激光切割島的應(yīng)用方案

徐蓓芬，石鵬程，徐佳麾

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激光切割島的應(yīng)用方案

徐蓓芬，石鵬程，徐佳麾

（上汽通用汽車有限公司，上海 201201）

為了降低設(shè)備成本，提高車間柔性，文章引入了一種車身車間內(nèi)的激光切割島替代沖壓五序的解決方案。同時深入研究了將來潛在需要復(fù)雜加工的單板零件種類，結(jié)合一定的數(shù)據(jù)分析，在該激光切割島內(nèi)預(yù)留一定的加工柔性，方案中使用機(jī)器人帶激光頭切割，不僅滿足了一般定位孔以及修邊的切割需求，并預(yù)留了特殊圖形切割的能力。此方案在新車型引入時的設(shè)備總投資小，改造難度低，對日后單板零件的車身廠內(nèi)加工提供了柔性方案，省去了沖壓車間的設(shè)備改造。

激光；切割島；柔性

前言

現(xiàn)代汽車外觀設(shè)計(jì)越來越多樣化，對單板零件的沖壓工藝要求也越來越復(fù)雜，當(dāng)引入的新零件所在的沖壓車間無鋼/鋁板五序能力，而對該零件的加工必須五序才能完成，這時為了不犧牲造型及零件設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，不得不在沖壓車間增加五序壓機(jī)，這將帶來一筆巨大的投資。

為了降低設(shè)備成本，提高車間柔性，本文引入了一種車身車間內(nèi)的激光切割島替代沖壓五序的解決方案。同時深入研究了將來潛在需要復(fù)雜加工的單板零件種類，結(jié)合一定的數(shù)據(jù)分析，在該激光切割島內(nèi)預(yù)留一定的加工柔性。方案中使用機(jī)器人帶激光頭切割，不僅滿足了一般定位孔以及修邊的切割需求，并預(yù)留了特殊圖形切割的能力。此方案在新車型引入時的設(shè)備總投資小，改造難度低，對日后單板零件的車身廠內(nèi)加工提供了柔性方案，省去了沖壓車間的設(shè)備改造。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 沖壓車間現(xiàn)狀

一般情況下，沖壓車間主要承擔(dān)著鋼/鋁外覆蓋件的沖壓生產(chǎn)的任務(wù)，其工藝主要分為分離工藝和成形工序兩大類。如果產(chǎn)品單板設(shè)計(jì)上要求較多較復(fù)雜的分離工序，主要為沖孔、修邊等，那么潛在的該單板件在所要求的產(chǎn)能下可能無法在沖壓四序完成，需要額外的五序來完成整個產(chǎn)品工藝。這樣無形間增加了沖壓的費(fèi)用投入與場地占用面積。我們常說的此類零件有四門兩蓋及翼子板等，那結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品的分析，其中沖壓工藝較為復(fù)雜的車身單板零件就是側(cè)圍外板、后蓋外板、后舉門內(nèi)外板、門內(nèi)外板、翼子板等。

1.2 協(xié)同加工分析

根據(jù)沖壓的現(xiàn)有能力以及潛在的加工需求，在車身車間設(shè)立一個具有切孔和修邊功能的柔性化切割島，配合沖壓的四序能力，可以大幅提高白車身單板零件加工的工藝能力。

一般地，車身車間對于沖孔、修邊的特殊工藝需求，會采用傳統(tǒng)的模具類設(shè)備，專機(jī)專用，這樣加工不同的零件特征就需要多套不同的模具組合，設(shè)備量較大且不能靈活改造運(yùn)用，后序引入新零件時設(shè)備及場地投入也巨大。本文引入的切割島使用機(jī)器人帶激光頭進(jìn)行切割，相比傳統(tǒng)的專用模具，不僅可滿足產(chǎn)品成型的合格率要求，而且其最大的優(yōu)勢在于靈活運(yùn)用的柔性，其預(yù)留了不同圖形加工的可能性，更能實(shí)現(xiàn)修邊、切邊等普通圓形沖頭不能完成的任務(wù)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 工位布局

基于上述現(xiàn)狀分析，對于單板零件上沖壓四序無法完成的情況，我們提出以下兩種車身協(xié)同加工的工藝方案：

2.1.1雙機(jī)器人帶激光頭切割島

假設(shè)我們將四個門蓋類零件（較小）以及兩個側(cè)圍零件（較大）的切割規(guī)劃在同一切割島內(nèi)，那么四個門蓋類零件布置在一個四面轉(zhuǎn)臺上，兩個側(cè)圍類零件布置在一個兩面轉(zhuǎn)臺上，整個島的平面尺寸可以布置在14*10米之內(nèi)，如圖1所示。其中，布置兩臺帶激光切割頭的機(jī)器人對稱地擺放在兩個帶工裝轉(zhuǎn)臺的之間，整個工位由以下必要的設(shè)備組成：1）機(jī)器人，2）四面轉(zhuǎn)臺，3）雙面轉(zhuǎn)臺，4）激光器，5）水冷機(jī)，6）冷干機(jī)，7）空壓機(jī)，8）集塵器，9）工控機(jī)，以及相對應(yīng)的控制柜等。

此布置方案的想法是可以滿足六個以上不同零件的加工，假設(shè)工人的上料時間是0.5分鐘，人工上料的同時機(jī)器人在另一個轉(zhuǎn)臺工作面進(jìn)行加工。理論上按照最大切割速度10米/分鐘，平均切割速度5米/分鐘的數(shù)據(jù)計(jì)算，在等效10個孔及2.5米總加工長度內(nèi)，一對轉(zhuǎn)臺工裝的最大產(chǎn)能為42.5JPH。如果單車需要加工兩個門蓋類零件和兩個側(cè)圍零件，則單車的最低工藝能力為20JPH。

所以此方案可以滿足多車型、高柔性、高節(jié)拍的車身車間廠內(nèi)加工需求。

圖1 雙機(jī)器人帶激光頭切割島

2.1.2單機(jī)器人帶激光頭切割島

考慮到廠內(nèi)空間、設(shè)備成本、加工對象及節(jié)拍需求等因素的綜合影響，上述雙機(jī)器人帶激光頭切割島的方案可以簡化為單種零件的小型切割島，即單機(jī)器人帶激光頭切割島。那么該切割島的最大能力即是將四個小型零件規(guī)劃在同一切割島內(nèi)，將兩個雙面轉(zhuǎn)臺布置在機(jī)器人的相鄰兩方向，分別為圖2中的工位一及工位二，每個轉(zhuǎn)臺可擺放兩個小型零件，整個島的平面尺寸可以縮減到10*9米之內(nèi)。此方案中，僅需要布置一臺機(jī)器人帶激光切割頭以及兩個帶工裝雙面轉(zhuǎn)臺，比上述雙機(jī)器人帶激光頭切割島節(jié)省了一臺機(jī)器人及激光頭，其他的必要設(shè)備和上述最優(yōu)方案相似。

此布置方案可以滿足四個以上門蓋類零件的加工，所以此方案可以滿足小型產(chǎn)品、擴(kuò)展要求低、節(jié)拍要求低的車身車間廠內(nèi)加工需求。同時此方案也具備將來擴(kuò)展至6種零件的可能，單費(fèi)用將高于雙機(jī)器人激光切割的方案。（詳細(xì)的信息將在2.3中闡述）

圖2 單機(jī)器人帶激光頭切割島

2.2 精度分析

整個激光切割島的總加工精度由機(jī)器人精度、切割頭設(shè)備精度、轉(zhuǎn)臺的精度、工裝的精度組成，現(xiàn)假設(shè)選用的各設(shè)備及精度如下：

假設(shè)選用高精度的機(jī)器人，那么在機(jī)器人最遠(yuǎn)運(yùn)動半徑之內(nèi)，機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.07mm；同樣，選擇較高精度的切割頭，切割頭本身的重復(fù)定位精度為±0.1mm。在工裝設(shè)計(jì)上，保證轉(zhuǎn)臺的重復(fù)定位精度為±0.06mm，保證定位工裝的重復(fù)定位精度為±0.1mm，所以整個機(jī)器人帶激光頭切割島的工藝能力，根據(jù)表1的各設(shè)備精度累計(jì)誤差粗略計(jì)算，切割島的總位置精度為：

表1 各設(shè)備精度(±/mm)

更優(yōu)化地，如果被切割的對象圖形集中在50*50mm的平面內(nèi)，則可以保證機(jī)器人在到達(dá)加工位置后停止，由帶有三維運(yùn)動功能的激光頭自行進(jìn)行運(yùn)動切割，那么在此平面內(nèi)的加工圖形的相對精度可以不考慮機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺、工裝的精度誤差，即在50*50mm平面內(nèi)的相對位置度為±0.1mm。

同樣地，考慮設(shè)備成本和實(shí)際需求，上述方案中的設(shè)備也可以相應(yīng)地選擇不同的型號，選擇更低精度的設(shè)備以降低成本。總精度則需根據(jù)低配的設(shè)備精度及功能重新計(jì)算。

2.3 成本分析

隨著汽車行業(yè)的競爭加劇，成本控制越來越受到各主機(jī)廠的重視。下面我們來對比下沖壓5序與單/雙機(jī)器人激光切割總費(fèi)用。

首先此案例如果使用傳統(tǒng)五序，以六種零件為例沖壓將增加設(shè)備投入近2600萬，主要包括種零件的模具及相關(guān)控制系統(tǒng)。接著使用雙機(jī)器人激光切割方案六種零件的總設(shè)備投入為855萬；最后簡化后的單機(jī)器人激光切割方案的設(shè)備總投入為997萬。相關(guān)對比信息如下圖3。

圖3 激光切割各階段價格對比

從表中我們不難發(fā)現(xiàn)，無論使用雙機(jī)器人方案還是單機(jī)器人方案，各階段的總費(fèi)用投入均比沖壓五序的投入費(fèi)用大大降低。而雙機(jī)器人的方案當(dāng)隨著第五種和第六種零件的引入開始逐步體現(xiàn)出其費(fèi)用優(yōu)勢，更適合目前多車型，高柔性，智能化制造的要求。

2.4 方案小結(jié)

根據(jù)以上分析對比，對于現(xiàn)代化車身車間，多車型、高柔性、高節(jié)拍更符合智能制造對車間的規(guī)劃與未來的預(yù)留方向的要求。因此車身車間設(shè)備的一次性投入會隨著后續(xù)車型的引入多樣化而更顯示其價值的方案將更被青睞。所以，本文優(yōu)選地推薦使用第一種方案，即雙機(jī)器人帶激光頭切割島的方案。與此同時，為滿足將來潛在零件設(shè)計(jì)的可制造性、易制造性，在設(shè)備精度選擇上，也推薦盡量選取高精度、高柔性的設(shè)備來保證定位孔的加工可行性。

3 總結(jié)與展望

隨著工業(yè)4.0的來臨，激光切割技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用將更為廣泛，勢必成為智能制造的基礎(chǔ)。

本文創(chuàng)新的介紹了一種用車身車間內(nèi)的激光切割島替代沖壓五序的解決方案，在獨(dú)立切割島內(nèi)使用激光切割，具備了對多種車身單板件切孔、切邊的能力。采用機(jī)器人帶切割頭，使該切割島具有柔性高，車型引入投資小，調(diào)試難度低等優(yōu)越性，不僅滿足了一般孔、邊的切割需求，并預(yù)留了特殊圖形切割的能力。

由沖壓五序沖孔切邊改為車身廠內(nèi)激光切割，可以降低沖壓模具費(fèi)用投入，并解決沖壓成型無法解決的問題。利用激光切割的柔性，在未來可以拓展出更多的應(yīng)用，比如，對總成零件的切割、鋼鋁共線切換切割、特定形狀特定位置的切割、刻線弱化等。相信在產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷多樣化的同時，白車身零件的制造能力也必然緊跟著時代的步伐。

[1] 郭建,蘭天亮,陳康.激光切割鈑金件時的工件變形分析方法[J].激光雜志,2011.01.

[2] 趙秀俠,趙明.淺談前期車身沖壓件質(zhì)量控制問題[J].模具制造, 2015（2）:11-14.

[3] 唐剛,于海波.淺析冷沖壓工藝與模具制造技術(shù)的發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015（10）:117-117.

Laser cutting cell application proposal

Xu Beifen, Shi Pengcheng, Xu Jiahui

( SAIC General Motors Co., Ltd., Shanghai 201201 )

In order to decrease the manufacturing cost and improve the body-shop flexibility, we introduce one cutting proposal in body-shop to replace the 5-step stamping. And we have deep study on the potential sheet metals which need complex stamping process. With enough data support, we reserve the cutting flexibility in the laser cutting cell. This cell includes robots attaching with laser cutting head, which can not only cut the normal hole and edge, but also have the ability of cutting complex shape. This proposal have less cost and less difficulty when new product is introduced. So it’s a flexible proposal for further use in body-shop and it will save much cost in stamping shop.

laser;cutting cell; flexibility

B

1671-7988(2018)20-215-03

U468.2

B

1671-7988(2018)20-215-03

U468.2

徐蓓芬，畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)車輛工程（整車）學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)擔(dān)任上汽通用汽車整車制造工程部工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.078