一種新型的高節(jié)拍高柔性的汽車前蓋機(jī)器人滾邊設(shè)備

喬福龍 楊磊 農(nóng)明滿 勞世達(dá) 農(nóng)勝夫 段紹川

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

1 前言

家用轎車、MPV、SUV作為當(dāng)下中國(guó)乘用車市場(chǎng)銷量的佼佼者，在人們的日常交通出行中占據(jù)十分重要的地位，消費(fèi)者對(duì)于車身線條輪廓曲面的外觀造型也越來(lái)越重視。汽車門蓋一般為左右前門、左右后側(cè)門、尾蓋和前蓋，共計(jì)4門2蓋，汽車門蓋的覆蓋面積約占整個(gè)車身外觀的60%以上，承擔(dān)著車內(nèi)空間啟閉、窗框玻璃升降、實(shí)現(xiàn)外觀造型感知意圖的功能。其中車身制造過(guò)程中的車門包邊工藝對(duì)車門總成的強(qiáng)度、外觀造型感知影響尤為重要。

汽車門蓋包邊是常見的內(nèi)外板鈑金連接工藝，主要有專機(jī)包邊、壓機(jī)包邊、機(jī)器人滾邊3種形式。機(jī)器人滾邊工藝因其柔性化、機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、占地布局小的優(yōu)點(diǎn)，在車身制造行業(yè)中已得到廣泛運(yùn)用。本文以前蓋滾邊為例，主要從包邊工藝特點(diǎn)、產(chǎn)品造型特征對(duì)包邊工藝的要求、高節(jié)拍實(shí)現(xiàn)、高柔性實(shí)現(xiàn)4個(gè)方面進(jìn)行分析并提出一種高節(jié)拍高柔性包邊方案。

2 門蓋包邊工藝

2.1 包邊形式

機(jī)器人滾邊的產(chǎn)品截面形式主要有4種：正常包邊、水滴包邊[1]、楔邊包邊、半包邊，如圖1所示。正常包邊的輪廓包邊圓角R角與外板的R角半徑保持不變（R一般為1.0 mm）。為符合外凸物法規(guī)方面的要求，水滴包邊工藝在輪廓外凸區(qū)域進(jìn)行水滴狀終包邊，增大包邊R（R一般為2.5～3.5 mm），減小車門輪廓圓角對(duì)外界的傷害，一般常見在前蓋、前保險(xiǎn)杠區(qū)域。

圖1 包邊類型

2.2 滾邊工序

在機(jī)器人滾邊工藝中，一般分為預(yù)滾邊、終滾邊2道工序[2]，如圖2所示。

圖2 滾邊工序

2.3 滾邊工具

滾邊工具又稱滾頭，前蓋主要用到錐形滾頭和水滴滾頭2種，2種滾頭均內(nèi)置壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。滾頭與鈑金接觸的工作部分為滾輪，錐形滾頭的滾輪分為大柱面、錐面、小柱面3部分，分別負(fù)責(zé)預(yù)壓、主壓、小特征線主壓的任務(wù)。水滴滾頭為水滴包邊專用，其滾輪分為大柱面、水滴面、小柱面3部分，分別負(fù)責(zé)預(yù)壓、水滴狀預(yù)壓及主壓、小特征線過(guò)渡段的處理任務(wù)。

圖3 前蓋滾邊工具

2.4 產(chǎn)品零件對(duì)滾邊節(jié)拍提升的制約因素

2.4.1 翻邊角度及圓角

前蓋包邊形式中，正常包邊與水滴包邊由于受外板翻邊角度過(guò)大、水滴圓角變化[3]、前擋搭接處表面波浪因素的影響，會(huì)增加滾邊工序次數(shù)，對(duì)于滾邊工藝節(jié)拍的制約是最大的。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的工序分布如表1所示。結(jié)果表明翻邊角度≥105°，需增加要65°預(yù)壓[4]；包邊總成圓角與外板不一致，需要增加包邊圓角的預(yù)壓與主壓各1次。

表1 翻邊角度、包邊圓角對(duì)滾邊工序的要求

2.4.2 前蓋產(chǎn)品特征

以某車型為例，影響發(fā)蓋滾邊節(jié)拍的主要特征分為3類，如圖4所示。

圖4 某車型前蓋輪廓特征示意

小拐角特征：主要集中在前端水滴與正常包邊的過(guò)渡區(qū)圓角（圖4中A處）、輪廓小拐角（圖4中B處）、主特征線棱線與輪廓相交處（圖4中C處）。滾頭大、小柱面滾輪的直徑分別為φ17 mm、φ90 mm。小拐角直徑≤φ90 mm時(shí)，需要小滾輪進(jìn)行主壓處理，存在3～4 s的工具切換時(shí)間。

輪廓凸邊、凹邊處（圖4中E、F、G處）：工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，輪廓曲率半徑≤500 mm，機(jī)器人需要減速50%，軌跡點(diǎn)動(dòng)作指令定位類型由CNT100降低為CNT50，以保證滾邊路徑擬合與實(shí)際前蓋輪廓匹配，同時(shí)防止凸邊堆料、輪廓波浪問(wèn)題的出現(xiàn)[5]。

表面問(wèn)題易發(fā)區(qū)域（圖4中D處）：前擋區(qū)域易存在表面波浪、圓角不均的問(wèn)題，優(yōu)化方法為預(yù)壓次數(shù)由1次增加到2次[6]，將預(yù)壓翻邊角度變化控制在40°以內(nèi)，一序增加4～5 s。

綜上所述，外板零件的翻邊、輪廓特征、特征棱線、表面質(zhì)量問(wèn)題都會(huì)降低滾邊節(jié)拍。1個(gè)滾邊生產(chǎn)周期包括搬運(yùn)、滾邊工藝2大部分，如何降低搬運(yùn)、滾邊2部分的時(shí)間成為了提升節(jié)拍的難點(diǎn)所在。

2.5 產(chǎn)品零件對(duì)滾邊柔性生產(chǎn)的要求

在汽車市場(chǎng)產(chǎn)品快速迭代的浪潮中，車身造型是變化的重點(diǎn)區(qū)域，門蓋特征線、輪廓、曲面的造型更是體現(xiàn)新車型理念的最直觀元素。因此機(jī)器人滾邊設(shè)備需要提高柔性生產(chǎn)能力[7]。

滾邊工藝一般由上料、滾邊、下料3工位組成，滾邊設(shè)備按照其與產(chǎn)品關(guān)聯(lián)有無(wú)，可分為特性設(shè)備（與產(chǎn)品特征相關(guān)）和通用設(shè)備（與產(chǎn)品特征無(wú)關(guān)），特征設(shè)備包括上料臺(tái)、上胎模、下胎模、下料輸送裝置；通用設(shè)備包括機(jī)器人、滾頭、換模小車、換模過(guò)渡臺(tái)、圍欄。

通用設(shè)備[8]為一次性投入，并在各生產(chǎn)線之間實(shí)現(xiàn)設(shè)備平臺(tái)化，實(shí)現(xiàn)互換性。特性設(shè)備在滾邊島里的進(jìn)出切換是提高柔性生產(chǎn)能力的關(guān)鍵所在。

3 原有前蓋機(jī)器人滾邊工藝

3.1 原有某車型前蓋機(jī)器人滾邊工藝布局

如圖5所示，原有某車型前蓋機(jī)器人滾邊工藝布局分為3個(gè)工位，圖5上方2個(gè)加粗箭頭為上下胎模切換方向，圖5下方4個(gè)加粗箭頭為1個(gè)生產(chǎn)周期的零件流向。

圖5 原有某車型前蓋機(jī)器人滾邊島layout布局

3.2 原有前蓋滾邊島工作時(shí)序節(jié)拍

通過(guò)圖6數(shù)據(jù)分析，原有方案輸出節(jié)拍為81 s/臺(tái)，考慮車身線運(yùn)行效率為90%，實(shí)際輸出節(jié)拍由公式計(jì)算得出節(jié)拍為40 JPH。

圖6 原有某車型前蓋滾邊島工藝時(shí)序節(jié)拍分析

3.3 原有前蓋滾邊島生產(chǎn)節(jié)拍及車型柔性生產(chǎn)能力

3.3.1 生產(chǎn)節(jié)拍

一個(gè)周期里，R1機(jī)器人、R2機(jī)器人、R3機(jī)器人負(fù)責(zé)滾邊過(guò)程為55 s，R1滾邊前后搬運(yùn)時(shí)間分別占用了12 s、14 s，搬運(yùn)總計(jì)占用26 s，胎?？罩寐?2.1%。一個(gè)生產(chǎn)周期81 s，按90%的效率，節(jié)拍為40 JPH。其中滾邊工藝受柔性車型的造型以及表面質(zhì)量缺陷影響，很難縮短工藝周期，比如一些特征線的小拐角、水滴包邊、前擋處表面、輪廓雙棱線等，按照常見前蓋輪廓周長(zhǎng)，需50～60 s來(lái)完成滾邊工藝。而搬運(yùn)與零件的復(fù)雜程度關(guān)聯(lián)性很小，為節(jié)拍提升最大瓶頸，也是節(jié)拍提升的突破口。

3.3.2 柔性生產(chǎn)能力

原有的上料臺(tái)、分體式下料皮帶存在柔性局限性，方案如表2所示。

表2 原有某車型前蓋滾邊島柔性設(shè)備

4 新型前蓋機(jī)器人滾邊工藝

4.1 新型前蓋機(jī)器人滾邊工藝布局

如圖7所示，新型前蓋機(jī)器人滾邊工藝布局分為3個(gè)工位，圖7上方2個(gè)加粗箭頭為上下胎模切換方向，圖7下方4個(gè)加粗箭頭為1個(gè)生產(chǎn)周期的零件流向。新型前蓋機(jī)器人滾邊島3D模型如圖8所示。

圖7 現(xiàn)有某車型前蓋機(jī)器人滾邊島

圖8 新型前蓋機(jī)器人滾邊島3D模型

4.2 新型前蓋滾邊島工作時(shí)序節(jié)拍

通過(guò)圖9數(shù)據(jù)分析，新方案輸出節(jié)拍為68 s/臺(tái)，考慮車身線運(yùn)行效率90%，實(shí)際輸出節(jié)拍由公式計(jì)算為47.65 JPH。

圖9 新型前蓋滾邊島工藝時(shí)序節(jié)拍

4.3 新型前蓋滾邊島生產(chǎn)節(jié)拍及車型柔性生產(chǎn)能力

4.3.1 生產(chǎn)節(jié)拍

主要通過(guò)縮短搬運(yùn)時(shí)間實(shí)現(xiàn)節(jié)拍提升。一個(gè)周期里，滾邊過(guò)程由R1機(jī)器人、R2機(jī)器人、R3機(jī)器人、R4機(jī)器人負(fù)責(zé)，占用時(shí)間50 s。搬運(yùn)由R1機(jī)器人、R6機(jī)器人負(fù)責(zé)，R6機(jī)器人的搬運(yùn)時(shí)間不占用節(jié)拍。R1機(jī)器人滾邊前搬運(yùn)時(shí)間占用12 s，滾邊后抓取上胎模至上料等待位占用時(shí)間6 s，搬運(yùn)總計(jì)占用時(shí)間18 s，胎?？罩寐视晒剑?）計(jì)算得出。

式中，ω為胎?？罩寐?；T為生產(chǎn)周期；H為滾邊時(shí)間。經(jīng)計(jì)算，ω為26.47%。

一個(gè)生產(chǎn)周期68 s，按90%的效率，節(jié)拍為47.65 JPH。節(jié)拍預(yù)留方面，一個(gè)周期內(nèi)，R1機(jī)器人空置時(shí)間為44 s，R6機(jī)器人空置時(shí)間為54 s。預(yù)留了后續(xù)R1滾邊前涂膠[9]和R6機(jī)器人滾邊后焊接功能。

4.3.2 柔性生產(chǎn)能力

新舊方案的上胎模、下胎模的柔性功能實(shí)現(xiàn)方法是一致的。新方案增加了3臺(tái)機(jī)器人，增加了R6機(jī)器人的下料柔性抓手，同時(shí)對(duì)上料臺(tái)、下料輸送裝置進(jìn)行了柔性改造，以解決原有方案的局限性。方案如表3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

相較于原有方案，新型前蓋滾邊島的搬運(yùn)時(shí)間由26 s降低至12 s，滾邊時(shí)間由55 s降低至50 s，滾邊下胎?？罩寐视?2.1%降低至26.47%，生產(chǎn)節(jié)拍由40 JPH提升到47.6 JPH，為后續(xù)導(dǎo)入的車型預(yù)留了特殊造型的滾邊處理時(shí)間，同時(shí)上下料機(jī)器人預(yù)留了自動(dòng)涂膠、焊接功能，為以后自動(dòng)化升級(jí)節(jié)省了場(chǎng)地、改造成本[10]。柔性生產(chǎn)方面，實(shí)現(xiàn)了快速切換功能，極大提高特性設(shè)備與產(chǎn)品型面匹配的能力。方案落地已有2年時(shí)間，穩(wěn)定可靠地承擔(dān)著市場(chǎng)主力車型的量產(chǎn)任務(wù)。隨著5G大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，相信在車身制造的平臺(tái)化、柔性化、自動(dòng)化方面將會(huì)迎來(lái)更好的前景。