要對產(chǎn)品不斷的迭代出新，這也對柔性化生產(chǎn)線換橇轉(zhuǎn)載系統(tǒng)設(shè)備的改造提出很大的挑戰(zhàn)。如果車型結(jié)構(gòu)改動較大，目前常用的換橇轉(zhuǎn)載系統(tǒng)很難適應(yīng)此挑戰(zhàn)?；诖颂魬?zhàn)，具有充分柔性化商用車換橇系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)就顯得尤為迫切。

圖1 乘用車與商用車生產(chǎn)線比較

1 換橇轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前常用的換橇轉(zhuǎn)載系統(tǒng)有以下幾種類型：

1.1 側(cè)頂機(jī)換橇

交接輸送系統(tǒng)可分為地面與地面之間輸送轉(zhuǎn)載和地面輸送與空中輸送轉(zhuǎn)載。地面輸送系統(tǒng)之間完成轉(zhuǎn)載操作的換橇系統(tǒng)只需要側(cè)頂機(jī)和滾床，而地面與空中輸送轉(zhuǎn)載的側(cè)頂機(jī)換橇系統(tǒng)主要由側(cè)頂機(jī)、滾床和空中吊具組成。側(cè)頂機(jī)換橇主要適用單一車型或者差別不大幾種車型情況。

1.2 叉式移載機(jī)換橇

叉式移載機(jī)換橇系統(tǒng)，如圖2所示，主要由叉式移載機(jī)、側(cè)頂機(jī)和滾床組成。主要用于大批量生產(chǎn)、車型較單一且節(jié)拍極高的乘用車生產(chǎn)線。

圖2 叉式移載機(jī)換橇

1.3 其它形式換橇

1）底座固定式轉(zhuǎn)載換橇

底座固定式轉(zhuǎn)載換橇，如圖3所示，包含底座、頂升框架、伸縮托臂、上下翻轉(zhuǎn)托臂，該設(shè)備占地大，結(jié)構(gòu)笨重，增加新平臺車型后續(xù)改造很難實現(xiàn)。

圖3 底座固定式多車型換橇

2）底座移動式轉(zhuǎn)載換橇

底座移動式轉(zhuǎn)載換橇包含軌道、移動底座、頂升框架，與底座固定式轉(zhuǎn)載換橇相比靈活性更高，對增加新平臺車型后續(xù)改造有一定適應(yīng)性，若車型左右托舉位置不對稱則無法適用且移動底座與滾床底腳干涉，移動距離受限。

2 柔性化商用車換橇系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用場景

此柔性化商用車換橇系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某商用車涂裝車間，滑橇輸送系統(tǒng)作為主要的地面輸送系統(tǒng)，在焊裝車間、涂裝車間和總裝車間都有使用?；磷鳛榈孛孳嚿磔斔偷妮d體并在各工藝之間作為車身轉(zhuǎn)接和車身存儲的主要輸送設(shè)備，并在各個車間內(nèi)部獨立循環(huán)使用。三大車間生產(chǎn)線機(jī)械化運(yùn)輸系統(tǒng)交接轉(zhuǎn)載流程：①通過 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)來進(jìn)行物料拉動白車身先貯存在WBS焊裝車間緩沖區(qū)中。WBS包含多個儲存線，分別貯存不同的車型。管理系統(tǒng)需要實時了解各種車型車身的位置和生產(chǎn)狀況，根據(jù)生產(chǎn)計劃自動安排生產(chǎn)。白車身從焊裝車間進(jìn)入涂裝車間之前，需要通過焊-涂連廊入口處換橇系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)載再進(jìn)入涂裝車間進(jìn)行下一步的涂裝工藝；②涂裝車間由于要防止密封膠、中涂和面漆等工序污染物通過橇體帶入前處理電泳槽體內(nèi)，污染槽液進(jìn)而影響車身電泳質(zhì)量，故在前處理電泳工序中采用專用電泳橇，在后道工序采用面漆橇。一般在電泳烘干后實施換橇，電泳橇攜電泳后車身與面漆空橇交接換橇再進(jìn)行后道工序。③油漆后車身從涂裝車間進(jìn)入總裝車間之前，在涂-總連廊入口處涂裝面漆橇攜油漆后車身與總裝橇交接換橇后，再進(jìn)入總裝車間貯存在PBS緩沖區(qū)中。

某商用車公司產(chǎn)品共分六大車型平臺，有360款變種車型，每個車型平臺擁有卡車駕駛室和 7～24座輕型客車，軸距從2.75～4.15m不等，最大車型7.5m，最小車型2.5m。每一個車型平臺都包含卡車駕駛室和輕型客車，而作為車身載具的滑橇必須滿足最大車型的長度，對于僅 2.5m的卡車駕駛室來說，放置在 7.9m的滑橇上顯然浪費了產(chǎn)能，于是采用駕駛室一橇雙掛形式。不同平臺的駕駛室可以自由組合，單排、雙排駕駛室也可前后混搭。在采用一橇雙掛駕駛室的情況下，換橇系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)焊裝、總裝一橇一掛的自動組掛和拆掛。如此的柔性化組掛方式極大地減少了因型號不同、平臺不同而無法組掛的情況，避免了不必要的產(chǎn)能和能耗的浪費。

由于產(chǎn)品平臺多、新老車型時代跨度大、變形車系列龐大，且在裝掛方式上除了傳統(tǒng)的一橇一車外，還涵蓋了駕駛室一橇雙掛等極其復(fù)雜的情況。行業(yè)中常規(guī)采用的側(cè)頂機(jī)和叉式移載機(jī)只可對應(yīng)極少數(shù)量的車型，柔性化不足，無法勝任此種情況?；诖艘?，設(shè)計開發(fā)出具有充分柔性化商用車換橇系統(tǒng)就具有重要意義。現(xiàn)選取焊裝車間與涂裝車間車身交接處進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

1）焊裝橇攜白車身占位滾床01，RFID讀寫頭讀取橇體載碼體TAG車型信息：①顏色（涂裝需求）②SN號（總裝需求）③總成號（ASS）。

2）中控室上位機(jī) AVI系統(tǒng)（車體自動識別系統(tǒng)）解析總成號（ASS），解析出涂裝車間需求的數(shù)據(jù)格式，包含平臺、車型和配置等數(shù)據(jù)信息。

3）①根據(jù)解析后的平臺、車型和配置等數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)自動歸納成程序預(yù)設(shè)對應(yīng)車型，歸納后的車型數(shù)據(jù)傳遞到換橇系統(tǒng)PLC為后續(xù)進(jìn)行對應(yīng)的換橇操作做準(zhǔn)備；②將解析后的平臺、車型、配置、顏色和SN號通過RFID讀寫頭寫入滾床02空電泳橇載碼體TAG。

4）帶白車身焊裝橇通過移行機(jī)進(jìn)入滾床 03，當(dāng)橇體到位，精定位裝置夾緊定位梁。

5）換橇系統(tǒng)根據(jù)接收到的車型數(shù)據(jù)信息，頂升裝置水平移動到各個預(yù)設(shè)位置，到位后頂升托架上升，待同步檢測完成后，托舉起車身脫離焊裝橇體到達(dá)預(yù)定高度。

6）夾緊裝置松開，焊裝空橇通過移行機(jī)02回流至焊裝空撬返回線。

7）電泳空橇通過移行機(jī)01進(jìn)入滾床03，當(dāng)橇體到位后，精定位裝置夾緊定位梁。

8）頂升托架下降，托舉起的車身落入電泳橇銷軸支撐。

9）夾緊裝置松開，電泳橇攜白車身通過移行機(jī)02進(jìn)入涂裝車間，車身完成換橇操作。

圖4 轉(zhuǎn)載換橇系統(tǒng)設(shè)備布局圖

2.3 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

柔性化商用車換橇系統(tǒng)機(jī)械裝置，如圖5～6所示，主要包含8臺頂升移行機(jī)構(gòu)、2組水平移動軸底座、夾緊定位機(jī)構(gòu)、滾床和8套拖鏈組件等。正常一橇單掛形式換橇只需要4臺頂升移行機(jī)構(gòu)就能實現(xiàn)全系列柔性車身換橇，但因駕駛室要實現(xiàn)一橇雙掛換橇故采用前后各一組4臺共8臺頂升移行機(jī)構(gòu)。

圖5 側(cè)頂移行機(jī)正視圖

圖6 側(cè)頂移行機(jī)俯視圖

圖7 夾緊定位機(jī)構(gòu)

夾緊定位機(jī)構(gòu)，如圖8所示，主要由底板、搖臂框架、主搖臂組件、從動搖臂組件、減速機(jī)等組成。夾緊橇體定位橫梁，實現(xiàn)車身的前后精定位。左右方向主要依靠滾床側(cè)面導(dǎo)輪精定位，因此能實現(xiàn)車身的完全精定位，為后續(xù)轉(zhuǎn)載的順利進(jìn)行提供了有力保障。

頂升移行機(jī)構(gòu)，如圖8所示，主要包含上部輪組、主框架、安裝板、扭力臂組件、水平移動電機(jī)減速機(jī)、頂升電機(jī)減速機(jī)、側(cè)滑塊和下部鏈輪等。

圖8 側(cè)頂移行機(jī)構(gòu)和水平軸底座

2.4 電氣系統(tǒng)框架

圖9 電氣系統(tǒng)架構(gòu)圖[1]

圖10 柔性化商用車換橇系統(tǒng)的設(shè)計流程[2～3]

電氣控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)管，分散控制”形式，整個電控系統(tǒng)分三層控制：監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層。柔性化換橇轉(zhuǎn)載系統(tǒng)電氣系統(tǒng)構(gòu)成，如下圖 9所示，主要包括上位機(jī)AVI系統(tǒng)、S7-300PLC、SCALANCE工業(yè)以太網(wǎng)交換器、ET200S-PROFINETIO設(shè)備接口模塊、ET200eco-PN現(xiàn)場 IO模塊、PN/PN-Coupler耦合器、CU250S-2PN變頻器控制單元及TP1200HMI等組成。

安全閉環(huán)控制系統(tǒng)采用編碼器和著陸檢測實現(xiàn)雙重實時同步檢測，從而確保頂升裝置同步接觸車身，避免集中受力，以及頂升的同步性；在任意位置出現(xiàn)信號丟失或編碼器數(shù)值異常，可自動進(jìn)行數(shù)據(jù)對比實現(xiàn)自動修正，提高運(yùn)行效率。

3 結(jié)論

柔性化商用車換橇系統(tǒng)的設(shè)計，以充分的柔性化、自動化，提高換橇效率，降低因增加后續(xù)新車型的設(shè)備改動為主要設(shè)計方向。根據(jù)柔性化商用車換橇系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用全過程，總結(jié)出換橇系統(tǒng)的一般開發(fā)流程，如圖10所示，該流程將縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間并減少開發(fā)成本，對其它同類型換橇系統(tǒng)的研制與開發(fā)有較強(qiáng)的借鑒意義。