基于精益化的汽車(chē)頂蓋無(wú)人焊接產(chǎn)線設(shè)計(jì)

李林、韋俊尤、劉杰

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

隨著汽車(chē)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人產(chǎn)線的應(yīng)用得到了更多的普及。尤其在汽車(chē)制造的焊裝車(chē)間，大多數(shù)汽車(chē)生產(chǎn)廠家在焊接、涂膠和搬運(yùn)等作業(yè)時(shí)，通常都由機(jī)械手完成，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和汽車(chē)焊裝的精準(zhǔn)度。其過(guò)程也做到了無(wú)人化生產(chǎn)，但投資成本也比較高。隨著產(chǎn)品多品種、小批量、定制化的生產(chǎn)模式需求越來(lái)越迫切，對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線提出了更高的要求，同時(shí)也對(duì)企業(yè)的制造成本提出挑戰(zhàn)。因此，低成本、精益化的無(wú)人產(chǎn)線建設(shè)也愈發(fā)重要[1]。

1 汽車(chē)頂蓋分拼焊裝產(chǎn)線的現(xiàn)狀

目前很多汽車(chē)制造企業(yè)都積極引入智能機(jī)器人來(lái)提高生產(chǎn)效率[2]，其中焊接生產(chǎn)線大部分都已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接作業(yè)。盡管如此，許多分總成生產(chǎn)線依然保留了人工操作加機(jī)器人作業(yè)的模式，頂蓋分拼就是如此，其焊接產(chǎn)線一般以分總成線的形式布置在主線旁。

1.1 汽車(chē)頂蓋分拼焊裝產(chǎn)線簡(jiǎn)介

汽車(chē)頂蓋分拼產(chǎn)線主要生產(chǎn)汽車(chē)白車(chē)身的頂蓋總成，其工藝過(guò)程包括物料配送、零件抓取、搬運(yùn)、涂膠、定位、電阻點(diǎn)焊和螺柱焊接等。頂蓋分拼主要有以下2 種工藝形式（圖1）。

圖1 汽車(chē)頂蓋的兩種工藝模式

一種是在主線直接焊接，即頂蓋橫梁等焊接作業(yè)在主線上集成，頂蓋外板以單件的形式配送至主線裝配焊接。

另一種是頂蓋分總成的形式。頂蓋外板以及橫梁在主線外部的單獨(dú)產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，頂蓋外板以及橫梁等物料通過(guò)人工拖車(chē)從沖壓或者外協(xié)件緩沖區(qū)拖運(yùn)至線旁；線旁再由工程操作吊具或者人工拿取吊裝至焊接工裝上進(jìn)行焊接。焊接后再放至頂蓋分總成料框，由人工推送至主線上線口進(jìn)行裝配焊接。

1.2 汽車(chē)頂蓋分拼產(chǎn)線現(xiàn)狀

目前大多數(shù)汽車(chē)廠的頂蓋焊接分拼線為模式2，主要為人工配合機(jī)器人作業(yè)的方式（圖2）。焊接、搬運(yùn)等工藝過(guò)程多由機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，但由于零件的配置種類(lèi)多、零件形狀尺寸不一等問(wèn)題，導(dǎo)致其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化需要的設(shè)備投入成本較高。所以，頂蓋分拼線物料的轉(zhuǎn)運(yùn)、零件的拿取安裝等作業(yè)過(guò)程仍然需要人工進(jìn)行操作，導(dǎo)致整個(gè)頂蓋分拼產(chǎn)線的人員需求多，產(chǎn)線人工運(yùn)營(yíng)成本居高不下。同時(shí)，人工涂膠和焊接容易出現(xiàn)零件錯(cuò)漏裝、漏涂膠以及涂膠位置偏移等質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性存在較大的影響。由于存在以上各種復(fù)雜的情況，頂蓋生產(chǎn)過(guò)程全場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)區(qū)需要克服許多難題。

圖2 頂蓋分拼焊接線現(xiàn)狀

2 汽車(chē)頂蓋分拼產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)無(wú)人化的阻礙

2.1 建設(shè)頂蓋無(wú)人產(chǎn)線投資成本高

頂蓋分拼作為白車(chē)身的一個(gè)分總成線，通常布置在主線主拼線附近的位置，由于場(chǎng)地的限制，一般要求3～4 個(gè)工位即完成所有的作業(yè)。如果按常規(guī)全部實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)線，其工作場(chǎng)地面積需要占到2 倍的產(chǎn)線布置面積。同時(shí)由于頂蓋橫梁、行李支架和螺柱焊銷(xiāo)釘?shù)攘慵臄?shù)量較多，裝件、涂膠、焊接和搬運(yùn)等往往需要5～6 個(gè)拼臺(tái)才能完成全部工序，對(duì)于機(jī)器人的需求數(shù)量也會(huì)在10 臺(tái)以上。這對(duì)于整個(gè)產(chǎn)線需要配套的集成規(guī)模也越來(lái)越龐大，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)線投資成本高，產(chǎn)線的投資回報(bào)率較低。

2.2 零件品種多，柔性難度大

頂蓋分拼產(chǎn)線往往需要柔性生產(chǎn)4～5 種車(chē)型，每種車(chē)型的頂蓋配置一般有2～3 種，組合下來(lái)每條線至少需要滿足8 種以上的頂蓋分總成柔性生產(chǎn)，柔性能力要求高。同時(shí)，每種車(chē)型有4～7 種橫梁，需要柔性的橫梁數(shù)量至少有30 種，而且每種零件的尺寸、定位銷(xiāo)孔的間距以及高度差都不一致。橫梁布置有涂膠凹槽，造型凹槽面開(kāi)設(shè)有安裝孔，抓取的同時(shí)進(jìn)行涂膠。另外，零件抓取面小，通過(guò)常規(guī)的柔性抓手采用夾具以及電磁吸盤(pán)或氣動(dòng)小吸盤(pán)，都很難滿足其功能需求。這要求零件的抓取和定位系統(tǒng)能夠隨時(shí)調(diào)整，進(jìn)行零件定位的切換[3]，需要開(kāi)發(fā)有不同的定位工裝和抓取裝置，切換時(shí)間長(zhǎng)，投資成本高。

2.3 零件數(shù)量多，工藝布置高度集中

在頂蓋分拼產(chǎn)線中，需要在一個(gè)9 m2左右工位上完成7 根橫梁的安裝、涂膠和焊接。由于橫梁尺寸定位不一致，每次只能安裝1 根橫梁，加上機(jī)器人的占位空間較大，左右兩側(cè)機(jī)器人存在干涉無(wú)法同時(shí)安裝零件，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)線的裝件節(jié)拍和空間都存在較大的浪費(fèi)。同時(shí)，零件在料框中無(wú)規(guī)則擺放，機(jī)器人從料框中無(wú)法直接取料，需要每個(gè)零件單獨(dú)開(kāi)發(fā)專用的精準(zhǔn)料框，零件的包裝數(shù)量減少，料框占據(jù)空間大，運(yùn)輸成本和投資成本都會(huì)增加。

3 無(wú)人化汽車(chē)頂蓋焊接產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)線存在的問(wèn)題，在充分考慮產(chǎn)品制造質(zhì)量穩(wěn)定可靠以及最低投資成本的基礎(chǔ)上，本研究結(jié)合企業(yè)車(chē)間特征，先對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行精益化的改造，再通過(guò)線體仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)線的可行性分析以及時(shí)序分析[4]，從而設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)多品種產(chǎn)線柔性生產(chǎn)并具備45JPH 的產(chǎn)品輸出能力的焊接產(chǎn)線。

3.1 精益化設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)線成本

3.1.1 產(chǎn)線機(jī)器人線平衡分析

按照頂蓋的工藝流程進(jìn)行產(chǎn)線設(shè)計(jì)，初始無(wú)人線體設(shè)計(jì)為直線型（圖3），從頂蓋外板零件上件到下線裝框共需要布置11 臺(tái)機(jī)器人。對(duì)機(jī)器人的線平衡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得出（圖4），整線機(jī)器人的線平衡率低，機(jī)器人利用率只有70%左右。尤其是4臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人和螺柱焊機(jī)器人，其周期時(shí)間（Cycle Time）只利用到了線速時(shí)間的50%，存在極大的浪費(fèi)。

圖3 直線型頂蓋分拼無(wú)人產(chǎn)線

圖4 頂蓋分拼線體機(jī)器人線平衡數(shù)據(jù)

3.1.2 U 字形無(wú)人線體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)線體布局的變更優(yōu)化，將原來(lái)的布局方案進(jìn)行優(yōu)化[5]，采用U 字型的布局方式（圖5），將工藝操作相同的機(jī)器人盡可能地整合，并參照沖壓端拾器的抓取方式，設(shè)計(jì)一種輕便的通用型抓手。抓手的質(zhì)量減輕至50 kg 以下，既可以抓取外板，又可以抓取工序件，用單臺(tái)210 kg 機(jī)器人即可滿足搬運(yùn)需求。同時(shí)，將多種工藝進(jìn)行改造并兼容集成到單臺(tái)機(jī)器人上，如頂蓋總成搬運(yùn)下線集成至螺柱焊機(jī)器人上。通過(guò)上述設(shè)計(jì)，可節(jié)約3 臺(tái)機(jī)器人的投入，機(jī)器人整體利用率提升至90%，整體產(chǎn)線成本可節(jié)約20%。

圖5 U 字型頂蓋分拼無(wú)人產(chǎn)線

3.1.3 工位器具與工藝設(shè)備柔性化設(shè)計(jì)

對(duì)于無(wú)人化產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，工位器具和工藝設(shè)備也需具備較高的柔性，主要是由于設(shè)備切換會(huì)導(dǎo)致節(jié)拍損失，同時(shí)柔性化程度低還會(huì)增加產(chǎn)線的投資成本，所以在產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)需要同步考慮。為此，本方案采用堆垛的方式來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（AGV，Automated Guided Vehicle）的輸送托架，能夠最大限度保證沖壓料框的兼容性，減少因生產(chǎn)多車(chē)型頂蓋需要切換托架而帶來(lái)的工作，以及降低料架的開(kāi)發(fā)成本。而且，本方案采用電磁吸盤(pán)替代換槍盤(pán)結(jié)構(gòu)，并對(duì)涂膠膠槍進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)膠槍的柔性切換。

柔性焊接是產(chǎn)線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本方案采用SGMW-220 工業(yè)機(jī)器人和新型結(jié)構(gòu)的柔性焊鉗組成。新焊鉗結(jié)構(gòu)采用X 型異型槍設(shè)置，結(jié)構(gòu)機(jī)器人仿真姿態(tài)確認(rèn)可達(dá)性，由一把焊鉗實(shí)現(xiàn)窄空間內(nèi)Z 方向和X 方向的焊接，縮短頂蓋焊接橫梁邊以及小天窗邊需要的焊鉗切換時(shí)間，提升產(chǎn)線的運(yùn)行效率。

考慮零件從料框到生產(chǎn)線過(guò)程中零件數(shù)量多和形狀差異大的問(wèn)題，整個(gè)產(chǎn)線的柔性抓取和定位的設(shè)計(jì)方案由機(jī)器人、柔性料架、柔性定位裝置、柔性分揀機(jī)構(gòu)、柔性定位拼臺(tái)、多自由度的柔性抓手以及視覺(jué)糾偏技術(shù)等組成，實(shí)現(xiàn)了頂蓋外板以及頂蓋橫梁、天窗加強(qiáng)框等零件的自動(dòng)取件。方案采用伺服定位加卡爪結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的柔性分揀和抓手，從橫梁側(cè)面進(jìn)行零件抓取，再通過(guò)伺服系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品尺寸定位的需求控制各軸滑移至不同的位置，可實(shí)現(xiàn)7 根不同橫梁的同時(shí)抓取并定位，且能夠滿足不同車(chē)型柔性自動(dòng)切換，減少線體定位工裝和機(jī)器人的開(kāi)發(fā)成本30%。

3.2 無(wú)人產(chǎn)線增加新技術(shù)以及新設(shè)備投入

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，依靠傳統(tǒng)的機(jī)器人以及工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線的自動(dòng)化和柔性化，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的無(wú)人化。為了使物料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆垛和配送，必須采用無(wú)人叉車(chē)和移動(dòng)機(jī)器人AGV 來(lái)替代現(xiàn)有的人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)物料輸送的無(wú)人化。無(wú)人叉車(chē)和AGV 基于激光雷達(dá)跟蹤定位配合產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，能夠24 h 運(yùn)行，降低了產(chǎn)線運(yùn)營(yíng)的人工成本。同時(shí)無(wú)人產(chǎn)線的生產(chǎn)需求以及生產(chǎn)信息的采集需要應(yīng)用一套數(shù)字化的系統(tǒng)來(lái)完成生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度和反饋，系統(tǒng)由無(wú)人叉車(chē)、移動(dòng)機(jī)器人AGV、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、螺柱焊接機(jī)器人、柔性機(jī)構(gòu)、柔性工裝、視覺(jué)和數(shù)字化系統(tǒng)等多設(shè)備交互組成，采用AB PLC 組網(wǎng)進(jìn)行多設(shè)備統(tǒng)一調(diào)配。

無(wú)人產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)主要依靠新的視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)平面相機(jī)識(shí)別尾部的特征來(lái)識(shí)別頂蓋與抓手的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)位置糾偏和車(chē)型防錯(cuò)。新視覺(jué)技術(shù)通過(guò)3D 結(jié)構(gòu)光的視覺(jué)相機(jī)搭配視覺(jué)識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)零件位置糾偏以及零件配置、涂膠質(zhì)量檢查，實(shí)現(xiàn)100%的質(zhì)量檢測(cè)，確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

3.3 無(wú)人汽車(chē)頂蓋焊接產(chǎn)線整體布局方案

通過(guò)上述分析和設(shè)計(jì)，最終確定無(wú)人化頂蓋分拼焊裝產(chǎn)線的技術(shù)方案（圖6）。整個(gè)工藝流程為：通過(guò)無(wú)人叉車(chē)從物料備貨區(qū)取物料后，在物料裝件位裝到集成了柔性托盤(pán)及料架的物料轉(zhuǎn)運(yùn)AGV 上，通過(guò)數(shù)字化系統(tǒng)將物料配送到分總成的柔性上料位。集成了柔性抓手的頂蓋外板轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人將物料從柔性料框上進(jìn)行取件，放置到柔性定位工裝上。

圖6 汽車(chē)頂蓋無(wú)人化產(chǎn)線方案

柔性分揀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同車(chē)型多個(gè)零件的自動(dòng)取件，并放置到柔性涂膠臺(tái)上，然后由集成低成本柔性膠槍及視覺(jué)糾偏的協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行涂膠。涂膠完成后，由集成了多自由度柔性抓手的搬運(yùn)機(jī)器人將零件搬運(yùn)到柔性定位工裝上，完成所有零件的安裝后，由集成了新型柔性結(jié)構(gòu)焊鉗的焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了窄空間內(nèi)X 向和Z 向的不同結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的焊接。

集成了螺柱焊接及分總成下件的機(jī)器人將零件搬運(yùn)到下一個(gè)工位的柔性定位工裝進(jìn)行螺柱焊接后，再進(jìn)行分總成下件、堆垛和裝框，然后由集成了柔性托盤(pán)及料架的分總成轉(zhuǎn)運(yùn)AGV 將分總成物料轉(zhuǎn)運(yùn)到分總成的柔性上料位，零件進(jìn)入下一個(gè)區(qū)域進(jìn)行生產(chǎn)。該新型無(wú)人化柔性生產(chǎn)技術(shù)方案從物料備貨區(qū)到分總成再到主線，從物料轉(zhuǎn)運(yùn)、上件、涂膠和焊接都實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化生產(chǎn)。

3.4 汽車(chē)頂蓋無(wú)人化產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)效益

汽車(chē)頂蓋無(wú)人化產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了從沖壓外板到總成上線的全過(guò)程無(wú)人化場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人焊接和搬運(yùn)，以及機(jī)器人涂膠和AGV 配送等多類(lèi)別機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)線的精益化改進(jìn)，線體總布置6 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、2 臺(tái)協(xié)作機(jī)器人、4 臺(tái)AGV和1 臺(tái)無(wú)人叉車(chē)，產(chǎn)線投資成本降低30%，實(shí)現(xiàn)12 個(gè)操作崗位的全部自動(dòng)化作業(yè)，投資回報(bào)周期在2年以內(nèi)，具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究為汽車(chē)制造廠在建設(shè)無(wú)人產(chǎn)線時(shí)提供一種新的方式。在進(jìn)行無(wú)人化產(chǎn)線建設(shè)前，先對(duì)整個(gè)線體做精益化的改造提升，最大限度地減少產(chǎn)線的投資成本。同時(shí)，積極開(kāi)發(fā)或者采用新的技術(shù)以及新的智能裝備，如伺服抓手、視覺(jué)、無(wú)人叉車(chē)和協(xié)作機(jī)器人等來(lái)突破制造的瓶頸。在未來(lái)多品種、小批量的柔性生產(chǎn)方式需求下，焊接產(chǎn)線的精益化和無(wú)人化將成為我們突破無(wú)人化工廠、實(shí)現(xiàn)智能制造的兩個(gè)方向：既要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的無(wú)人化，也需要考慮產(chǎn)線的精益化。只有這樣，無(wú)人化產(chǎn)線才能夠得到真正的推廣。