焊裝前后蓋高效柔性滾邊島布局設(shè)計(jì)

羅光盛，鄒傳利，劉冬

奇瑞商用車（安徽）有限公司 安徽蕪湖 241000

汽車白車身的制造中，柔性化與智能化的生產(chǎn)線構(gòu)建，是當(dāng)今提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵要素之一。焊裝門蓋件的內(nèi)外板連接越來(lái)越廣泛地使用滾邊工藝，而傳統(tǒng)的內(nèi)外板壓合工藝建設(shè)周期長(zhǎng)、成本高、切換時(shí)間長(zhǎng)且柔性差，而且使用傳統(tǒng)模具和壓機(jī)壓合時(shí)，隨著外板的翻邊輪廓線角度不同，翻邊角度過(guò)大的部位以及翻邊過(guò)渡急劇的區(qū)域，壓合實(shí)物質(zhì)量相對(duì)較差。為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，縮短車型開發(fā)周期，柔性化高、成本較低的機(jī)器人滾邊技術(shù)逐漸應(yīng)用于焊裝門蓋件的生產(chǎn)中。

機(jī)器人滾邊系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)器人滾邊系統(tǒng)的組成主要有工業(yè)機(jī)器人、滾邊胎模系統(tǒng)、滾邊工具、PLC控制系統(tǒng)及滾邊輔助系統(tǒng)等五部分。

滾邊機(jī)器人按照預(yù)定的程序和軌跡控制滾邊工具，在規(guī)定的滾邊壓力和時(shí)間下完成滾邊工藝操作，是滾邊工藝執(zhí)行的主體。滾邊機(jī)器人一般要求是線性重復(fù)精度＜0.2mm，負(fù)載200kg及以上，并保證良好的滾邊位置和角度可達(dá)性。公司某產(chǎn)線滾邊系統(tǒng)選用ABB品牌IRB 6700-235/2.65、IRB 6700-200/2.60兩種規(guī)格機(jī)器人。

滾邊胎模系統(tǒng)由下胎模和上壓模組成。下胎模在機(jī)器人滾邊工藝過(guò)程中用于穩(wěn)定外板形態(tài)的型面支撐的工裝，主要構(gòu)成為胎模型面、胎模架、輔助支撐塊及加強(qiáng)筋。胎膜面需要完全隨外板型面狀態(tài)設(shè)計(jì)，對(duì)強(qiáng)度及表面粗糙度有較高的要求，下胎模與外板一般采用孔或型面定位，并在外板布置一定數(shù)量的吸盤使其盡可能與下胎模貼合。上壓模用于將鈑金固定在胎膜上，同時(shí)防止在機(jī)器人滾邊過(guò)程中鈑金件竄動(dòng)的定位工裝。上壓模一般采用連貫式結(jié)構(gòu)，與內(nèi)板之間采用孔定位，并在胎模周圍布置一定數(shù)量的壓料板，保證滾邊作業(yè)時(shí)零件處于壓緊、穩(wěn)定的狀態(tài)。

滾邊工具一般由1個(gè)或1個(gè)以上的滾輪及滾邊壓力裝置集成，滾輪由于與工件接觸，要承受較大的壓力，且與工件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)滾輪的材質(zhì)要求較高，要求滾輪具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，耐磨性能好。常用的滾輪有90°輪、45°輪、30°輪、成形輪以及專用輪，一般滾邊工具為多角度滾輪集成結(jié)構(gòu)用于不同角度滾壓工作。在選用滾輪時(shí)需根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和部位，選用不同規(guī)格尺寸的滾輪。

PLC控制系統(tǒng)主要將傳感器收集到的各種信號(hào)，通過(guò)PLC程序控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、胎模系統(tǒng)的夾緊動(dòng)作等。輔助系統(tǒng)包括上件臺(tái)、抓手、光柵及安全圍欄等附件，主要輔助完成滾邊作業(yè)任務(wù)，并保證人員操作安全。

柔性化滾邊島的布局設(shè)計(jì)

機(jī)器人滾邊系統(tǒng)中，機(jī)器人、滾邊工具、控制模塊及部分輔助系統(tǒng)是共用的，不同零件的切換，胎模系統(tǒng)、上下件臺(tái)、抓手及滾邊程序各不相同，滾邊程序的切換易于實(shí)現(xiàn)，因此只要滾邊胎模、上下件臺(tái)及抓手可切換即可實(shí)現(xiàn)柔性化的生產(chǎn)模式。

柔性切換方式的主要評(píng)價(jià)維度是多車型、精確性、切換便利性。為達(dá)到柔性化要求，滾邊下胎模一般通過(guò)底座柔性的方式切換，上下件臺(tái)則通過(guò)線下工位切換。滾邊上壓模和抓手通過(guò)機(jī)器人切換盤切換，切換盤屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可直接安裝使用，滿足精確便利切換的要求。胎模切換系統(tǒng)，通過(guò)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)胎模的位置，實(shí)現(xiàn)工作位和存儲(chǔ)位的安全隔離，滿足不同車型生產(chǎn)需求。

滾邊胎模切換的方式有轉(zhuǎn)臺(tái)和滑臺(tái)兩種。轉(zhuǎn)臺(tái)常用三面體或四面體結(jié)構(gòu)，通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)夾具旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)/車型切換。其優(yōu)點(diǎn)為切換速度快、精度高，但因轉(zhuǎn)臺(tái)上胎模為立體擺放，一般一套胎模最多允許兩臺(tái)機(jī)器人同時(shí)工作，無(wú)法滿足高節(jié)拍要求；滑臺(tái)切換是采用伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)胎模夾具在軌道上滑移切換車型，應(yīng)用形式主要有直線、T形及十字形切換滑臺(tái)，實(shí)際應(yīng)用中一般是多種滑臺(tái)的組合使用。其優(yōu)點(diǎn)為胎模平放，可滿足多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)操作，易于實(shí)現(xiàn)高節(jié)拍，缺點(diǎn)為占地面積加大。

滾邊柔性化，除了車型或零件種類柔性化，即完成多種車型零件的滾邊，另一方面還需要工藝柔性化，即根據(jù)工藝需要，滾邊島可以完成除滾邊外的其他工藝，如涂膠、點(diǎn)焊等。以上正是滾邊島設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮的要素。

應(yīng)用實(shí)例

基于傳統(tǒng)的滑臺(tái)設(shè)計(jì)，公司探索了一種前后蓋柔性滾邊島的布局設(shè)計(jì)，并運(yùn)用在某生產(chǎn)線上。已知某滾邊工作島設(shè)計(jì)輸入條件及要求如下。

1）年產(chǎn)能15萬(wàn)臺(tái)。

2）具備3款SUV車型前蓋、后蓋柔性共線滾邊能力。

3）布局精益。

4）機(jī)器人利用率高，投資成本低。

1.布置方式

基于公司產(chǎn)能計(jì)算方式：年最大產(chǎn)能=設(shè)計(jì)JPH×日最大有效工作時(shí)間（20.83h，兩班）×設(shè)備可動(dòng)率（90%）×295天（每周單休+國(guó)家法定節(jié)假日），經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)JPH為27.1，故設(shè)計(jì)節(jié)拍滿足120s即可。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)及滑臺(tái)切換的特點(diǎn)評(píng)估，并經(jīng)仿真確認(rèn)，轉(zhuǎn)臺(tái)切換無(wú)法滿足目標(biāo)節(jié)拍要求，故選用滑臺(tái)切換方式。結(jié)合同時(shí)滿足三款車型前蓋、后蓋柔性共線滾邊及精益布局的要求，初步形成該滾邊島布置（見圖1）。

該設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)為結(jié)合三車型的切換，采用了“回”字形滑臺(tái)（見圖2）。如圖1所示，前蓋胎模M1/3/5及后蓋胎模M2/4/6分別橫向排布，其中M1與M2為前蓋、后蓋工作位，機(jī)器人R2與R3置于工作位之間進(jìn)行滾邊作業(yè)，R1與R4分別實(shí)施前、后蓋的抓件及滾邊。將M3與M6之間、M4與M5之間聯(lián)通后分別設(shè)置存儲(chǔ)位，達(dá)到占地面積小、精益布局的目的。

圖1 滾邊島布置示意

圖2 回形滑臺(tái)示意

2.胎模切換系統(tǒng)

胎模切換系統(tǒng)（見圖3）為實(shí)現(xiàn)柔性化快速切換的主要機(jī)構(gòu)?；匦位_(tái)上安裝有萬(wàn)向輪、夾緊導(dǎo)向、固定凸輪等裝置，使胎模可通過(guò)回形滑臺(tái)四周安裝的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、插銷帶動(dòng)，夾緊導(dǎo)向由氣缸、凸輪組及連接機(jī)構(gòu)組成，可通過(guò)氣缸控制切換滑臺(tái)在X或Y方向滑行。

圖3 胎模切換系統(tǒng)

員工作業(yè)時(shí)確認(rèn)胎模是否在相應(yīng)工位，如不在工位，在控制面板選擇所需車型，滑臺(tái)通過(guò)PLC程序自動(dòng)滑行切換。滑行到位后通過(guò)傳感器以及機(jī)械限位反饋信號(hào)，達(dá)到多車型胎模快速、精準(zhǔn)切換、柔性滾邊的目的。

3.上件置臺(tái)定位機(jī)構(gòu)

根據(jù)不同車型上件置臺(tái)切換所需，設(shè)計(jì)置臺(tái)定位機(jī)構(gòu)，如圖4所示。其中定位機(jī)構(gòu)框架通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)地腳板固定在地面上，定位銷、兩組定位基準(zhǔn)塊、兩組夾緊單元共同確保置臺(tái)水平兩個(gè)方向定位精度，保證置臺(tái)到預(yù)定位置后定位穩(wěn)定；六組滾子機(jī)構(gòu)使置臺(tái)快速切換，保證置臺(tái)Z向精度，起到置臺(tái)承力及切換對(duì)中過(guò)程中的導(dǎo)向作用；兩個(gè)緩沖器，在置臺(tái)切換對(duì)中過(guò)程起到緩沖撞擊作用，另外每種車型對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器，通過(guò)其反饋的上件臺(tái)車型信息，達(dá)到車型防錯(cuò)目的。通過(guò)此定位機(jī)構(gòu)，使不同車型的上件置臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速柔性化切換，并實(shí)現(xiàn)柔性切換、精確定位、機(jī)器人易于抓取件的目的。

圖4 上件置臺(tái)定位機(jī)構(gòu)及定位示意

應(yīng)用此定位機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：柔性化強(qiáng)，布置空間小，可滿足多種車型零件上件的切換生產(chǎn)；切換步驟簡(jiǎn)單，切換效率較高；可擴(kuò)展性強(qiáng)，如增加車型，只需在機(jī)構(gòu)上增加相應(yīng)車型識(shí)別傳感器，投資成本低，實(shí)用性強(qiáng)。

4.工藝柔性

基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝要求，前蓋、后蓋滾邊前需涂膠，前蓋滾邊定義單邊點(diǎn)焊。為滿足工藝柔性，新增2套涂膠設(shè)備及2臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)施涂膠作業(yè)，前蓋單邊點(diǎn)焊則通過(guò)取件臺(tái)集成單邊點(diǎn)焊夾具及PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)焊接，人工僅需裝件、取件。另外綜合考慮物流轉(zhuǎn)運(yùn)便捷、人員走動(dòng)少等因素對(duì)布局進(jìn)行優(yōu)化，形成最終平面布局，如圖5所示。

圖5 整體作業(yè)平面布局

此滾邊島系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成熟應(yīng)用于公司某生產(chǎn)線，總結(jié)其優(yōu)點(diǎn)如下：

1）柔性化好、占地小，可滿足3種車型前蓋和后蓋切換生產(chǎn)。

2）生產(chǎn)效率高，在120s以內(nèi)可完成一個(gè)前蓋和一個(gè)后蓋兩個(gè)件的生產(chǎn)。

3）機(jī)器人利用率高。僅用4臺(tái)滾邊機(jī)器人和2臺(tái)涂膠機(jī)器人，完成高節(jié)拍多車型的涂膠、滾邊、抓取件工作，人工僅需上件、取件，極大地降低了人工作業(yè)強(qiáng)度。

4）新車型投入時(shí)改造量小，便于導(dǎo)入車型。

5）投資成本低，適用性強(qiáng)，便于普及應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人滾邊是汽車制造中多項(xiàng)技術(shù)融合的一項(xiàng)生產(chǎn)工藝，它有著柔性化高、成形質(zhì)量穩(wěn)定和設(shè)備投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其是隨著車身造型的多元化發(fā)展，允許大翻邊角度成形的滾邊工藝將是車身外觀件包邊的發(fā)展方向和趨勢(shì)。要想熟練掌握這項(xiàng)技術(shù)，工程技術(shù)人員必須融合多方面的基礎(chǔ)技術(shù)，并在實(shí)際運(yùn)用中不斷驗(yàn)證總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而推動(dòng)整體工藝水平的發(fā)展。