混批式智能下車體制造中心集成開發(fā)

謝寧　黎琪　胡偉敏

摘 要：為滿足多樣化、差異化的市場需求，推動公司制造能力向數字化、網絡化、智能化方向轉型，提出混批式智能下車體生產線開發(fā)方案。該方案基于柔性生產理念，建立了車架調配中心;設計出“風火輪”結構式工裝夾具;又提出一種“三點法”虛擬仿真程序用于焊點定位，提高了現場仿形效率，最后設計了同平臺以及跨平臺夾具兼容與切換方案。結果表明該開發(fā)方案很好的實現了單一生產線生產多個車型需求。

關鍵詞：柔性生產 生產線 焊點軌跡仿形 工裝夾具

1 引言

隨著經濟和社會的快速發(fā)展，市場的需求也在不斷發(fā)生變化，消費者需求越來越個性化、差異化，使當今的制造業(yè)正逐漸向多品種、小批量、用戶定制、能夠迅速響應市場變化等方向發(fā)展[1]。又有“工業(yè)4.0”概念的提出，意味著對生產線進行改進、建立一個高度個性化和數字化的產品與服務的生產模式已是制造業(yè)謀求發(fā)展的必經之路[2]。如文獻[3]提到的日本豐田汽車公司的精益生產體系很好的滿足了多樣化的市場需求，國內眾多企業(yè)對精益生產的應用也越來越廣泛。柔性生產作為精益生產的新動向，是根據客戶訂單和市場需求預測組織生產的一種先進生產方式，這一生產方式能大大降低生產成本、縮短生產周期，增強企業(yè)的靈活性和應變能力[4]。

目前已有許多學者對柔性生產進行了研究和應用，文獻[5]研究了柔性生產下如何保持生產物流平衡的策略問題，文章指出使物流保持平衡是柔性生產物流管理中非常重要的工作。文獻[6]研究柔性生產中人員調度問題，提出一種有效遺傳算法得到最優(yōu)的人員調度方案。文獻[7]研究了飛機柔性裝配技術，應對個性化生產帶來準備周期過長的問題，同時提高裝配效率。文獻[8]建設柔性橋殼生產線，滿足了生產過程中高質量、高效率、低成本的要求。文獻[9]設計了一條生產汽車底盤零件的柔性生產線，以適應汽車零件的更新速度。文獻[10]設計了汽車前軸焊接柔性生產線的生產工藝，以提高產品的更新速度。

鑒于柔性生產理念在各制造領域應用的成功，針對上汽通用五菱現場車身車間生產線的建設，為了推動公司制造能力向數字化、網絡化、智能化方向轉型，打造“上汽通用五菱特色制造模式”，助力公司及汽車制造行業(yè)向智能制造發(fā)展，本文提出混批式智能下車體制造中心集成開發(fā)方案。

2 生產線的工藝流程設計

工藝流程指通過一定的生產設備或管道，從原材料投入到成品產出，按順序連續(xù)進行加工的全過程，本章將從生產線布局和生產線BOP兩方面介紹生產線的工藝流程。

2.1 生產線布局

車架中心的設計采用的是“回字型”的形式（見圖1），后續(xù)可以通過在預留的場地增加工位及相應的機器人，可以將節(jié)拍進行提升。

A/B面布局是為了提高整條生產線的生產節(jié)拍，同時預留空間進行后續(xù)C/D面導入;A/B/C/D面不僅可以實現節(jié)拍提升，同時也可以進行多車型進行混流生產。

2.2 生產線BOP

根據不同車型的產品結構，實現不同車型標準化的BOP分塊（見圖2），按照工藝布局圖，建立標準化的開發(fā)規(guī)范，編制工藝規(guī)劃和工藝設計相關企業(yè)標準，可以極大地提高了車身焊裝線的開發(fā)效率和開發(fā)質量。

3 基于柔性生產及自動化理念的技術開發(fā)

生產線的柔性主要通過建立車架調配中心和設計風車輪夾具結構實現，通過這兩點可以實現同一車間不同生產線生產車型的任意匹配，又提出機器人軌跡虛擬仿真的自動校正，提高了焊接工序的自動化，縮短接近30%的開發(fā)周期。

3.1 車架調配中心的建立

實現車架中心的自動化及柔性化改造，主要是通過車架中心調配中心的建立，將所有車架中心總成全部集中到調配中心，針對不同車型的白車身代碼，通過掃碼設備進行掃碼確認條形碼，確認車架的相關配置及車型，通過FRID進行設備跟蹤，通過分配中心系統(tǒng)，確認車架的運動路線，與對應的主線進行對接、匹配。從而完成車架中心與主線之間車型匹配的1對多或者多對1，實現同一車間不同生產線生產車型的任意匹配，如圖3所示。

3.2 機器人軌跡虛擬仿真的自動校正

機器人在進行現場軌跡仿形中（見圖4），會對虛擬軟件中對每臺機器人的焊點、運行軌跡或者抓取軌跡進行合理分配，保證焊槍選型的正確性，同時確認其運行軌跡不存在干涉、每個車架中心的焊點可達，確認整個設備以及配套設備的安裝點，而在設備安裝中，由于設備的安裝基準的誤差以及設備的累積安裝誤差，導致及設備與虛擬軟件中的設備存在一定的差異性，導致在現場仿形中，其焊點及運行軌跡需要再次優(yōu)化及確認，影響現場仿形的效率。

為了提高焊接的自動化效率，本文提出“三點法”仿真程序用于焊點的坐標定位，其基于在仿真環(huán)境內統(tǒng)一機器人用戶坐標系至產品原點坐標系，使得焊點位置數據具有唯一性;通過robotguid進行仿真交付3點小程序和合格的車型離線程序，及三個工裝基準點截圖說明?，F場的機器人工程師示教3點小程序，偏移后把P[4]誤差輸入EXCEL公式計算表（見圖5），直接得出現場真實產品原點坐標系，覆蓋離線程序所使用的UserFrame，再次運行仿真交付的3點小程序驗證OK。機器人直接運行仿真車型離線程序，驗證軌跡。

同時離線程序高精度還原焊點位置及焊點間距，可以基本消除因人為畫點出現的位置誤差;大大降低因焊點位置問題導致的焊點質量提升的頻次，避免人力、物流浪費、提升項目造車效率，縮短爬坡時間，對于后續(xù)新產品的導入也可以縮短時間。

3.3 風火輪式夾具結構的開發(fā)

“風火輪”式夾具是一種新型旋轉夾具，集成多種夾具實現可旋轉式切換，相比國內外常采用的線旁多夾具模式和滑臺式模式，雖然整體模塊較大，但投資成本較低，同時切換簡單。

圖6展示了線旁輔助切換機構，它是對旋轉夾具進行定位單元切換的輔助機構，放置車架制造中心切換工位兩側，主要包括推動氣缸、伺服電機、旋轉軸、鎖緊氣缸、解鎖氣缸。其中推動氣缸的作用是推動伺服電機與旋轉軸進與出，推動氣缸采用自鎖氣缸，自鎖氣缸可以保證氣缸前進或者后退到位后產生自鎖，從而避免機構誤動作而產生的安全隱患;伺服電機的作用是可以利用程序精確控制旋轉軸回轉運動，實現旋轉機構角度的精確控制;旋轉軸是帶動旋轉機構回轉運動的部件，端頭設計有嚙合塊是為了與旋轉機構上的回轉盤嚙合，實現力的傳遞;鎖緊氣缸的作用是自鎖機構在打開狀態(tài)且旋轉機構回轉動作完成后使旋轉機構鎖緊，氣缸頭處設計有撞塊，其與自鎖機構鉸鏈直接發(fā)生碰撞;解鎖氣缸的作用是打開自鎖機構，與鎖緊氣缸一樣氣缸頭處設計有撞塊，其與自鎖機構鉸鏈直接發(fā)生碰撞。

“風火輪”式夾具的夾具切換過程可分為8個步驟，如圖7所示。

3.4 同平臺以及跨平臺夾具兼容與切換方案

這一節(jié)將分別介紹不同平臺以及同平臺切換生產車型時切換夾具工裝的方式，指出柔性合拼工裝、輸送線的改進。

3.4.1 不同平臺的車型切換

MC10工位設計為滑臺形式（見圖8），分為地面滑軌機構、滑臺機構、滑臺上的工裝部分以及切換小車。工裝部分通過定位銷、快速夾緊器固定為滑臺機構上。當需要切換車型時，將工裝部分與滑臺機構脫離，并轉移至切換小車，然后推走，將另一車型的工裝部分推上滑臺機構。

3.4.2 同平臺的不同車型切換

同平臺車型差異表現在前輪罩的差異，比如前懸單點安裝式與三點安裝式（見圖9）。對于整個工裝滑臺，只需要對輪罩定位的相關工裝進行柔性切換就可以了，采用杰根斯球鎖機構進行快速定位與夾緊（見圖10）。球鎖機構是為機床夾具開發(fā)的專用機構，重復定位精度達±0.013mm，機床夾具板切換時間僅一兩分鐘。其重復定位精度、抗沖擊性能可以滿足焊接工裝需求。

3.4.3 柔性合拼工裝、輸送線

有圖11可以看出柔性合拼工裝、輸送線的基本結構，它采用往復式輸送，與我們之前的往復桿輸送的區(qū)別在于：這種輸送方式車身零件的Z向零位移，即輸送的零件不被舉升，從而優(yōu)化了輸送的穩(wěn)定性，節(jié)省了往復輸送的掃掠空間。其中間輸送托架能獨立升降280mm，線旁主定位可獨立升降350mm，且合拼線采用前后平移車身坐標系的方式進行柔性切換：

1、在兩種車型主定位X向能相互錯開的情況下，直接增加線旁升降主定位;

2、當兩種車型主定位X向不能相互錯開時，前后平移車身坐標新350mm，再增加線旁升降主定位。

4 結語與展望

混批式智能下車體制造中心集成開發(fā)很好的實現了單一生產線生產多個車型需求，目前上汽通用五菱新建下車體制造中心線都采用此類結構，不僅帶來了相應的經濟效益，也推動汽車行業(yè)的制造呈現多樣化發(fā)展。

然而由于目前規(guī)劃車型越來越多，同時老車型退市后也要保持配件生產，風火輪式夾具結構兼容數量很快即將達到上限，需要考慮旋轉夾具臺的整體切換。并且由于到各車型的切換夾具種類較多，且占地較大，后續(xù)還需要優(yōu)化夾具切換種類，便于后續(xù)維修及車間管理，同時對夾具場地問題進行統(tǒng)一規(guī)劃。

基金項目：廣西科技重大專項（桂科AA18118040）;柳州市科技計劃（2018AD50301）。

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