裝焊模塊化生產(chǎn)島的開發(fā)應(yīng)用

許小雷，田見，譚小松，于乃勇

北京福田戴姆勒汽車有限公司 北京 101400

目前汽車行業(yè)焊裝自動化及柔性化水平越來越高，為適應(yīng)市場需求，產(chǎn)品種類變化和更新?lián)Q代速度越來越快，企業(yè)在一次性投資完成之后，還要考慮持續(xù)的產(chǎn)品升級換代以及不間斷的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本。生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)時，為了應(yīng)對產(chǎn)品種類多樣化和同種產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，焊裝生產(chǎn)線布局形式較多，導(dǎo)致不同產(chǎn)品生產(chǎn)線布局都不相同。

生產(chǎn)線建設(shè)主要從以下三個原則進(jìn)行考慮：

（1）模塊化 不同類型的產(chǎn)品，裝焊生產(chǎn)的方式一般不同，例如前圍、側(cè)圍、頂蓋等分總成，生產(chǎn)方式一般是小型區(qū)域的機(jī)器人工作島、連成線體的滾床滑橇、線體兩端是機(jī)器人或者輸送設(shè)備（自動/半自動/手動）等。每種分總成的生產(chǎn)方式、生產(chǎn)區(qū)域及設(shè)備選型不盡相同。

（2）柔性化 不同類型的產(chǎn)品對應(yīng)的生產(chǎn)線，由于生產(chǎn)線布局不同、夾具形式不同及設(shè)備選型不同等因素，不同的生產(chǎn)線不能共用生產(chǎn)。同一條生產(chǎn)線，即使生產(chǎn)相同的產(chǎn)品，由于產(chǎn)品升級換代或者設(shè)計(jì)變更，可能也會造成生產(chǎn)線需要一定的改造才能生產(chǎn)升級或者換代的產(chǎn)品。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化 不同的作業(yè)單元，由于布局不同，設(shè)備品牌和選型、電氣標(biāo)準(zhǔn)及安全協(xié)議等均不盡相同。

常規(guī)設(shè)計(jì)時很難將上述三個原則完全考慮，會造成線體布局分散化、多樣化，沒有形成統(tǒng)一的模塊化線體布局，往往對生產(chǎn)維護(hù)、人員培訓(xùn)及突發(fā)事件處理等造成了很多障礙，使得二次開發(fā)成本、管理成本和維護(hù)成本居高不下。

傳統(tǒng)自動化生產(chǎn)單元布局形式

1.機(jī)器人工作站

工作站主要由焊接機(jī)器人、夾具和滑臺構(gòu)成，如圖1所示。優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，自動化程度高；缺點(diǎn)是柔性化程度低，可生產(chǎn)的產(chǎn)品種類少，相對投資高。

2.多工位生產(chǎn)線

這種生產(chǎn)線由2個及以上生產(chǎn)工位構(gòu)成，一般情況下為直線形布局，工位之間互相獨(dú)立。此布局優(yōu)點(diǎn)是形式簡單，缺點(diǎn)是占地面積大，模塊化及柔性化程度低、投資較低。如圖2所示。

圖2 多工位工作站

以上可得出，重型貨車行業(yè)焊裝領(lǐng)域急需一種模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化布局，滿足各類產(chǎn)品自動化生產(chǎn)，且占地面積小，柔性化程度高，可將焊裝生產(chǎn)線統(tǒng)一化的布局模型。

裝焊線模塊化生產(chǎn)島技術(shù)

1.工藝布局

相比傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)單元，北京福田戴姆勒汽車有限公司開發(fā)的重型貨車裝焊線生產(chǎn)島從模塊化、柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行了全新的定義和升級，其工藝布局如圖3所示。

圖3 模塊化焊接生產(chǎn)島工藝布局

2.系統(tǒng)組成

裝焊線模塊化生產(chǎn)島系統(tǒng)共有上料單元、下料單元、搬運(yùn)單元、焊接單元和控制單元五部分組成，各單元功能和介紹分別如下。

（1）上料單元 該系統(tǒng)有4個上料工位（根據(jù)情況可擴(kuò)展數(shù)量），均勻分布在直角三角形布局的兩個直角邊。每個上料工位有固定的支架，支架上放置機(jī)器人抓手（未放料時呈打開狀態(tài)）。操作工將工件放在抓手上，確認(rèn)好放置完整性和正確性之后退出工位。

（2）下料單元 該系統(tǒng)由2個下料工位組成（數(shù)量可拓展），在直角三角形布局的兩個銳角端頭。下料車為精定位料車，料車可由人工或AGV等不同方式輸送至其他工位。

（3）搬運(yùn)單元 搬運(yùn)單元由兩個機(jī)器人七軸和四臺機(jī)器人組成（R1、R2、R3、R4），每個七軸上配置2臺機(jī)器人，每臺機(jī)器人的型號一致。搬運(yùn)機(jī)器人在作業(yè)初始階段沒有任何終端執(zhí)行單元，僅有快換接頭。接收到作業(yè)指令之后機(jī)器人移動至上料工位，通過快換裝置與抓手連接，抓手夾緊，機(jī)器人通過抓手將工件托舉并移送至焊接區(qū)。兩個七軸呈垂直分布，長度一致（也可根據(jù)產(chǎn)品尺寸進(jìn)行拓展），形成直角三角形布局的兩個直角邊；四臺搬運(yùn)機(jī)器人可通過快換方式，放下抓手之后再連接焊槍，進(jìn)行焊接作業(yè)。

（4）焊接單元 焊接單元由兩臺機(jī)器人（R5和R6）和若干焊槍及修磨器、水汽單元等組成。搬運(yùn)機(jī)器人將工件搬運(yùn)至焊接區(qū)后，焊接機(jī)器人持相應(yīng)焊槍進(jìn)行焊接，焊接過程中實(shí)時調(diào)整作業(yè)姿態(tài)并更換焊槍。焊接單元在三角形布局的內(nèi)側(cè)，焊接機(jī)器人的位置一般為固定形式?？鞊Q焊槍、修磨器及水汽單元在機(jī)器人周邊布置，可被不同的機(jī)器人共用，以降低成本。

（5）控制單元 控制單元包含機(jī)器人控制柜、焊接控制器、一次側(cè)水汽接口及PDP柜等?？刂茊卧贾迷谌切尾季值牡走呂恢?，呈依次排布在圍欄外側(cè)。

3.工作流程

生產(chǎn)島工作流程為：抓手在上料工位（一般為4～5個，數(shù)量可擴(kuò)展），抓手打開→操作工將工件放置于抓手上，確認(rèn)→操作工離開工位，確認(rèn)→R1/R2/R3/R4與抓手連接（通過快換接盤）→通電、通氣，抓手夾緊→R1/R2/R3/R4抓舉工件，調(diào)整姿態(tài)，R5/R6焊接，R2/R3進(jìn)入下個循環(huán)→R1/R4作業(yè)完成，將工件放在下料車，進(jìn)入下個循環(huán)。

系統(tǒng)特點(diǎn)

針對新型模塊化生產(chǎn)島的特點(diǎn)進(jìn)行歸納，主要從模塊化、柔性化和標(biāo)準(zhǔn)化三方面進(jìn)行說明。

1.模塊化

重型貨車生產(chǎn)線的分總成生產(chǎn)單元一般是根據(jù)地板、前圍、左右側(cè)圍、后圍和頂蓋來進(jìn)行劃分，本文介紹的模塊化生產(chǎn)島的作業(yè)內(nèi)容覆蓋了地板、前圍、左右側(cè)圍、后圍及頂蓋等6個分總成的生產(chǎn)，每個分總成生產(chǎn)島的布局完全一致，僅機(jī)器人執(zhí)行端有差別。例如可以將部分焊槍更換成涂膠機(jī)、螺柱焊機(jī)、鉚接機(jī)等來生產(chǎn)不同的產(chǎn)品。

裝焊線生產(chǎn)島的模塊化主要體現(xiàn)以下四方面：

（1）上料工位模塊化 根據(jù)需要拓展數(shù)量和變更上料抓手。

（2）下料工位模塊化 根據(jù)需要拓展數(shù)量和變更下料臺車。

（3）輸送端模塊化 各個生產(chǎn)島的七軸和搬運(yùn)機(jī)器人都設(shè)定好了規(guī)格和型號，根據(jù)運(yùn)行距離可拓展七軸長度。

（4）執(zhí)行端模塊化 根據(jù)需要快速更換抓手、焊鉗等，無需線體改造。

2.柔性化

（1）產(chǎn)品柔性化 同一個生產(chǎn)島通過調(diào)整抓手和焊鉗，完全能夠生產(chǎn)不同種類的焊接分總成以及同一種焊接分總成不同的變體。

（2）工藝柔性化 同一個生產(chǎn)島可以集成不同類型的工藝，包含搬運(yùn)、點(diǎn)焊、MAG/MIG焊、涂膠、螺柱焊和鉚接等。

（3）生產(chǎn)柔性化 生產(chǎn)島內(nèi)的六臺機(jī)器人（見圖4），每2/3/4臺都可以聯(lián)合作業(yè)，同時所有的工件都可以在R1/R2/R3/R4之間傳遞，即R1和R2抓手上產(chǎn)品焊接完成后，R2上的產(chǎn)品直接由機(jī)器人進(jìn)行handshake （手遞手）傳遞至R1抓手上，再次進(jìn)行焊接，焊接完成后由R1放置在下料車上。同理，R3和R4之間也可進(jìn)行handshake，最后由R4焊接完成放置在下料車上。當(dāng)遇到較復(fù)雜的總成時，R3和R2之間也可進(jìn)行handshake操作，最高可以做到 R4→R3→R2→R1，由4臺機(jī)器人進(jìn)行handshake操作最后由機(jī)器人完成下件，從而避免操作者人工搬運(yùn)重零件。

圖4 模塊化焊接生產(chǎn)島

3.標(biāo)準(zhǔn)化

（1）尺寸標(biāo)準(zhǔn)化 各個生產(chǎn)島的布局尺寸完全一致。七軸、抓舉機(jī)器人、焊接機(jī)器人、上下料工位和控制單元等進(jìn)行了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的品牌和型號的選擇，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）選型標(biāo)準(zhǔn)化 各個生產(chǎn)島的七軸，抓舉機(jī)器人、焊接機(jī)器人、上下料工位及控制單元等，進(jìn)行了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的品牌和型號的選擇，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）控制標(biāo)準(zhǔn)化 各個生產(chǎn)島的PLC控制、電氣連接、焊接控制方式等約束條款完全一致，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）安全標(biāo)準(zhǔn)化 各個生產(chǎn)島的各個上下料口、人機(jī)交互的場景、維修空間的設(shè)定等都形成了統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)。

模塊化生產(chǎn)島的優(yōu)點(diǎn)

裝焊車間新型模塊化生產(chǎn)島在維護(hù)保養(yǎng)、線體布局、產(chǎn)能提升和員工培訓(xùn)方面均有很大的方便性。

（1）維護(hù)保養(yǎng)便利 每個標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)島的所有的設(shè)備的品牌和型號均一致（抓手和焊鉗的尺寸有所差異）。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，維修工程師處理的流程完全一致，不需要單獨(dú)做專門培訓(xùn)；設(shè)備零部件的更換均可互換，降低了維護(hù)保養(yǎng)的成本和周期。

（2）線體布局便利 模塊化的生產(chǎn)布局，生產(chǎn)島的輪廓尺寸為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，可以根據(jù)車間情況進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、增加及組合等進(jìn)行布局標(biāo)準(zhǔn)島的位置，為生產(chǎn)規(guī)劃布局提供便利性。如圖5所示，島1和島2通過中間傳輸進(jìn)行組合，將工件自動傳輸?shù)胶罄m(xù)工位，島3和島4為產(chǎn)品（產(chǎn)能）升級預(yù)留。

圖5 焊接生產(chǎn)島組合

（3）產(chǎn)能提升便利 當(dāng)需要提升某個（或多個）分總成的產(chǎn)能時，只需要復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)島即可（見圖5）；當(dāng)需要將某個標(biāo)準(zhǔn)島生產(chǎn)的產(chǎn)品更換為另外一種產(chǎn)品時，只需要更換抓手和焊鉗，并復(fù)制新產(chǎn)品程序即可完成切換，幾乎無需改造時間，降低改造成本。

（4）培訓(xùn)便利 針對工藝員、電氣工程師、機(jī)械工程師、操作工、維修工和安全管理員等的培訓(xùn)，僅完成一個生產(chǎn)島的培訓(xùn)內(nèi)容即可拓展到所有標(biāo)準(zhǔn)島的內(nèi)容，節(jié)省培訓(xùn)時間和成本。

結(jié)語

模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備在汽車裝焊行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用案例屢見不鮮，但是作為重型貨車車身分裝線內(nèi)集成并使用以形成柔性化程度較高的線體，本項(xiàng)目在國內(nèi)屬于首例。

在項(xiàng)目規(guī)劃前期，項(xiàng)目組成員充分調(diào)研了國內(nèi)外卡車焊接和機(jī)器人應(yīng)用的行業(yè)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)合理拆分焊接分總成的零件并合理選型設(shè)備是本項(xiàng)目要克服的重點(diǎn)。

本項(xiàng)目圍繞模塊化、柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化三個重心，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所有分總成焊接的自動化生產(chǎn)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，項(xiàng)目組也遇到了各類標(biāo)準(zhǔn)化難以統(tǒng)一的難題，并一一克服解決，為項(xiàng)目的順利實(shí)施積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。模塊化的生產(chǎn)島作為貨車分總成生產(chǎn)的一種全新的生產(chǎn)模式和理念，柔性化理念體現(xiàn)明顯，在車身產(chǎn)品升級換代時，可以為企業(yè)節(jié)約大量的改造時間和投入資金，為產(chǎn)品投放市場贏得了寶貴的時間。綜合這些優(yōu)點(diǎn)，模塊化的焊接生產(chǎn)島在載貨車乃至汽車白車身裝焊行業(yè)內(nèi)都具有很大的推廣價值。