車(chē)身零件積放式輸送器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

張曉龍 王迪 劉久月 唐廣輝 陳卓 曹弘

（一汽模具制造有限公司，長(zhǎng)春130013）

1 前言

近年來(lái)汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，汽車(chē)生產(chǎn)商不斷探求新方法來(lái)提高自身競(jìng)爭(zhēng)力，追求高自動(dòng)化、高節(jié)拍已成為行業(yè)共識(shí)。在車(chē)身連接普遍使用自動(dòng)機(jī)械手的今天，對(duì)于高綱領(lǐng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，上料形式和區(qū)域銜接形式對(duì)其自動(dòng)化程度和生產(chǎn)節(jié)拍的影響日漸凸顯。

車(chē)身零件積放式輸送器是1 種集輸送和緩存功能于一體的車(chē)身傳輸設(shè)備。其主要應(yīng)用形式有2 種：一是應(yīng)用于自動(dòng)線的人工上料口，二是應(yīng)用于自動(dòng)區(qū)間的零件傳輸。

對(duì)于高節(jié)拍的生產(chǎn)線，如果采用普通的單一夾具上料口，需要每個(gè)節(jié)拍上一次件，操作者就必須始終守在料口旁等待上件，否則就可能造成生產(chǎn)停頓。當(dāng)采用積放式料口，因?yàn)槠渚彺婀δ?，操作者可以在一個(gè)料口連續(xù)多次上件，零件自動(dòng)到達(dá)取件位，操作者上件間隔拉長(zhǎng)，這樣就有時(shí)間完成其它積放式料口的上件。原本由多人完成的上件工作由1 人就能完成，提高了人員利用率，降低了生產(chǎn)成本。該設(shè)備還可用于自動(dòng)區(qū)域之間的零件傳遞。因?yàn)槠渚邆涔ぜ彺婀δ?，這樣即使前序出現(xiàn)短時(shí)間停臺(tái)，后序通過(guò)消耗緩存零件而不必連帶停臺(tái)；反之，當(dāng)后序短時(shí)停臺(tái)，前序生產(chǎn)零件可以進(jìn)入輸送器緩存，也不必連帶停臺(tái)。這樣能夠有效減少前后區(qū)域之間的停臺(tái)等待，提高生產(chǎn)線開(kāi)動(dòng)率，進(jìn)而保證高節(jié)拍。隨著積放鏈在焊裝車(chē)間的應(yīng)用越來(lái)越普遍，國(guó)內(nèi)外的車(chē)身裝備廠家提供了不少產(chǎn)品備選，其產(chǎn)品在功能性、工藝性和可靠性上均已比較成熟。

2 積放式輸送器的結(jié)構(gòu)形式

焊裝線積放鏈常見(jiàn)形式有4 種，分別是水平托舉式、水平懸掛式、傾斜式和豎直式，此外還有具備轉(zhuǎn)彎和升降功能的設(shè)備產(chǎn)品。

2.1 水平托舉式積放鏈

如圖1，水平托舉式積放鏈通常通過(guò)支腿固定到地面上，料車(chē)托舉車(chē)身零件在設(shè)備上層傳輸和積放，并通過(guò)下層返回，設(shè)備兩端可實(shí)現(xiàn)料車(chē)向上和向下翻轉(zhuǎn)。

圖1 水平托舉式積放鏈

2.2 水平懸掛式積放鏈

水平懸掛式積放鏈（圖2）與水平托舉式結(jié)構(gòu)大體相同，不同之處在于零件懸掛于積放鏈下方，設(shè)備本體通過(guò)橫梁架裝在鋼結(jié)構(gòu)上。兩者雖結(jié)構(gòu)相似，但一般不能互換使用，主要受限于停止器位置及逆止器方向。

2.3 傾斜式積放鏈

傾斜式積放鏈（圖3）采用料車(chē)斜置，一般用于人工掛載較長(zhǎng)的零件或者區(qū)域空間受限的情況。

圖2 水平懸掛式積放鏈

圖3 傾斜式積放鏈

2.4 豎直式積放鏈

豎直式積放鏈（圖4）采用料車(chē)豎直放置的結(jié)構(gòu)形式，其不僅具備傾斜式積放鏈工藝特點(diǎn)還加強(qiáng)了設(shè)備的柔性。這是因?yàn)榱宪?chē)始終保持豎直，不需要上下翻轉(zhuǎn)，零件可在設(shè)備上循環(huán)輸送。從空中俯視，料車(chē)在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中運(yùn)行軌跡始終保持水平。

圖4 豎直式積放鏈

2.5 帶轉(zhuǎn)彎和升降功能的積放鏈

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)空間受限或不便操作時(shí)，也可采用帶轉(zhuǎn)彎和升降功能的積放鏈，如圖5 所示。

圖5 帶轉(zhuǎn)彎和升降功能的積放鏈

3 積放式輸送器的應(yīng)用選型

積放鏈的應(yīng)用選型涉及基本參數(shù)、料車(chē)工裝設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

3.1 積放鏈基本參數(shù)的確定

積放鏈的基本參數(shù)一般包括設(shè)備長(zhǎng)度、寬度、料車(chē)數(shù)量、運(yùn)行速度、停止器數(shù)量和位置等。

圖6 積放鏈選型表設(shè)備圖例

通常料車(chē)數(shù)量根據(jù)使用需要而定，人工上件的積放鏈需要考慮料車(chē)數(shù)量是否滿(mǎn)足操作節(jié)拍，區(qū)域間銜接的積放鏈需要考慮生產(chǎn)線物流和車(chē)型傳遞等，同時(shí)也需要考慮現(xiàn)場(chǎng)空間。設(shè)備具體參數(shù)信息按照設(shè)備廠家提供的選型表逐一填寫(xiě)即可，選型表一般包含2 部分，即參數(shù)列表（表1）和設(shè)備圖例（圖6），參數(shù)列表用文字說(shuō)明各項(xiàng)參數(shù)的意義，設(shè)備圖例則借助圖片及標(biāo)注展示各項(xiàng)參數(shù)對(duì)應(yīng)的設(shè)備尺寸等以便于用戶(hù)理解。

表1 積放鏈選型參數(shù)列表

3.2 料車(chē)工裝的設(shè)計(jì)

料車(chē)工裝除需考慮零件掛載需求外，還需考慮設(shè)備料車(chē)的負(fù)載能力。料車(chē)的負(fù)載分為工裝和車(chē)身零件2 部分，工裝與料車(chē)剛性連接，始終隨料車(chē)運(yùn)動(dòng)。通常情況下，設(shè)計(jì)工裝需要計(jì)算料車(chē)空載（即只承載工裝）和帶件情況下的質(zhì)量和中心分布，以及料車(chē)空載式的翻轉(zhuǎn)力矩等。設(shè)備廠家會(huì)提供料車(chē)能承擔(dān)的負(fù)載分布區(qū)間（圖7）和工裝的質(zhì)量-重心高度要求（圖8）。

圖7 設(shè)備要求的負(fù)載分布區(qū)間

3.3 控制和安全

在焊裝車(chē)間，積放鏈最常用的形式是人工上件-機(jī)器人下件（簡(jiǎn)稱(chēng)人上機(jī)下）和上下件都是機(jī)器人（簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)上機(jī)下）。這2 種使用方式采用的控制和安全形式有明顯不同，此外，按照具體工況每條積放鏈的使用形式可能略有不同。

圖8 工裝的質(zhì)量-重心高度要求

3.3.1 人上機(jī)下的積放鏈

人上機(jī)下的積放鏈的上件端位于自動(dòng)區(qū)圍欄外側(cè)，下件端在自動(dòng)區(qū)內(nèi)。操作者在上件端，空料車(chē)停在上件位，人工上件后通過(guò)拍按鈕使得帶件的料車(chē)向前傳輸，之后料車(chē)自動(dòng)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)緩存區(qū)通過(guò)仿形門(mén)到達(dá)下件位，機(jī)器人取件后料車(chē)向下翻轉(zhuǎn)通過(guò)返回區(qū)返回上件端。料車(chē)的自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程由程序設(shè)定，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)、檢件開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)阻擋器等來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了防止料車(chē)在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中傷人，上件端一般設(shè)有防護(hù)罩。

料車(chē)在進(jìn)入下件端和返回上件端之前經(jīng)過(guò)仿形門(mén)。下件端之前的仿形門(mén)用于檢測(cè)工件是否擺放到位，零件不到位時(shí)會(huì)觸發(fā)仿形門(mén)報(bào)警，防止因零件姿態(tài)原因造成下件端機(jī)器人無(wú)法取件或取件時(shí)發(fā)生碰撞。上件端之前的仿形門(mén)主要是為了防止人在料車(chē)翻轉(zhuǎn)時(shí)與其過(guò)近，當(dāng)人通過(guò)該仿形門(mén)靠近料車(chē)翻轉(zhuǎn)區(qū)間時(shí)設(shè)備應(yīng)自動(dòng)停止運(yùn)行。

3.3.2 機(jī)上機(jī)下的積放鏈

機(jī)上機(jī)下的積放鏈位于1 個(gè)自動(dòng)區(qū)內(nèi)或者2個(gè)自動(dòng)區(qū)之間，上下件都有機(jī)器人完成，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，正常工作時(shí)無(wú)需人為干預(yù)。同人上機(jī)下的積放鏈相比，料車(chē)的運(yùn)行完全由程序設(shè)定，也是由檢件開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)阻擋器來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 其它注意事項(xiàng)

積放鏈?zhǔn)? 個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，各種使用工況對(duì)設(shè)備的要求不同，各個(gè)廠家的產(chǎn)品也各有其優(yōu)劣。下面介紹一些影響設(shè)備的調(diào)試和使用的細(xì)節(jié)問(wèn)題。

3.4.1 檢件開(kāi)關(guān)的選用

多車(chē)型共線生產(chǎn)是車(chē)身制造的發(fā)展趨勢(shì)，線體的柔性化對(duì)積放鏈的車(chē)型檢測(cè)提出更多要求，光電開(kāi)關(guān)是目前常用的檢測(cè)方法。光電開(kāi)關(guān)多種多樣，技術(shù)參數(shù)千差萬(wàn)別，選用時(shí)有4點(diǎn)需要注意。

a.光斑太大容易出現(xiàn)其它設(shè)備（如機(jī)器人抓具）干擾積放鏈運(yùn)行或者開(kāi)關(guān)對(duì)零件細(xì)節(jié)識(shí)別精度不夠等問(wèn)題，因此積放鏈選用的光電開(kāi)關(guān)以激光光源為最佳，其照射在工件表面只有一個(gè)直徑4 mm左右的點(diǎn)。

b.光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離需要根據(jù)工件和開(kāi)關(guān)的距離而定，各個(gè)廠家有各自不同的分檔。根據(jù)工件的檢測(cè)難度不同，光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離可以選擇檢測(cè)距離是否可調(diào)，對(duì)混線生產(chǎn)的積放鏈通常建議選用檢測(cè)距離可調(diào)的光電開(kāi)關(guān)。

c.部分光電開(kāi)關(guān)支持窗口檢測(cè)模式，即用戶(hù)可以在開(kāi)關(guān)的測(cè)量范圍內(nèi)選擇觸發(fā)開(kāi)關(guān)的距離區(qū)間，此類(lèi)開(kāi)關(guān)一般應(yīng)用在多車(chē)型共線且零件識(shí)別特征不明顯或出現(xiàn)層疊的情況。

d.開(kāi)關(guān)一般分PNP 和NPN 2 種輸出形式，有的產(chǎn)品可互換。選擇開(kāi)關(guān)前需要結(jié)合線體的通訊協(xié)議確定信號(hào)輸出形式。

3.4.2 上件端的料車(chē)存放數(shù)量

通常情況下，料車(chē)返回上件端的翻轉(zhuǎn)過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)，如果上件端只有一個(gè)空料車(chē)的存放空間，則容易造成前后2 次上件之間需要等待空料車(chē)從積放鏈下層經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)運(yùn)行到上件位，部分用戶(hù)對(duì)此不能接受。這時(shí)可以采用雙料車(chē)位形式的上件端，如圖9 所示。上件位的料車(chē)上件放行后，后面上件等待位的料車(chē)可以快速到達(dá)上件位，避免了等待，有利于提高上件速度。

圖9 雙料車(chē)位的人工上件端

3.4.3 停止器的數(shù)量

停止器（圖10）用來(lái)控制料車(chē)前進(jìn)或停止，在積放鏈的緩存區(qū)和返回區(qū)會(huì)出現(xiàn)1 個(gè)停止器阻擋多個(gè)料車(chē)的情況。由于停止器的阻擋能力有限，在選用積放鏈時(shí)需要注意停止器的最大阻擋數(shù)量，必要時(shí)增加阻擋器，避免出現(xiàn)緩存區(qū)無(wú)法排空的情況。

圖10 停止器示意

4 水平托舉式積放鏈的設(shè)計(jì)

介紹水平托舉式積放鏈（以下簡(jiǎn)稱(chēng)積放鏈）的設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)前需要確定積放鏈的運(yùn)行參數(shù)，如速度、寬度、長(zhǎng)度等。

4.1 托舉式積放鏈的結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)原理

水平托舉式積放鏈（圖11）由基架、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、限位機(jī)構(gòu)（多個(gè)）、料車(chē)（多個(gè)）、潤(rùn)滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)等7 個(gè)部件組成。

圖11 水平托舉式積放鏈的結(jié)構(gòu)

積放鏈以普通三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，鏈條作為主要傳動(dòng)介質(zhì)，在工作過(guò)程中電機(jī)帶動(dòng)鏈條始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖12 所示，每個(gè)料車(chē)底部都裝有4 個(gè)滾輪，用來(lái)承擔(dān)料車(chē)及其上部的負(fù)載。料車(chē)的水平運(yùn)動(dòng)靠鏈條推動(dòng)阻尼鏈輪實(shí)現(xiàn)，其前進(jìn)或停止通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)擋塊的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制。阻尼鏈輪由普通鏈輪和磁滯阻尼器構(gòu)成，當(dāng)阻力不大時(shí)，阻尼器可以防止鏈輪旋轉(zhuǎn)，這樣鏈輪就可在鏈條推動(dòng)下帶動(dòng)料車(chē)水平行走；而當(dāng)料車(chē)受到擋塊阻擋，阻力超過(guò)阻尼器的阻尼上限，阻尼鏈輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，料車(chē)會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，直至擋塊移開(kāi)。

料車(chē)每次到達(dá)輸送器的一端時(shí)（圖13）,料車(chē)滾輪會(huì)在導(dǎo)向槽的導(dǎo)引下進(jìn)入圓弧軌跡；與此同時(shí)，料車(chē)中部的齒形板與軸上的環(huán)形鏈條進(jìn)入嚙合，料車(chē)在環(huán)形鏈條的帶動(dòng)下完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。翻轉(zhuǎn)完成后，齒形板與環(huán)形鏈條脫離，料車(chē)仍然只靠阻尼鏈輪帶動(dòng)前進(jìn)。這樣的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)既能保證料車(chē)正常傳輸又避免其在緩存時(shí)給系統(tǒng)造成過(guò)大負(fù)載，降低了系統(tǒng)能耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

圖12 積放鏈的行走機(jī)構(gòu)

圖13 積放鏈的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

4.2 積放鏈的控制方案

積放鏈由4 個(gè)功能區(qū)組成1 個(gè)封閉循環(huán)，分別是上件區(qū)、緩存區(qū)、下件區(qū)和空料車(chē)返回區(qū)，各區(qū)之間主要通過(guò)3 組機(jī)械限位機(jī)構(gòu)隔開(kāi)。每個(gè)區(qū)的末端位置都有接近開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)是否有料車(chē)在位。各區(qū)前端也有接近開(kāi)關(guān)，用來(lái)檢測(cè)料車(chē)是否存滿(mǎn)，當(dāng)料車(chē)存滿(mǎn)，前端接近開(kāi)關(guān)將通過(guò)控制區(qū)域前端的機(jī)械限位阻止料車(chē)進(jìn)入該區(qū)。在上件區(qū)和機(jī)械手抓件區(qū)還裝有光電開(kāi)關(guān)，用來(lái)檢測(cè)料車(chē)上是否已放工件。上件區(qū)的光電開(kāi)關(guān)用來(lái)判斷該區(qū)末端位置的料車(chē)是否帶件，有件則開(kāi)關(guān)觸發(fā)，料車(chē)可以繼續(xù)前進(jìn)進(jìn)入緩存區(qū)，否則等待上件；抓件區(qū)的光電開(kāi)關(guān)用來(lái)控制機(jī)械手是否可以進(jìn)行取件動(dòng)作。此外，在系統(tǒng)必要位置需要加安全開(kāi)關(guān)以保護(hù)操作人員及設(shè)備。圖14 為積放鏈檢測(cè)開(kāi)關(guān)布局示例，圖中的檢測(cè)開(kāi)關(guān)用4 位代號(hào)表示，代號(hào)前2 位用于區(qū)分位置和功能，后2 位為檢測(cè)開(kāi)關(guān)編號(hào)。代號(hào)前2 位中，“1S”代表設(shè)備關(guān)鍵位置狀態(tài)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，“2S”代表上件區(qū)料車(chē)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，“2Z”代表上件區(qū)零件檢測(cè)開(kāi)關(guān)，“3S”代表緩存區(qū)料車(chē)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，“3Z“代表緩存區(qū)零件檢測(cè)開(kāi)關(guān)，“4S”代表下件區(qū)料車(chē)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，“4Z”代表下件區(qū)零件檢測(cè)開(kāi)關(guān)。

圖14 積放鏈的檢測(cè)開(kāi)關(guān)布局示例

4.3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)步驟

4.3.1 電機(jī)選型

積放鏈的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、鏈條、鏈輪及軸等部分構(gòu)成，設(shè)備工作時(shí)電機(jī)持續(xù)帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)。鏈條為3 排并列式，其中2 排用于鏈輪間傳動(dòng)，另1排用于驅(qū)動(dòng)料車(chē)。以下是電機(jī)選型步驟。

a.確定電機(jī)減速比i。

式中，v 為鏈條行走速率，根據(jù)用戶(hù)規(guī)劃要求一般為4.2～9 m/min；d 為驅(qū)動(dòng)鏈輪分度圓直徑，與連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)；n0為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，一般取1 450 rpm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參照電機(jī)選型樣本選取接近值作為減速機(jī)減速比。

b.計(jì)算電機(jī)輸出扭矩TD。

電機(jī)機(jī)械負(fù)載主要來(lái)源于3 個(gè)方面：料車(chē)行走驅(qū)動(dòng)力（即磁滯阻尼器極限扭矩）、料車(chē)翻轉(zhuǎn)扭矩負(fù)載和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力。摩擦力可以忽略。綜上，電機(jī)負(fù)載扭矩TD公式如下。

式中，N為料車(chē)個(gè)數(shù)；T0為磁滯阻尼器極限扭矩；m為單個(gè)料車(chē)及其負(fù)載總質(zhì)量；R為單個(gè)料車(chē)及其負(fù)載重心與翻轉(zhuǎn)軸間距。

c.計(jì)算電機(jī)功率P。

式中，k為使用系數(shù)，一般取1.2～2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參照電機(jī)樣本選擇電機(jī)功率，確定減速機(jī)型號(hào)及相關(guān)附件。

4.3.2 傳動(dòng)鏈條選型

積放鏈采用的是3 列組合鏈條，依據(jù)電機(jī)的輸出扭矩折算成拉力乘以一定的安全系數(shù)后可計(jì)算出鏈條的拉力負(fù)載，計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn) 是鏈條承受拉力；K 是安全系數(shù)，一般取4～5。

根據(jù)相關(guān)樣本，確定鏈條的規(guī)格型號(hào)。

4.3.3 基架

積放鏈的基架采用6061 鋁型材，其上安裝有支撐架、料車(chē)導(dǎo)軌、鏈條導(dǎo)軌及其他部件。主框架鋁型材根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)截面形狀尺寸，委托專(zhuān)業(yè)型材廠家制造。料車(chē)導(dǎo)軌采用合金鋼板材，要求平面度高，耐磨性好。鏈條導(dǎo)軌采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，具備優(yōu)異的耐磨性，同時(shí)有利于設(shè)備的輕量化。

積放鏈的框架由支腿撐起，間隔1 m左右，為防止型材的形變影響料車(chē)運(yùn)行，設(shè)計(jì)過(guò)程需要對(duì)其做變形和應(yīng)力分析，分析示例如圖15、圖16所示。

圖15 框架型材的形變分析示例

4.3.4 料車(chē)托盤(pán)

料車(chē)用于積放鏈與工裝夾具的連接，對(duì)于工裝的重復(fù)定位精度具有決定性影響。因此，對(duì)料車(chē)托盤(pán)的加工一致性和整體剛性都有很高要求。同時(shí)，為提高單托盤(pán)的承載能力以及降低設(shè)備整體能耗水平，托盤(pán)要盡量做到輕量化。托盤(pán)主體采用鋼質(zhì)鈑金結(jié)構(gòu)，重量輕，剛性好。

圖16 框架型材的應(yīng)力分析示例

5 結(jié)束語(yǔ)

積放式輸送器在車(chē)身焊裝領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，其在提高自動(dòng)化車(chē)身生產(chǎn)線的開(kāi)動(dòng)率，優(yōu)化人力成本等方面作用明顯。以線間緩存為基礎(chǔ)的拉動(dòng)式生產(chǎn)方式為國(guó)際先進(jìn)汽車(chē)制造企業(yè)所采用，積放鏈?zhǔn)瞧渲胁豢苫蛉钡年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造商也加強(qiáng)了積放鏈的應(yīng)用，收到良好效果。國(guó)內(nèi)的線體集成商和裝備制造企業(yè)也紛紛投入資源進(jìn)行積放鏈的自主開(kāi)發(fā)，對(duì)打破國(guó)外車(chē)身裝備公司的技術(shù)壟斷、服務(wù)自主車(chē)企意義重大。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)發(fā)展中，積放鏈仍將是車(chē)身制造業(yè)的一項(xiàng)重要裝備。