柔性焊接生產(chǎn)線夾具切換技術(shù)探析

劉坤

【摘 要】夾具自動(dòng)切換、夾具的切換方式及切換時(shí)間是汽車白車身焊接生產(chǎn)線柔性化的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章結(jié)合具體實(shí)踐，闡述、分析汽車焊接生產(chǎn)線常見(jiàn)夾具切換形式、切換原理、夾具庫(kù)的布局，以及其優(yōu)缺點(diǎn)，可為讀者提供一些焊接生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)及改造的借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】焊接生產(chǎn)線；夾具切換；夾具庫(kù)；多車型

【中圖分類號(hào)】U468.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）05-0129-04

0 引言

隨著消費(fèi)市場(chǎng)需求的提高，汽車的改款變型速度日益加快，汽車生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，汽車白車身焊裝生產(chǎn)線需要適用不同車型的生產(chǎn)要求以降低車身開(kāi)發(fā)成本。目前，在汽車車身焊裝技術(shù)上，普遍采用的是柔性化焊裝生產(chǎn)線。柔性化焊裝線是指在相同的地方同一條生產(chǎn)線上可以同時(shí)滿足多個(gè)車型的生產(chǎn)，其通用設(shè)備和公用動(dòng)力設(shè)施一次性投入永久性使用，每次開(kāi)發(fā)新車型時(shí)，只需增加部分專用設(shè)備，改造事先預(yù)置的通用設(shè)備和調(diào)試各種共用化程序，因此避免了重復(fù)投資造成的浪費(fèi)，而且縮短了技改時(shí)間。然而，專用設(shè)備通常為各車型的夾具及抓手，如何快速有效地完成夾具切換，成為柔性生產(chǎn)線考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

1 夾具切換系統(tǒng)的原理

1.1 并排式夾具庫(kù)系統(tǒng)

并排式夾具庫(kù)系統(tǒng)主要由夾具庫(kù)、夾具輸入輸出通道、搬送小車、夾具上件滑臺(tái)構(gòu)成。并排式夾具庫(kù)系統(tǒng)如圖1所示。

夾具切換流程以目前生產(chǎn)C車型要切換生產(chǎn)B車型為例進(jìn)行說(shuō)明（如圖2所示）。

這種夾具庫(kù)布局方式適合批量切換生產(chǎn)模式，切換時(shí)間少于60 s，多用于各分總成（如機(jī)艙、前地板、后地板、側(cè)圍等）的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線。該系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)方式不同可設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)，熟悉其原理為我們規(guī)劃生產(chǎn)線提供依據(jù)。下面介紹2種不同的結(jié)構(gòu)。

夾具庫(kù)結(jié)構(gòu)一原理（如圖3所示）：小車（滑臺(tái)）行走到對(duì)應(yīng)庫(kù)位，其兩側(cè)的導(dǎo)輪（導(dǎo)輪上存放著夾具）由4個(gè)汽缸頂起，然后小車上的入庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和庫(kù)位里的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，通過(guò)鏈條、齒輪帶動(dòng)兩側(cè)的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到夾具出入庫(kù)的目的。

該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是庫(kù)位可以做得比較小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，造價(jià)低，適用于受場(chǎng)地約束比較大的線體，缺點(diǎn)是入庫(kù)傳動(dòng)效率相對(duì)比較慢。

夾具庫(kù)結(jié)構(gòu)二原理（如圖4所示）：小車（滑臺(tái)）行走到對(duì)應(yīng)庫(kù)位，其兩側(cè)的導(dǎo)輪（導(dǎo)輪上存放著夾具）由4個(gè)汽缸頂起。此時(shí)，庫(kù)位里的驅(qū)動(dòng)裝置行走到庫(kù)位的前端，伸縮掛銷伸出來(lái)將夾具掛住，然后驅(qū)動(dòng)裝置將夾具拖入庫(kù)內(nèi)完成夾具入庫(kù)。出庫(kù)同樣是由驅(qū)動(dòng)裝置掛著夾具將其推入滑臺(tái)。

該結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)一相比，滑臺(tái)上的滾輪是無(wú)動(dòng)力的，夾具出入庫(kù)位是由庫(kù)位里的驅(qū)動(dòng)裝置拖拉完成。該系統(tǒng)傳動(dòng)高效可靠，但庫(kù)位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，后端留出了驅(qū)動(dòng)裝置的位置，占地面積較結(jié)構(gòu)一要大些。

以上2種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是比較成熟的，工作輸送速度可達(dá)（伺服電機(jī)牽引）1.5 m/s，臺(tái)車負(fù)載可達(dá)4 t，焊接區(qū)伺服牽引小車重復(fù)定位精度可達(dá)±0.2 mm，車型切換牽引小車重復(fù)定位精度可達(dá)±0.3 mm，臺(tái)車夾具重復(fù)定位精度可達(dá)±0.5 mm，最長(zhǎng)車型切換時(shí)間<60 s。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們還可以根據(jù)其原理自由組合。比如，小車可以不背著夾具走，可以設(shè)計(jì)伸縮銷掛著夾具推或拉著夾具走。直角切換可以采用萬(wàn)向球替代滾輪。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式還可以用無(wú)桿氣缸；根據(jù)傳動(dòng)方式可以用蝸桿；根據(jù)導(dǎo)向方式可以采用方形條狀的磨材加3個(gè)方向的滾輪等。組合的方式和結(jié)構(gòu)非常多，這就需要我們根據(jù)客戶的預(yù)算、節(jié)拍要求、自動(dòng)化程度、場(chǎng)地大小等因素綜合考慮給出最優(yōu)方案。

1.2 夾具旋轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)轂運(yùn)行系統(tǒng)

通過(guò)將不同車型的專用夾具設(shè)置于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)或轉(zhuǎn)轂上，我們稱之為旋轉(zhuǎn)臺(tái)或轉(zhuǎn)轂運(yùn)行系統(tǒng)。一般用伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)機(jī)器人七軸或線體PLC系統(tǒng)控制存儲(chǔ)或使用。每個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)或轉(zhuǎn)轂通常可以布置2～3個(gè)或按“十”字形排布4個(gè)夾具固定座。這種方式被廣泛應(yīng)用于焊裝車間柔性生產(chǎn)線，其優(yōu)點(diǎn)在于切換時(shí)間快，通常旋轉(zhuǎn)180°只需要5～7 s。滿足了汽車生產(chǎn)廠家對(duì)隨機(jī)切換生產(chǎn)能力的要求。

2 夾具切換系統(tǒng)的布局規(guī)劃

節(jié)拍是夾具切換系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要因素，現(xiàn)階段在汽車市場(chǎng)非常火爆，汽車生產(chǎn)廠家對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍要求比較高。在車型切換時(shí)一般要求批量生產(chǎn)模式的切換時(shí)間少于60 s，隨機(jī)生產(chǎn)模式的切換時(shí)間少于18 s。這就要求我們?cè)谧錾a(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)要考慮選用什么方式和結(jié)構(gòu)的夾具庫(kù)切換系統(tǒng)，還要考慮怎么合理地利用車間的場(chǎng)地，并使得切換軌道布置最短等。在要求隨機(jī)切換的生產(chǎn)模式中，我們通常會(huì)考慮轉(zhuǎn)臺(tái)的方式，但轉(zhuǎn)臺(tái)也有其局限性，比如車型數(shù)量受限、體積不能做得太大等。隨機(jī)切換的生產(chǎn)模式如何在十幾秒的時(shí)間內(nèi)完成切換，其實(shí)行業(yè)內(nèi)還有一種做法就是提前準(zhǔn)備好下一款要生產(chǎn)車型的夾具，讓切換距離縮至最短。下面以3種比較典型的提前將要生產(chǎn)的下一款車型的夾具移到準(zhǔn)備位置待命的布置方式來(lái)說(shuō)明，我們可以將這種思路進(jìn)行拓展，延伸應(yīng)用到其他結(jié)構(gòu)方式中。

2.1 對(duì)稱布置矩陣式夾具庫(kù)

矩陣式夾具庫(kù)對(duì)稱布置于工作工位的兩側(cè)，這種方式常見(jiàn)于白車身主線的總拼工位。如圖5中“柯馬”O(jiān)PENGATE的總拼形式，下一款要生產(chǎn)的車型的夾具提前移動(dòng)到1或3的準(zhǔn)備位置待命，以便快速地切換。切換流程以在產(chǎn)車型為E要切換生產(chǎn)D車型予以說(shuō)明：D車型夾具通過(guò)搬送移栽機(jī)移送到準(zhǔn)備位置1待命，接到系統(tǒng)的生產(chǎn)指令后，E車型的夾具從工作位移出到準(zhǔn)備位置3，同時(shí)D車型從準(zhǔn)備位置1移入工作位置2，實(shí)現(xiàn)了夾具的快速切換。這種方式通?？梢宰龅?8 s甚至15 s之內(nèi)。如果是同側(cè)夾具庫(kù)之間的夾具切換，換下來(lái)的夾具可以通過(guò)后面的返回軌道倒回其對(duì)應(yīng)的夾具庫(kù)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，缺點(diǎn)是占地面積大和對(duì)工廠場(chǎng)地的要求高。

2.2 對(duì)稱布置轉(zhuǎn)臺(tái)式夾具庫(kù)

對(duì)稱轉(zhuǎn)臺(tái)式夾具庫(kù)布置如圖6所示，該機(jī)構(gòu)布局的思路跟對(duì)稱矩陣式的思路是一樣的。如目前生產(chǎn)的是D車型，下一個(gè)要生產(chǎn)的A車型，根據(jù)系統(tǒng)指令可以將要生產(chǎn)的下一款車型的夾具提前旋轉(zhuǎn)到準(zhǔn)備位置待命，這樣可以實(shí)現(xiàn)快速切換。但與對(duì)稱矩陣式比較，它又有其局限性，比如目前在產(chǎn)的是D車型，要切換同一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)上的E車型，就不能提前將E車型旋轉(zhuǎn)到準(zhǔn)備導(dǎo)入口，因?yàn)楸仨毾葘⒃诠ぷ魑恢蒙系腄車型導(dǎo)入庫(kù)內(nèi)，才能將E車型導(dǎo)入。在節(jié)拍上多出了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的時(shí)間。但是，旋轉(zhuǎn)臺(tái)式夾具庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)就是速度快，我們?cè)诮o長(zhǎng)沙某主機(jī)廠做的一個(gè)側(cè)圍上件旋轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑為5 400 mm，旋轉(zhuǎn)180°僅需7 s。該方式速度快且技術(shù)相對(duì)成熟。

2.3 中轉(zhuǎn)式夾具切換系統(tǒng)

中轉(zhuǎn)式夾具切換系統(tǒng)是一種夾具庫(kù)不在線體內(nèi)，需通過(guò)AGV小車或人力從車間某處夾具存放地點(diǎn)將夾具拉過(guò)來(lái)，提前導(dǎo)入線體的準(zhǔn)備導(dǎo)入口的方式，其動(dòng)作流程如下。

當(dāng)生產(chǎn)線在正常生產(chǎn)時(shí)，圖7中的B、C、D位置為空，下一批次的夾具通過(guò)AGV小車自動(dòng)傳送至位置A處存儲(chǔ)，線上夾具在焊接位置和位置E處往復(fù)移動(dòng)。當(dāng)需要切換夾具時(shí)，位置E處的夾具移動(dòng)至位置B，然后位置A和B整體移動(dòng)，把位置B需切換出去的夾具移動(dòng)至位置C，而需切換來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的夾具從位置A移動(dòng)到位置B，再經(jīng)過(guò)位置C自動(dòng)移動(dòng)至位置E處，完成整個(gè)切換過(guò)程。切換時(shí)間視通道長(zhǎng)度不同而不一樣，實(shí)際應(yīng)用案例中不超過(guò)25 s。

A處為夾具導(dǎo)入位置：背負(fù)式AGV小車把需導(dǎo)入的夾具從AGV小車上導(dǎo)入。

B處為夾具切換位置：夾具此工位進(jìn)行切換，把生產(chǎn)完畢的夾具切換至位置D，把將要生產(chǎn)的車型夾具切換至位置E。

C處為夾具導(dǎo)出位置：把生產(chǎn)完畢的夾具從位置C自動(dòng)倒導(dǎo)出至AGV小車上。

線體外的夾具庫(kù)在每個(gè)夾具庫(kù)位上配置多個(gè)接近開(kāi)關(guān)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)的組合來(lái)確定車型夾具信息，通過(guò)PLC系統(tǒng)發(fā)出不同的信號(hào)給AGV系統(tǒng)，使AGV小車能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存取夾具。該切換方式優(yōu)點(diǎn)是夾具庫(kù)建在線體外，不受線體場(chǎng)地要求而限制夾具庫(kù)的數(shù)量，線體可以切換專用夾具，適應(yīng)很多車型的生產(chǎn)。缺點(diǎn)是只能用于批量生產(chǎn)模式，達(dá)不到隨機(jī)生產(chǎn)模式要求的切換節(jié)拍。

3 結(jié)語(yǔ)

各類夾具庫(kù)的切換系統(tǒng)各有利弊，適應(yīng)車型品種越多，柔性越好。然而，我們不能盲目地追高柔性、高節(jié)拍。作為一個(gè)好的焊裝工藝規(guī)劃者應(yīng)充分理解各種夾具庫(kù)切換原理和方式，融會(huì)貫通，結(jié)合項(xiàng)目的戰(zhàn)略、生產(chǎn)綱領(lǐng)、產(chǎn)品特性、廠房限制、質(zhì)量目標(biāo)、物流方向及安全等因素，避免成本和技術(shù)的浪費(fèi)，選擇一個(gè)最合適、性價(jià)比最高的柔性焊裝線規(guī)劃方案，或提出一種富有創(chuàng)新的切換邏輯思路。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊緒樂(lè)，催占生.專有化與柔性化焊裝生產(chǎn)線輸送方式的比較[J].汽車與配件，2014（10）：67-69.

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[3]張敏，魏偉.淺談汽車生產(chǎn)中的柔性制造[J].汽車工藝與材料，2005（6）：1-2.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]