汽車多車型高效隨機切換的柔性總拼系統(tǒng)設(shè)計*

黃 海，王 磊，惠智剛，李志強，石海波

（廣州德恒汽車裝備科技有限公司，廣州 510800）

0 引言

當前，隨著汽車市場的個性化需求的提高，車型更新?lián)Q代越來越快，以往大批量、單一化的生產(chǎn)模式造成大量工藝裝備投資，使制造成本增加和產(chǎn)能浪費，而基于小批量、多品種生產(chǎn)模式的柔性化制造技術(shù)可以最大程度降低工藝裝備投資成本和利用產(chǎn)能，同時也能最大程度縮短開發(fā)時間，實現(xiàn)新車型迅速投產(chǎn)[1]。新舊車型更新?lián)Q代對于焊接生產(chǎn)線設(shè)計使用周期提出更高要求，因此多車型柔性混線焊裝生產(chǎn)模式成為適應(yīng)市場需求的焊接生產(chǎn)線發(fā)展趨勢，白車身柔性總拼焊接系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)多種不同白車身產(chǎn)品的地板總成、左右側(cè)圍總成及頂蓋總成等主要車身總成零部件的組合焊接，是實現(xiàn)白車身柔性生產(chǎn)的核心裝備[2-3]。柔性總拼（車身總成夾具）是作為車身柔性制造柔性混線生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，也是最容易成為生產(chǎn)瓶頸的工位[4-5]。

目前現(xiàn)有柔性總拼系統(tǒng)形式包括Open-Gate總拼形式、機器人抓手Frame形式、四面體總拼形式、車身內(nèi)部定位夾具形式。其中Open-Gate總拼形式是應(yīng)用最廣泛的主拼形式，按照其庫位存儲及切換形式可分為滑移夾具庫型、轉(zhuǎn)臺切換型、和輪轂切換型3種形式[6]。各個總拼系統(tǒng)及其形式在原理和切換形式有很大相似之處和各自的優(yōu)缺點，生產(chǎn)廠商可根據(jù)工廠條件和產(chǎn)品特點選用可靠、經(jīng)濟的總拼形式的。其中滑移夾具庫形式中的地面滑移式總拼系統(tǒng)因其設(shè)備制造工藝簡單，夾具維護性好、投資低等特點在當前國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[7-8]。但目前的地面滑移式總拼系統(tǒng)存在占地面積大、切換時間長、隨機性差等缺點，不能滿足汽車制造多車型高效隨機切換生產(chǎn)要求。

綜合當前各主流柔性總拼焊接系統(tǒng)的綜合因素及汽車白車身柔性制造的需要，通過對現(xiàn)有柔性總拼系統(tǒng)的研究和總結(jié)，最終研制出基于地面滑移形式的多車型柔性高效快速切換總拼系統(tǒng)，本文分別對該柔性總拼系統(tǒng)的總體方案、技術(shù)參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、節(jié)拍能力、工藝布局、車型切換、車型擴展等方面進行闡述，該柔性總拼系統(tǒng)占地面積小、車型切換時間短，具備隨機切換功能，滿足柔性總拼多車型高效隨機切換要求，為多車型柔性總拼的多元化解決方案提供借鑒。

1 柔性總拼系統(tǒng)

1.1 總體方案

柔性總拼系統(tǒng)包括下層設(shè)備和上層設(shè)備，如圖1 所示，下層設(shè)備主要包括車型切換系統(tǒng)和高速輸送系統(tǒng)。焊裝生產(chǎn)線自右向左輸送工位分為4個，第二工位為總拼工位，第四工位為補焊工位，第一和第三工位為中轉(zhuǎn)工位。車型切換系統(tǒng)布置在生產(chǎn)線兩側(cè)，兩側(cè)各有5臺前掛牽引車、1臺側(cè)掛牽引車、6 臺夾具轉(zhuǎn)移車、5 個停車軌（存儲位）、2 臺橫移車、1個合拼滑臺、2組地軌，每臺夾具轉(zhuǎn)移車上都裝載一套車型夾具，工裝存儲采用平面陣列式布置存儲方式，模塊化設(shè)計。

圖1 柔性總拼系統(tǒng)下層設(shè)備示意圖

柔性總拼系統(tǒng)車型切換原理是依靠車型夾具的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)不同車型的柔性生產(chǎn)，車型夾具的轉(zhuǎn)換通過多個轉(zhuǎn)運機構(gòu)實現(xiàn)。具體而言，夾具轉(zhuǎn)移車通過橫移車在地軌上移動，橫移車與停車軌對接，夾具轉(zhuǎn)移車通過牽引車驅(qū)動從停車軌進入橫移車，同樣在對接裝置和牽引車驅(qū)動下，橫移車可與合拼滑臺上的軌道對接，夾具轉(zhuǎn)移車進入合拼滑臺，置于夾具轉(zhuǎn)移車上的車型夾具在合拼滑臺的作用下向車身滑移，并對車身各總成件定位夾緊，多臺焊接機器人對車身進行焊接，焊接完成后總拼夾具打開并經(jīng)合拼滑臺退回等待位并進行總拼夾具的切換，焊接好的白車身由臺車滾床輸送到下一工位，下一車型的白車身輸送至本工位。

柔性總拼系統(tǒng)上層設(shè)備如圖2 所示，上層設(shè)備位于總拼焊接工位上層，4臺機器人置于二層平臺上，用于車身頂部焊接，平臺外沿分別布置爬梯和圍欄，便于機器人及相關(guān)附屬設(shè)備的檢查維護。

圖2 柔性總拼系統(tǒng)上層設(shè)備示意圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

表1 所示為該柔性總拼系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，占地面積小，約300 m2（20 m×15 m），效率高，生產(chǎn)節(jié)拍滿足60件/h，可布置12臺焊接機器人，柔性化程度高，地面滑移，智能切換，滿足6款車型白車身柔性共線切換生產(chǎn)。

表1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 前掛牽引車

前掛牽引車用于夾具轉(zhuǎn)移車轉(zhuǎn)運，前掛牽引車驅(qū)動夾具轉(zhuǎn)移車可進入或駛出停車軌，或進入和駛出合拼滑臺。如圖3所示，前掛牽引車主要包括行走滾輪、導向滾輪、滑動掛接機構(gòu)、減速電機、驅(qū)動擺臂機構(gòu)、對位塊、剎車擺臂機構(gòu)等。行走滾輪和導向滾輪，用于牽引車的承載和導向?；瑒訏旖訖C構(gòu)包括掛鉤和氣動裝置，氣動裝置驅(qū)動掛鉤移動實現(xiàn)掛鉤與夾具轉(zhuǎn)移車的掛接。驅(qū)動擺臂機構(gòu)通過減速電機驅(qū)動摩擦輪旋轉(zhuǎn)，控制摩擦輪與摩擦副的嚙合，從而控制牽引車的運動和停止。對位塊用于牽引車到位停止后的限位。剎車擺臂機構(gòu)用于牽引車的減速和剎車。

圖3 前掛牽引車示意圖

2.2 夾具轉(zhuǎn)移車

夾具轉(zhuǎn)移車上都裝載有一套車型夾具，通過夾具轉(zhuǎn)移車在地軌和停車軌上滑移，夾具在二維方向上的高效快速輸送和返回，實現(xiàn)多車型夾具隨機高效的切換。如圖4所示，夾具轉(zhuǎn)移車主要包括夾具座、前后掛鉤、行走滾輪、導向滾輪、對位塊、蓋板等。夾具座上方安裝車型夾具，前掛鉤和后掛鉤分別用于連接置于夾具轉(zhuǎn)移車前后兩端的牽引車，行走滾輪和導向滾輪保證夾具轉(zhuǎn)移車沿預設(shè)方向移動，對位塊用于夾具轉(zhuǎn)移車到位停止后的限位，蓋板用于防止夾具轉(zhuǎn)移車下方軌道受焊接飛濺焊渣的破壞。

圖4 夾具轉(zhuǎn)移車示意圖

2.3 橫移車

橫移車作為運輸平臺，負責夾具轉(zhuǎn)移車在地軌上移位。如圖5所示，橫移車主要包括到位感應(yīng)裝置、緩沖塊、滾輪、齒輪傳動裝置、限位裝置、傳動軸、萬向節(jié)、減速電機、導軌、導向條等。到位感應(yīng)安裝于機架上，用于感應(yīng)夾具轉(zhuǎn)移車相對橫移車的位置。緩沖塊用于防止橫移車超程撞擊損壞。滾輪用于保證橫移車沿預設(shè)方向移動。減速電機用于驅(qū)動兩端連接萬向節(jié)的傳動軸，帶動安裝于齒輪傳動裝置的齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪與地軌上齒條嚙合，帶動橫移車在地軌上移動。限位裝置安裝機架上，用于夾具轉(zhuǎn)移車到位后的限位。導軌、導向條分別與夾具轉(zhuǎn)移車或牽引車的滾輪嚙合。

圖5 橫移車示意圖

2.4 合拼滑臺

車型夾具通過合拼滑臺進入焊接工位，并通過總拼鎖緊裝置定位鎖緊，焊接完成后，車型夾具鎖緊部打開，通過合拼滑臺退出焊接工位。合拼滑臺采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的驅(qū)動設(shè)計，加減速過程平穩(wěn)，控制難度低，滿足車型夾具合拼時的精度及動力性能要求。如圖6所示，合拼滑臺主要包括導軌、行走滾輪、定位裝置、水平導軌、推桿、垂直導軌、凸輪導向器、擺臂、減速電機、電機座等。垂直導軌安裝于推桿上，推桿用螺栓固連在縱梁上，縱梁上安裝水平導軌，行走滾輪安裝于橫梁的兩端，并與導軌滾動連接。定位裝置用于夾具轉(zhuǎn)移車到位后的限位，使夾具轉(zhuǎn)移車隨水平導軌同步移動。減速電機安裝于電機座上方，擺臂的大臂轉(zhuǎn)接在減速電機輸出端，其小臂安裝有凸輪導向器，凸輪導向器與導軌滑動連接。

圖6 合拼滑臺示意圖

3 相關(guān)特性分析

3.1 車型切換

柔性總拼系統(tǒng)可進行6 車型隨機高效切換，柔性共線生產(chǎn)車型6個，工藝節(jié)拍內(nèi)任意換型，實現(xiàn)多平臺6車型任意混線生產(chǎn)。如圖7 所示，V01～06 車型均能切換至M110 總拼工位進行車身焊接，其中V04 車型切換V01 車型為典型車型切換案例。

圖7 6車型切換示意圖

V04車型切換V01車型的實現(xiàn)方法：如圖7所示，車型夾具V02由?？课恢肁3轉(zhuǎn)移至停靠位置A8，車型夾具V04從?？课恢肁6 轉(zhuǎn)移至停靠位置A4，車型夾具V01 由?？课恢肁2進入?？课恢肁3，車型夾具V04由?？课恢肁4進入?？课恢肁2，完成車型V01切換成V04的生產(chǎn)。

3.2 節(jié)拍分析

柔性總拼系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍由焊接機器人數(shù)量、總拼機構(gòu)運動速度和白車身輸送速度3 方面共同保證，如表2 所示，柔性總拼生產(chǎn)節(jié)拍時間為51.0 s，夾具切換時間段為17.0～38.5 s，機器人焊接時間段為17.2～43.2 s，夾具切換在機器人焊接時間段內(nèi)完成，不占用生產(chǎn)節(jié)拍時間，滿足60JPH 生產(chǎn)節(jié)拍白車身柔性總拼生產(chǎn)。

表2 柔性總拼系統(tǒng)工作節(jié)拍

3.3 分期建設(shè)

該柔性總拼系統(tǒng)采用6 車型模塊化設(shè)計，可根據(jù)柔性共線車型的數(shù)量或客戶不同的產(chǎn)品規(guī)劃及生產(chǎn)方式，分期分階段投入建設(shè)，盡可能降低客戶投資。添加新車型時，只需對現(xiàn)有產(chǎn)線設(shè)備稍加調(diào)整，與新增設(shè)備快速對接，改造周期短，不會對現(xiàn)有車型的生產(chǎn)造成影響，從而實現(xiàn)逐步投資和階段建設(shè)。

建設(shè)初期，生產(chǎn)2車型時，如圖8所示，無需建設(shè)Y向地軌，故占地面積顯著減小。生產(chǎn)線兩種車型的車型夾具V01和V02 分別存儲于焊裝工位MB110 兩側(cè)的中轉(zhuǎn)工位?？课恢肁3和A4，根據(jù)不同車型的選擇，兩款車型夾具V01和V02分別按照停靠位置A3-A2-A1和A4-A2-A1轉(zhuǎn)移進入焊接工位進行作業(yè)，同理按照原路徑返回到各自的存儲位置，實現(xiàn)2車型切換生產(chǎn)。

圖8 2車型分期建設(shè)示意圖

建設(shè)中期，以2 車型增至4 車型生產(chǎn)為例，如圖9 所示，只需建設(shè)中轉(zhuǎn)工位地軌和焊接機器人外側(cè)的兩個存儲位（停車軌）。V01-V04 為4 種車型的車型夾具，車型夾具切換時，V01按照停靠位置A1-A2-A4-A5（A6）轉(zhuǎn)移進入?？课恢肁5或A6，而?？课恢肁3按照?？课恢肁3-A2-A1進入焊接工位MB110作業(yè)，同時另一種車型夾具V03（V04）從?？课恢肁5（A6）進入停靠位置A3 等待裝載，也為車型夾具V01 騰出存儲位，實現(xiàn)4車型切換生產(chǎn)。

圖9 4車型分期建設(shè)示意圖

3.4 車型擴展

該柔性總拼系統(tǒng)模塊化設(shè)計不僅可6 車型生產(chǎn)分期分階段建設(shè)，若生產(chǎn)場地允許，也可擴展生產(chǎn)更多車型，但車型擴展時，線體寬度要求較高，可根據(jù)生產(chǎn)規(guī)劃和廠房面積的預留情況靈活選擇。如圖10 所示，6 車型擴展升級為10 車型柔性總拼系統(tǒng)時，在生產(chǎn)線兩側(cè)的擴展區(qū)延長地軌和新增4個夾具?？课恢肁10～12，同時新增4 套新車型的側(cè)部夾具V7～10，無需對現(xiàn)有6 車型的總拼系統(tǒng)機械部分進行改造，只需對系統(tǒng)電控程序稍作修改，擴展車型與現(xiàn)有車型便能實現(xiàn)混流共線生產(chǎn)。

圖10 10車型擴展示意圖

4 結(jié)束語

多車型柔性生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)柔性總拼的開發(fā)和成熟，使焊接生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)有廣泛市場前景。本文在充分分析和總結(jié)了現(xiàn)有主流白車身柔性總拼焊接系統(tǒng)不足后，研制了適用廣泛，能高效、隨機、快速地切換車型生產(chǎn)的柔性總拼系統(tǒng)。本文系統(tǒng)闡述了該柔性總拼系統(tǒng)的整體方案及其關(guān)鍵單元的機構(gòu)、功能和特性，并對其生產(chǎn)節(jié)拍、車型切換，分期擴建、車型擴展等進行詳細描述和分析，為多車型柔性總拼的多元化解決方案提供借鑒。