焊裝手動(dòng)線自動(dòng)化柔性改造方案

摘 要：焊裝車間手動(dòng)生產(chǎn)線工人較多，用工成本高，且零件焊接質(zhì)量一致性受工人影響;本文介紹一種手動(dòng)生產(chǎn)線利舊夾具改造為自動(dòng)化柔性焊接島的方案;改造后只需取放件工人，降低了人工成本并提高了焊接質(zhì)量一致性。同時(shí)，焊接島可多車型批量切換生產(chǎn)，并為后期升級(jí)預(yù)留接口。

關(guān)鍵詞：日系氣控夾具 手動(dòng)生產(chǎn)線 柔性焊接島 地面精定位機(jī)構(gòu) 焊裝

Abstract：Too many workers in manual line rise cost in body welding plant， and welding quality conformance is affected. A proposal how to optimize the manual line to flexible welding station with recovered fixtures is introduced in this paper. Only loading and unloading workers are needed after retooling， whereby manpower cost is reduced and welding conformance is increased.， Meanwhile， different car models can be changed by batch， a prediction requirement is protected for future as well.

Key words：Japan pneumatic fixture，manual line，flexible welding station，positioning system on the ground，body welding

1 引言

汽車主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商焊裝車間內(nèi)的手動(dòng)生產(chǎn)線需要較多的操作工人，用工成本高，且工人操作影響焊接的一致性。手動(dòng)焊鉗操作強(qiáng)度大、工作環(huán)境差以及周邊環(huán)境配套少使得工人不愿進(jìn)入車間工作，企業(yè)不得不用更高的待遇吸引工人。手工焊鉗重量一般為幾十公斤到百公斤，工人每天、每個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍重復(fù)操作焊鉗工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。焊接車間焊接飛濺和粉塵較多[1]，工人工作環(huán)境較差。且汽車主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商一般在郊區(qū)，娛樂等配套設(shè)施較少，工人生活質(zhì)量不高。因此，追求舒適工作環(huán)境的工人不愿進(jìn)入焊裝車間工作。同時(shí)，疫情前期的復(fù)工率不高，部分工廠甚至出現(xiàn)停產(chǎn)情況。此外，由于生產(chǎn)線有工人參與生產(chǎn)，操作受人為因素干擾，零件焊接質(zhì)量一致性無(wú)法得到保證[2]。

為改善生產(chǎn)現(xiàn)狀，汽車主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商可對(duì)手動(dòng)生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化柔性改造，減少人工。且隨著機(jī)器人、焊鉗焊機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，成本進(jìn)一步降低，為生產(chǎn)線改造奠定了基礎(chǔ)。

2 生產(chǎn)線改造分析

手動(dòng)線自動(dòng)化柔性改造一般新建多個(gè)自動(dòng)化柔性焊接島，工人按照工藝順序上件后，機(jī)器人在每個(gè)節(jié)拍自動(dòng)循環(huán)焊接。在滿足節(jié)拍的前提下，機(jī)器人可同時(shí)焊接多臺(tái)夾具。每個(gè)焊接島由通用設(shè)備和專用設(shè)備組成，其中通用設(shè)備可以直接采購(gòu)，專用設(shè)備需要新制或改造。通用設(shè)備由焊接機(jī)器人、焊鉗焊機(jī)、修磨器、電氣控制系統(tǒng)、安全防護(hù)設(shè)備等組成，如圖1所示。專用設(shè)備為夾具，不能直接利舊，這是由它的結(jié)構(gòu)決定的。手動(dòng)生產(chǎn)線夾具一般為日系氣控夾具，由氣缸（圓缸、不帶磁環(huán)）、氣缸連接件組成定位夾緊單元，多組定位夾緊單元安裝在夾具Base板上組成夾具機(jī)械本體，Base板上安裝有腳輪，一般為2個(gè)固定輪和2個(gè)萬(wàn)向輪，便于移動(dòng);氣缸上連接出、進(jìn)氣氣管，控制氣缸打開、夾緊，相同打開、夾緊動(dòng)作順序的定位夾緊單元?dú)飧淄ㄟ^主氣路氣管接入同一閥片;設(shè)計(jì)邏輯氣路控制不同閥片，由工人操作控制臺(tái)邏輯氣路按鈕控制，氣路和閥片組成夾具控制系統(tǒng)，如圖2所示。根據(jù)夾具結(jié)構(gòu)，日系氣控夾具控制系統(tǒng)無(wú)法同電控夾具控制系統(tǒng)一樣，與電氣控制系統(tǒng)PLC（Programmable Logic Controller可編輯邏輯控制器）通信，實(shí)現(xiàn)夾具信號(hào)傳遞。由于改造的手動(dòng)生產(chǎn)線一般為現(xiàn)已上市的量產(chǎn)車型生產(chǎn)線，為保證焊接總成的尺寸及焊接質(zhì)量，減少投資并縮短調(diào)試周期，快速恢復(fù)生產(chǎn)，所以建議利舊日系氣控夾具，對(duì)其改造。

3 夾具改造方案

3.1 如何將日系氣控夾具控制系統(tǒng)利舊改造為“電控夾具”控制系統(tǒng)

（1）根據(jù)改造的夾具需要焊接到一起的零件數(shù)量，增加相應(yīng)數(shù)量的零件檢測(cè)接近開關(guān)，檢測(cè)工人上件零件數(shù)量是否正確，防止漏件;檢測(cè)零件是否在正確位置;接近開關(guān)通過開關(guān)支架安裝在夾具機(jī)械本體上，通過I/O（Input/Output）線接入接線盒端子，傳輸檢測(cè)信息。

（2）根據(jù)改造的夾具定位夾緊單元打開、夾緊動(dòng)作組數(shù)，增加相應(yīng)數(shù)量定位夾緊單元?dú)飧状蜷_、夾緊到位檢測(cè)接近開關(guān)。接近開關(guān)通過支架安裝在夾具機(jī)械本體上，檢測(cè)氣缸打開、夾緊狀態(tài)，每組打開、夾緊定位單元檢測(cè)接近開關(guān)通過I/O線接入夾具上的接線盒端子。接線盒端子連接harting母端側(cè)，夾具h(yuǎn)arting母端側(cè)通過與電氣控制系統(tǒng)PLC側(cè)連接的harting公端側(cè)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)PLC與夾具的遠(yuǎn)程通信。若日系氣控夾具前期設(shè)計(jì)氣缸選型為電控缸（圓缸、帶磁環(huán)），增加外置式傳感器及其連接件檢測(cè)氣缸打開、夾緊狀態(tài)即可，并將外置式傳感器I/O線接入接線盒端子，如圖3所示。當(dāng)切換車型生產(chǎn)，需切換夾具時(shí)，工人拔出與PLC連接的harting公端側(cè)，斷開與原夾具h(yuǎn)arting母端側(cè)，連接需切換夾具h(yuǎn)arting母端側(cè)。由此，日系氣控夾具控制系統(tǒng)改造無(wú)需新增控制電控夾具的閥島，無(wú)需將氣控缸更換為電控缸，降低改造成本。

3.2 如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化柔性焊接島專用夾具切換

（1）改造專用夾具base板下部機(jī)構(gòu)，即改造夾具側(cè)定位機(jī)構(gòu)。將原用于夾具移動(dòng)的固定輪和萬(wàn)向輪（如圖2所示）改造為導(dǎo)向輪，共2組4個(gè)，對(duì)夾具的XZ方向限位;增加V型限位塊，對(duì)夾具的Y方向限位。

（2）設(shè)計(jì)對(duì)夾具側(cè)定位機(jī)構(gòu)的定位機(jī)構(gòu)，并將其安裝固定在地面上，即地面精定位機(jī)構(gòu)。地面精定位機(jī)構(gòu)框架安裝在地面上，導(dǎo)向輪導(dǎo)軌安裝在框架兩側(cè)，V型限位塊及其夾緊機(jī)構(gòu)安裝在框架內(nèi)部。地面精定位機(jī)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，適用于不同車型專用夾具定位。當(dāng)將夾具推入地面精定位機(jī)構(gòu)，在XYZ三個(gè)方向限位后，地面精定位機(jī)構(gòu)上2組限位塊夾緊機(jī)構(gòu)氣缸夾緊，保證定位準(zhǔn)確，如圖3所示。夾具側(cè)定位機(jī)構(gòu)與地面精定位機(jī)構(gòu)配合，保證夾具切換后的定位精度及重復(fù)定位精度，滿足機(jī)器人自動(dòng)焊接的精度要求。

生產(chǎn)線改造后生產(chǎn)時(shí)，工人從料箱內(nèi)取出需要焊接到一起的各個(gè)零件，并按照工藝順序上件到定位夾具上，零件檢測(cè)接近開關(guān)到位;工人操作氣路控制按鈕，夾具夾緊，氣缸打開、夾緊檢測(cè)接近開關(guān)到位，自動(dòng)化柔性焊接島程序啟動(dòng)焊接。焊接完成后，工人操作氣路控制按鈕，打開夾具，取出本工位零件，每個(gè)節(jié)拍重復(fù)生產(chǎn)。切換車型生產(chǎn)時(shí)，將原車型夾具推出，將所需切換車型夾具推入并定位，選擇切換車型控制程序，即可進(jìn)行新車型生產(chǎn)。

當(dāng)多種車型切換生產(chǎn)時(shí)，由于夾具較多，車間內(nèi)需配置夾具切換存儲(chǔ)場(chǎng)地。當(dāng)某車型EOP（End of production停產(chǎn)）后，將其夾具從自動(dòng)化柔性焊接島推出報(bào)廢即可。當(dāng)某新車型投產(chǎn)，新車型夾具可設(shè)計(jì)為電控夾具，利舊自動(dòng)化柔性焊接島通用設(shè)備。

4 結(jié)論與展望

手工線改造為自動(dòng)化柔性焊接島后，生產(chǎn)時(shí)工人只需完成車身零件的上件和焊接后的取件工作，機(jī)器人代替工人手持焊鉗焊接，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了汽車主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商對(duì)工人的需求，同時(shí)提高了焊接質(zhì)量一致性。

隨著自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展，汽車主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商對(duì)生產(chǎn)線自動(dòng)化需求將越來(lái)越多。例如潛在的需求，在自動(dòng)化柔性焊接島車型切換時(shí)，可采用MES（Manufacturing execution system 制造執(zhí)行系統(tǒng)）信息傳遞，在MES中輸入所需切換車型信息，AGV（Automated Guided Vehicle自動(dòng)導(dǎo)引小車）將原車型夾具自動(dòng)推出，將從夾具存儲(chǔ)區(qū)輸送來(lái)的新車型夾具自動(dòng)推入地面精定位機(jī)構(gòu)。又例如，多個(gè)自動(dòng)化柔性焊接島可根據(jù)焊接島內(nèi)車身件物流等相關(guān)工藝信息，新增搬運(yùn)機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備，由自動(dòng)化焊接島串聯(lián)為自動(dòng)化生產(chǎn)線等等。自動(dòng)化柔性焊接島前期設(shè)計(jì)可預(yù)留接口，便于后期根據(jù)需求進(jìn)一步升級(jí)改造。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介

王賀炳：（1984.08—），男，漢族，河北省邢臺(tái)人，本科，方案工程師。主要研究方向：焊裝白車身生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)。