一種車身前艙焊裝雙滑臺設(shè)計與分析

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心 545007）

0 前言

汽車市場競爭無處不在，并逐年加劇。為了在市場博弈中獲得更大競爭優(yōu)勢，車企不斷加速推出更能符合消費(fèi)者需求的車型。車型的迅速換代，需要汽車焊裝裝備的快速同步更新，多車型柔性化焊裝生產(chǎn)線成為最適應(yīng)市場需求的焊接生產(chǎn)線發(fā)展趨勢。本文介紹一種車身前艙雙滑臺，協(xié)同機(jī)器人，實現(xiàn)汽車車身前艙分拼高柔性、高節(jié)拍焊裝。滿足車型更新?lián)Q代對于焊接生產(chǎn)線的研發(fā)周期需求，同時亦能達(dá)到較高基礎(chǔ)配套設(shè)備設(shè)施利用率，降低企業(yè)的設(shè)計、制造和導(dǎo)入成本。

1 設(shè)計需求

汽車車身前艙系統(tǒng)如圖1所示，主要由主大梁系統(tǒng)、前輪罩系統(tǒng)、水箱框架系統(tǒng)、前圍板總成和上安裝板（或前延伸板）總成等組成。前艙實現(xiàn)整車的布置功能和保障整車的性能要求，是車身結(jié)構(gòu)最重要的組成部分之一[1]。

車身前艙分拼焊裝采用人工上件、機(jī)器人焊接和機(jī)器人搬運(yùn)組合的形式，實現(xiàn)前艙分拼高節(jié)拍焊裝生產(chǎn)，同時還要能滿足不同車型柔性和新車型快速低成本的設(shè)計、制造導(dǎo)入。

圖1 前艙系統(tǒng)示意圖

柔性前艙分拼焊裝生產(chǎn)綱領(lǐng)如下。

（1）操作方式：人工裝件、機(jī)器人焊接、機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)。

（2）設(shè)備柔性方式：人工切換車型設(shè)備。

（3）生產(chǎn)節(jié)拍：設(shè)計節(jié)拍50JPH（節(jié)拍時間64.8 s）。

（4）設(shè)備故障停機(jī)率≤1.5%（每月）。

2 設(shè)計分析

2.1 安全分析

安全的機(jī)械設(shè)計才能保證機(jī)械生產(chǎn)正常運(yùn)行。在進(jìn)行分拼焊裝工裝設(shè)計時，考慮在不同運(yùn)行條件下可能會出現(xiàn)的問題，對其進(jìn)行安全風(fēng)險識別。前艙分拼焊裝要求人工裝件與機(jī)器人焊接、搬運(yùn)進(jìn)行空間上的隔離，設(shè)計之始就杜絕人機(jī)交互存在的安全隱患，從而在前艙分拼焊裝的高自動化、高節(jié)拍生產(chǎn)中實現(xiàn)人的安全保障。

2.2 柔性分析

汽車用戶需求快速變化，汽車產(chǎn)品技術(shù)生命周期變化，產(chǎn)品與時俱進(jìn)，產(chǎn)量隨汽車市場不斷波動，以及制造內(nèi)部的不穩(wěn)定性等，都將促使企業(yè)保持必要的制造柔性。柔性制造代表著制造業(yè)的發(fā)展方向，其特性決定了它在適應(yīng)環(huán)境不確定性、市場需求波動性有著天然優(yōu)勢。

前艙分拼總成不同平臺的車型在外觀上存在較大差異。前艙分拼的焊裝工裝直接共用會非常困難，且后續(xù)不具備工裝拓展能力。為滿足不同車型前艙焊裝設(shè)備柔性化需求，前艙分拼焊裝采用車型定位工裝整體切換方式，實現(xiàn)焊裝生產(chǎn)線多平臺車型柔性生產(chǎn)。

2.3 導(dǎo)入分析

前艙焊裝工裝，工藝布局設(shè)計形式多樣，工裝結(jié)構(gòu)重復(fù)類似。這對工裝設(shè)備的設(shè)計研發(fā)、加工制造是大量重復(fù)性工作，浪費(fèi)人力物力資源還延長了新車型項目導(dǎo)入周期。通過對以往項目分析，對焊裝工裝工藝布局形式、工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)提煉：為滿足新車型的快速低成本導(dǎo)入，需要將設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計，以新車型導(dǎo)入設(shè)計加工量最少為目標(biāo)。當(dāng)前艙產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，只需要針對性設(shè)計與前艙變化相關(guān)位置的定位夾緊工裝即可，最大限度地進(jìn)行工裝快速設(shè)計、制造導(dǎo)入。

圖2 雙滑臺工藝布局圖

3 工藝設(shè)計

3.1 工藝布局

通過對不同柔性焊裝方案的對比，結(jié)合前艙分拼焊裝需求，我們自主研制了一種車身前艙雙焊裝滑臺，雙滑臺的工藝布局如圖2所示。

前艙雙焊裝滑臺采用人工上件預(yù)裝，后通過滑臺工裝將零件定位夾緊后滑移到機(jī)器人焊接搬運(yùn)區(qū)。這能實現(xiàn)人工作業(yè)與機(jī)器作業(yè)空間上的隔離，消除人機(jī)交互潛在安全隱患。在人工上件區(qū)域，設(shè)置有安全光柵、雙手同步確認(rèn)按鈕，進(jìn)一步進(jìn)行員工安全風(fēng)險消除。

雙焊裝滑臺，滑臺A 與滑臺B 形式與內(nèi)容上是一樣的?；_的長度能保證現(xiàn)有及后續(xù)車型在定位工裝滑移后，能實現(xiàn)人工作業(yè)區(qū)域焊接區(qū)空間上的隔離。在滑臺A 與滑臺B 距離上的布局，搬運(yùn)機(jī)器人的抓取皆可達(dá)，又有空間布置零件工位器具和人工作業(yè)空間需求。

考慮焊點(diǎn)分布、滑臺結(jié)構(gòu)形式和生產(chǎn)節(jié)拍等前提下，滿足高節(jié)拍、布局緊湊和成本節(jié)約等生產(chǎn)需求。最終工藝布局采用4 臺焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，一臺搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)。

3.2 節(jié)拍分析

根據(jù)前艙雙滑臺焊裝設(shè)備布局及工位機(jī)器人的具體數(shù)量與分布，進(jìn)行初步的工位節(jié)拍分析。如圖3所示的雙滑臺焊裝時序圖，雙滑臺焊裝布局可滿足50JPH 的生產(chǎn)節(jié)拍輸出，此種形式的工藝布局可滿足柔性前艙分拼焊裝生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。

圖3 雙滑臺焊裝時序圖

滑臺焊裝工藝時序過程提如下。

（1）操作工人：取件、上件、回退、按雙手按鈕。零件上件多，需要按一定順序上件預(yù)裝，此工序用時29.0 s。

（2）滑臺工裝：夾具關(guān)夾、滑臺滑移到位，此道工序用時9.0 s。

（3）焊接機(jī)器人：離開HOME 點(diǎn)、焊接、回Home 點(diǎn)，零件搭接涉及定位焊點(diǎn)多，焊點(diǎn)分布不集中，此工序用時69.0 s。

（4）搬運(yùn)機(jī)器人：離開HOME 點(diǎn)、搬運(yùn)、回Home 點(diǎn)，此工序用時12.0 s。

（5）滑臺工裝：夾具開夾、滑出到位，此道工序用時9.0 s?；_夾具開夾在搬運(yùn)抓手搬運(yùn)抓取之前，時間累算在此工序。

以上是單滑臺的工藝過程，整個工藝過程合計128.0 s。雙滑臺時序是：B 臺在A 臺完成第64.0 s 時開始。A 臺與B 臺往復(fù)循環(huán)進(jìn)行。平均節(jié)拍為64.0 s，小于節(jié)拍要求時間64.8 s（50JPH）。

4 工裝設(shè)計

根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計分析和工藝布局，工裝設(shè)計分滑臺基礎(chǔ)部分和滑臺可切換部分。其中滑臺基礎(chǔ)部分起滑臺可切換部分的對中定位作用，不涉及車型，不切換?；_可切換部分為前艙分拼定位夾緊工裝，此部分涉及車型。不同車型柔性就是通過可切換部分的切換實現(xiàn)的。

4.1 滑臺基礎(chǔ)（圖4）

滑臺基礎(chǔ)采用長距離重載高速滑移機(jī)構(gòu)，選用伺服電機(jī)驅(qū)動、齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳動以及直線導(dǎo)軌滑移的結(jié)構(gòu)形式?；_的動力單元是滑臺的關(guān)鍵部件，合理的動力選型能夠提高滑臺工作效率，減少后期維護(hù)成本、降低設(shè)備運(yùn)行故障率。伺服電機(jī)具有調(diào)速比大、控制精度高、反應(yīng)速度快、調(diào)試簡單和可靠性高等特點(diǎn)。其在速度、位移和響應(yīng)時間等參數(shù)上可被準(zhǔn)確地控制,是常用的驅(qū)動裝置。

圖4 滑臺基礎(chǔ)

滑臺的動力傳動為：齒輪齒條可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，能將伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)為滑臺的直線往復(fù)運(yùn)動。齒輪齒條具備傳遞功率大、傳遞效率高、工作平穩(wěn)、可靠性高以及適用于重負(fù)載長距離傳動等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳動。

滑臺的滑移使用直線導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌用于支撐和引導(dǎo)滑臺在高負(fù)載情況下，實現(xiàn)滑臺高精度的直線往復(fù)運(yùn)動。直線導(dǎo)軌定位精度高、運(yùn)動速度高、驅(qū)動力矩低以及使用壽命長，被本設(shè)計采用，本設(shè)計為雙導(dǎo)軌多滑塊設(shè)計。

4.2 可切換滑臺（圖5）

前艙分拼定位工裝夾具，其結(jié)構(gòu)、功能直接影響前艙的焊裝質(zhì)量、生產(chǎn)效率。新車型導(dǎo)入設(shè)計加工量越少越好，可縮短車型導(dǎo)入項目周期，降低導(dǎo)入制造、加工和調(diào)試成本。這需要對可切換滑臺進(jìn)行模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

工裝夾具設(shè)計速度的快慢、質(zhì)量的好壞直接影響整個產(chǎn)品的交貨期和質(zhì)量。因此，基于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的工裝快速設(shè)計導(dǎo)入對提高工裝設(shè)計效率、設(shè)計質(zhì)量、降低成本是非常必要的[2]。對于前艙分拼來說，工裝夾具的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化是滿足成本控制和產(chǎn)品研制周期最優(yōu)的辦法?；_工裝夾具的模塊化應(yīng)具備功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)完整性，主要以已有的參數(shù)化模型的復(fù)用為主，部分關(guān)鍵部件采用專用化設(shè)計。

前艙焊裝夾具，通用標(biāo)準(zhǔn)化件有標(biāo)準(zhǔn)定位銷、標(biāo)準(zhǔn)限位塊、標(biāo)準(zhǔn)支基和標(biāo)準(zhǔn)墊片等。模塊化結(jié)構(gòu)單元包括與滑臺基礎(chǔ)對接的BASE 部分、夾具中使用的滑移單元和定位夾緊單元等。與滑臺基礎(chǔ)對接的BASE 部分，其作用是承載夾具支撐、定位和夾緊單元，不同車型滑臺BASE 都有相同的框架、導(dǎo)向和定位結(jié)構(gòu)，新車型的導(dǎo)入只需要根據(jù)工裝布置進(jìn)行相應(yīng)的BASE 安裝孔位設(shè)計即可。

滑移單元是針對前艙分拼相同位置系統(tǒng)使用的滑移機(jī)構(gòu)，其承載的載荷大致相同。因此可以針對不同滑移距離進(jìn)行模塊化，設(shè)計者直接根據(jù)需要進(jìn)行選用裝配設(shè)計即可。

圖5 可切換滑臺

定位夾緊單元采用參數(shù)化的模塊設(shè)計，針對不同長度壓臂，修改壓臂長度參數(shù)，即可實現(xiàn)夾緊單元的快速設(shè)計。模塊化的結(jié)構(gòu)都是經(jīng)過現(xiàn)場實踐檢驗認(rèn)可甚至改進(jìn)過的的形式，屬于成熟穩(wěn)定的工裝結(jié)構(gòu)。這在一定程度上避免了因設(shè)計者考慮不周，而引發(fā)的設(shè)計變更，及設(shè)備后期使用維護(hù)問題。變相縮短了新車型上市時間，節(jié)約了工裝變更成本。

工裝的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化不僅大幅度提高了設(shè)計效率，而且降低了工裝制造和管理成本。標(biāo)準(zhǔn)件的使用更是縮短了設(shè)備制造組裝周期，實現(xiàn)新車型工裝快速、低成本的設(shè)計制造導(dǎo)入。這對企業(yè)工裝設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化工作也起到助推作用，對其他工位的工裝設(shè)備形式、結(jié)構(gòu)方案提供了借鑒與參考。

5 結(jié)束語

在工裝設(shè)備柔性、高節(jié)拍生產(chǎn)的需求前提下，通過人工上件、機(jī)器人焊接、機(jī)器人搬運(yùn)進(jìn)行雙滑臺工藝布局，工裝模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，滿足前艙分拼焊裝生產(chǎn)綱。車身前艙雙滑臺的應(yīng)用，使不同車型前艙可柔性生產(chǎn)，新車型能快速導(dǎo)入，這是對基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的高效利用，是工裝設(shè)備資源的合理分配。

對柔性方式的探索、結(jié)構(gòu)模塊化的總結(jié)，都是車企智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)的必然過程，在制造數(shù)字化、智能化產(chǎn)業(yè)變革中，車企車身工裝設(shè)備需保持不斷創(chuàng)新，才能走出獨(dú)具特色的強(qiáng)大智造之路。