車身焊裝生產(chǎn)線自動傳輸技術淺析

張曉龍 竇志遠 杜雨萌 崔超 王迪 艾學崇

（一汽模具制造有限公司，長春130013）

1 前言

自從第一條流水線在汽車行業(yè)投入使用，百年來汽車生產(chǎn)制造技術不斷革新。流水線，就是要把各生產(chǎn)單元連成線，而傳輸設備就是連接的紐帶。隨著市場需求的變化，汽車制造正向著智能化和柔性化的方向逐步邁進，傳統(tǒng)的流水線式生產(chǎn)布局也顯露出柔性不足等缺點，更新的島式生產(chǎn)布局方式已經(jīng)從概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。與流水線式生產(chǎn)相比，島式布局的生產(chǎn)線物料不必走固定的生產(chǎn)線路，甚至生產(chǎn)工具也可根據(jù)需要變換位置，這樣使得生產(chǎn)更加柔性化，更加適應個性化、定制化的市場需求。

當前，傳統(tǒng)的流水線式生產(chǎn)依然十分普遍，其中應用的的自動傳輸設備多種多樣。目前應用較為廣泛的傳輸形式有：輥床-滑橇、輥床-隨行夾具、往復式傳輸小車等，此外往復桿、桁架機械手自動懸掛小車、皮帶輸送機、板鏈傳送帶等也比較常見。而隨著島式生產(chǎn)布局方式以及自動化物流的興起，自動導引運輸車（Automated Guided Vihicle,AGV）在焊裝行業(yè)的應用迅速增長，幾乎到了每個焊裝項目必有AGV的程度，這無異于一場自動傳輸技術的革命。目前，AGV在物料輸送、工裝器具切換等方面投入實際應用。未來，隨著立體庫、自主導航等相關技術的發(fā)展，車身制造業(yè)有望在AGV的幫助下實現(xiàn)無人化生產(chǎn)。

2 焊裝線常見傳輸形式

按照零件載體返回初始工位的方式不同，焊裝線的零件傳輸可以分為往復式和循環(huán)式。往復式傳輸是指載體在前后2個相鄰工位件往復運動，每次完成工位件的零件傳遞，載體都回到初始工位，典型的傳輸形式有往復式傳輸小車、往復桿。循環(huán)式傳輸，完成1次工位件傳輸后，載體不會回到初始工位，而是等待零件完成工藝過程繼續(xù)向前傳輸，直至行進到生產(chǎn)線末端，再通過返回通道回到生產(chǎn)線的初始工位，典型的傳輸形式有輥床-滑橇傳輸、輥床-隨行夾具傳輸。

2.1 往復式傳輸小車

2.1.1 往復式傳輸小車的構成

往復式傳輸小車輸送系統(tǒng)有軌道、升降小車、臺車等部分構成。整條生產(chǎn)線的軌道貫通，保證小車可以在相鄰工位間往返運動。臺車固定在升降小車的頂板上，用來支撐車身零件。車身零件的工藝操作是在下夾具上進行的，當工藝完成，小車升起使得零件脫離下夾具一定高度，小車開始沿軌道水平運動，行走過程通過伺服電機定位，小車準確運動到下一工位后開始下降，零件就被放到下一工位的下夾具上，小車繼續(xù)下降使得臺車脫離零件一定距離后，小車返回至前一工位，傳輸過程結(jié)束。

2.1.2 往復式傳輸小車的應用

往復式傳輸小車多用于采用往復式傳輸?shù)能嚿淼匕寰€和主焊線，其優(yōu)勢在于支持不等工位間距，柔性較好，無需額外建設臺車返回線從而節(jié)省空間等。由于各個小車獨立升降和行走，因此可以實現(xiàn)不等工位間距輸送。通過小車的拖鏈，可以實現(xiàn)臺車上電氣介質(zhì)的導通，定位部件能夠自動切換，使得臺車的柔性有所提升。圖1所示為往復式傳輸小車輸送系統(tǒng)的構成。

圖1 往復式傳輸小車輸送系統(tǒng)

往復式傳輸小車也有其局限性：首先，由于升降小車依靠齒輪齒條副傳動沿地面精密軌道行駛，對軌道及齒條安裝精度要求高，安裝調(diào)試難度較大，同時齒輪齒條、導軌等需要定期點檢和潤滑，否則容易出現(xiàn)故障或降低使用壽命；然后，由于采用往復式傳輸，小車返回前一工位的過程占用一定時間，因此完整傳輸循環(huán)時間較長，一般在16 s以上，實際使用時為避免臺車返回占用時間，當臺車返回對工位工藝操作不影響時，也可以在小車返回的同時開始工藝操作。

2.2 輥床-滑橇傳輸

2.2.1 輥床-滑橇傳輸形式的組成

輥床-滑橇傳輸系統(tǒng)通常包含升降輥床、滑橇等部分，其中輥床輸出升降和水平傳輸?shù)膭恿?，滑橇是零件傳輸?shù)妮d體，下夾具則用于零件定位。當零件在前一工位下夾具上完成生產(chǎn)工序，輥床升起，滑橇將零件托起脫離下夾具一定距離，待整線輥床都升至高位后開始水平傳輸，滑橇將零件準確運至下一工位，該工位輥床下降，零件落至下夾具，實現(xiàn)零件在生產(chǎn)線上的傳輸。輥床的升降通常由伺服電機驅(qū)動，升降過程依靠編碼器定位，接近傳感器做輔助到位判斷；水平行走一般靠普通交流電機驅(qū)動，配有變頻控制，通過接近傳感器做減速、到位控制，到位后一般利用伸縮銷對滑橇進行機械定位。圖2所示為輥床-滑橇輸送系統(tǒng)的構成。

圖2 輥床-滑橇輸送形系統(tǒng)

2.2.2 輥床-滑橇傳輸形式的應用

輥床-滑橇傳輸系統(tǒng)用作循環(huán)式傳輸，經(jīng)過空中返回線回到生產(chǎn)線首工位。返回線除了完成滑橇的循環(huán)也有助于實現(xiàn)零件的緩存，與往復式傳輸線相比，因為要建設專門的滑橇返回線，所需空間較大，建造成本也較高。有的焊裝線受空間、成本限制，無法建造滑橇返回線，輥床-滑橇也可用作往復式傳輸。用于往復式傳輸時，當傳輸完成零件落入工位夾具上之后，滑橇不是在零件下方等待，而是繼續(xù)從零件的下方返回前一工位，準備進入下一個輸送循環(huán)，這樣就無需再建設專門的滑橇返回線。

由于各個輥床獨立升降，因此采用輥床-滑橇傳輸時，線體各工位長度可根據(jù)工藝設備布局需要自由選擇。通常，傳輸節(jié)拍在15 s以內(nèi)的升降輥床稱為高速升降輥床，多用于年生產(chǎn)綱領20萬輛以上的焊裝生產(chǎn)線。有些焊裝線，升降輥床的傳輸節(jié)拍甚至達到10 s以內(nèi)。

2.2.3 常見的輥床樣式

升降輥床是一種成熟的機械設備，不同廠家的設備產(chǎn)品結(jié)構原理近似，主要區(qū)別在于升降機構的傳動形式，據(jù)此可將升降輥床大致分為2類，雙塔式（圖3）和拉桿式（圖4）。

圖3 雙塔式升降輥床

圖4 拉桿式升降輥床

雙塔式升降輥床的升降機構由伺服電機驅(qū)動，兩端的塔通過渦桿-滾輪機構或者齒輪-齒條機構將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成上下直線運動，從而推動輥床臺面升降。拉桿式升降輥床的升降機構同樣由電機驅(qū)動，通過平行連桿機構帶動輥床臺面升降。某些較先進的拉桿式升降輥床配有蓄能機構，可有效減輕升降驅(qū)動電機的負荷，在降低設備制造和使用成本上優(yōu)勢明顯。

拉桿式升降輥床維護較為簡便，只需定期對其托輥、同步帶等定期點檢和維護。對于雙塔式升降輥床，其升降塔包含蝸桿、滾珠滑塊等零部件，需要定期潤滑，否則會影響使用壽命。需要將輥床升起進行檢查或維修時，一定要注意使用維修立柱，防止輥床突然下落傷人。

2.3 輥床-隨行夾具

2.3.1 輥床-隨行夾具傳輸形式的構成

輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)主要由輥床、隨行夾具等構成。與其它線體形式不同，其夾具隨車身零件在輥床上同步行走，因此成為隨行夾具。隨身夾具本身帶有氣缸等夾緊部件，零件固定其上，兩側(cè)的機器人可以直接進行工藝操作。因為夾具是隨工件行走的，因此生產(chǎn)線的柔性大大提高。圖5所示為輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)的構成。

隨行夾具上需要進行工藝操作，因此對其停止位置精度要求較高。通常，隨行夾具依靠編碼尺-讀碼器（圖6）自動實現(xiàn)準確定位，定位精度一般在0.3 mm以內(nèi)，足以滿足補焊、涂膠等工藝的需要。在主拼、沖孔等對零件位置精度要求高的工位，通常會對隨行夾具進行二次機械定位，常用的方式是使用升降輥床和下夾具，如圖7所示。升降輥床帶動隨行夾具下降，落入下夾具，下夾具的定位銷和夾緊器將隨行夾具準確定位并鎖緊。

圖6 編碼尺-讀碼器位置檢測

圖7 升降輥床-下夾具定位

2.3.2 輥床-隨行夾具輸送形式的應用

輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)多以體外循環(huán)的形式呈現(xiàn)，生產(chǎn)過程中，隨行夾具攜帶零件順次經(jīng)過各生產(chǎn)工位，在生產(chǎn)線的末端進入空中返回線?？罩蟹祷鼐€可設置隨行夾具存儲區(qū)，用來存放未生產(chǎn)車型的隨行夾具。這一系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢在于柔性化。首先，隨行夾具本身可以采用柔性化設計，可導通電氣介質(zhì)實現(xiàn)定位部件的自動切換，統(tǒng)一夾具可容納不同的車型；然后，生產(chǎn)線上夾具不固定，因此可配備多種隨行夾具以適應不同平臺車型的工藝需要。此外，相較于其它輸送形式，隨行夾具的傳輸過程省去了臺車升降的時間，輸送節(jié)拍更短，一般在6～8 s，尤其適用于高生產(chǎn)綱領的焊裝線，國外有公司建成高達80 JPH的焊裝線，就是采用輥床-隨行夾具輸送形式。

輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)的建造和使用成本較高，主要原因如下。

（a）為滿足隨行夾具的輸送和存儲的需要，往往需要建設大面積的空中返回線和存儲線，造成較高的前期投入；

（b）隨行夾具結(jié)構沉重，傳輸時需要較大驅(qū)動力，輥床的電機、同步帶等需要較高的規(guī)格，同時較大的負載也造成輥床的托輥、同步帶、定位機構等損耗較快，造成較高的維護成本；

（c）隨行夾具編碼尺-讀碼器位置精度要求高，控制系統(tǒng)成本較高。

建造和使用成本較高是限制輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)推廣使用的原因之一。此外，隨行夾具的運動給車身精度控制造成一定程度的不利影響。

2.4 其它傳輸設備

除上述輸送形式外，焊裝線常用的傳輸設備還有往復桿、桁架機械手、積放鏈、自動懸掛小車、皮帶輸送機等。

2.4.1 往復桿

往復桿（圖8）是經(jīng)典的焊裝傳輸形式之一，通過整體式滑橇的升降和水平往復運動，實現(xiàn)零件傳輸。常用的往復桿傳輸循環(huán)時間在20～30 s，部分產(chǎn)品能達到15 s左右。往復桿的結(jié)構樣式多種多樣，一般適用于工位數(shù)不多直線布置的場合。往復桿采用整體式滑橇，要求生產(chǎn)線的各工位間距相等，各工位缺乏緩存、柔性較弱，這使它的應用受限。

圖8 往復桿

2.4.2 積放鏈

積放鏈（圖9）俗稱Buffer或APC,是一種集緩存和輸送功能于一體的傳輸設備，在焊裝車間應用十分普遍。積放鏈主要用于自動線的人工上料口以及自動區(qū)間的零件傳輸。對于提高生產(chǎn)線的開動率及優(yōu)化人員成本等方面效果顯著。隨著積放鏈在焊裝車間的應用越來越普遍，國內(nèi)外的車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。

圖9 積放鏈

2.4.3 桁架機械手

不同于其它輸送形式，桁架機械手（圖10）布置在生產(chǎn)工位的上方。傳輸零件時，機械手先下降到位，抓取零件后上升，然后向前傳輸?shù)轿?，機械手再下降釋放零件。其優(yōu)點是下部工藝空間得以釋放，缺點是維修較為不便且價格較高。

圖10 桁架機械手

2.4.4 皮帶輸送機

皮帶輸送機（圖11）多用于車門等外表面件的傳輸，零件與皮帶直接接觸，防止刮傷。

圖11 皮帶輸送機

3 自動導引運輸車

自動導引運輸車簡稱AGV，在汽車行業(yè)的應用由來已久。白車身焊裝領域應用從最初的簡單料架轉(zhuǎn)運擴展到生產(chǎn)線傳輸應用。由于其靈活的布局方式打破了百年流水線格局使得焊裝島式布局成為可能。

3.1 AGV的結(jié)構形式

近年來AGV在焊裝領域種類繁多，按功能分為牽引型、承載行、裝配型、叉車型；按引導方式分為：磁導航、激光導航、慣性導航、視覺導航；按AGV驅(qū)動方式分為：單輪驅(qū)動、差速驅(qū)動、舵輪驅(qū)動。

絕大多數(shù)AGV小車都是由行走系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全傳感器及機體工作機構構成，圖12所示為牽引式AGV的結(jié)構示意。

圖12 牽引型AGV結(jié)構

3.2 AGV的行走機構

AGV行走機構有差速器式、舵輪式等，其中采用舵輪式行走機構的AGV能夠?qū)崿F(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)和任意方向行走，應用和布局較靈活，成本也較高，舵輪機構如圖13所示。

圖13 舵輪機構

3.3 AGV的導航系統(tǒng)

AGV的導航系統(tǒng)也有不同的樣式，例如磁導航式、色帶導航、二維碼導航、激光導航、慣性導航、視覺環(huán)境導航等。

目前，焊裝行業(yè)最常見的AGV導航為磁導航式（圖14）。需要在AGV的行走軌跡上鋪設磁條，用來引導其行走軌跡。磁條導航雖然使得AGV不能夠自由變換軌跡，但由于可靠性和應用環(huán)境等方面的原因，磁導航式仍是焊裝車間主流的導航形式。

圖14 磁條導航

二維碼導航（圖15）需要在AGV的活動區(qū)間內(nèi)遍布二維碼，能夠幫助AGV自由規(guī)劃運動路線，AGV的行走精度取決于二維碼的分布密度。但二維碼較易損壞或被灰塵遮擋，因此在焊裝車間很少應用。

圖15 二維碼導航

激光導航（圖16）是通過測量AGV上的激光發(fā)射端與不同標靶之間的距離計算出AGV的位置進而對其發(fā)出運動參數(shù)指令。采用這種導航，AGV的行走軌跡也不受限制，但需要保證AGV與標靶之間不被遮擋，因此適用于較空曠的應用場所。

圖16 激光導航

3.4 AGV的應用

AGV在焊裝車間最常見的應用形式是物料傳輸、夾具工裝切換、調(diào)整線傳輸。隨著AGV導航技術以及物流管控技術的進步，AGV的應用形式也越來越多。

3.4.1 物料傳輸

焊裝車間的物流是最早應用AGV場景，AGV拖曳料架在各分裝線間穿梭替代工人推料車的場景如圖17所示。

圖17 物料拖曳用AGV

3.4.2 工裝切換

由于柔性化的需求，AGV也被應用到工裝夾具的切換，配合精定位實現(xiàn)工裝的自動切換，圖18所示為工裝切換用AGV。

圖18 工裝切換用AGV

3.4.3 調(diào)整線傳輸

AGV由于其柔性和機動性，可以替代傳統(tǒng)調(diào)整線中板式鏈或者皮帶機的傳輸，圖19所示為調(diào)整線用AGV。

圖19 調(diào)整線用AGV

3.5 生產(chǎn)布局方式創(chuàng)新

隨著各種智能技術的引入以及控制技術的逐步成熟，有關AGV的應用創(chuàng)新越來越多，而其對生產(chǎn)布局方式的改變對工業(yè)技術的發(fā)展具有重要意義。由于AGV高度柔性化的行動軌跡，物料、工具的傳輸不再局限于傳統(tǒng)的單一直線傳輸形式，出現(xiàn)了離散島或矩陣式的布局方法。圖20所示為矩陣式生產(chǎn)布局，在這種布局中，物料的工藝線路不再固定，各工位的生產(chǎn)工具也能夠依靠AGV自動切換，對于適應汽車行業(yè)的定制化生產(chǎn)趨勢具有其它輸送形式不可比擬的優(yōu)勢。

圖20 矩陣式生產(chǎn)布局

4 結(jié)束語

作為生產(chǎn)線輔助設備，傳輸設備對生產(chǎn)線的節(jié)拍、自動化和柔性程度等方面有重要影響。從目前看，傳統(tǒng)的流水線式生產(chǎn)依然占據(jù)主導；新興的島式生產(chǎn)布局蓬勃發(fā)展，有后來居上之勢。未來無論生產(chǎn)方式如何演變，自動傳輸技術都是工業(yè)領域重要的研究課題。