一種白車(chē)身總拼焊裝柔性化拼臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張正舉 李福貴 張惠立 謝晉全

摘要：新車(chē)型研發(fā)的樣車(chē)試制階段，白車(chē)身是通過(guò)總拼拼臺(tái)工裝對(duì)下車(chē)體、左右側(cè)圍等分總成合拼定位夾緊后，焊接成一個(gè)穩(wěn)定、精確的車(chē)身結(jié)構(gòu)。隨著人們對(duì)汽車(chē)個(gè)性化需求的提高，車(chē)企對(duì)車(chē)型的更新?lián)Q代越來(lái)越快，這對(duì)樣車(chē)試制中白車(chē)身焊接效率的提升帶來(lái)了挑戰(zhàn)。目前，樣車(chē)試制的總拼拼臺(tái)主要為平移式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)柔性較弱，無(wú)法滿足車(chē)型快速切換的需求，影響產(chǎn)線效率。針對(duì)平移式總拼拼臺(tái)的問(wèn)題，文章提出了一種樣車(chē)試制的白車(chē)身總拼焊裝柔性化拼臺(tái)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)氣控和電控程序的控制方法集成自動(dòng)化模塊化工裝，再輔以簡(jiǎn)單的手動(dòng)多點(diǎn)滑移手段，設(shè)計(jì)出在一個(gè)工位就可以完成白車(chē)身總拼自動(dòng)化定位焊接和不同車(chē)型快速切換的焊裝的柔性化拼臺(tái)。該拼臺(tái)具有占地小、高柔性、高集成、高效率、高精度及維護(hù)方便的特點(diǎn)，應(yīng)用該拼臺(tái)，使車(chē)企產(chǎn)線效率提升了6倍，改善效果顯著。

關(guān)鍵詞：樣車(chē)試制；白車(chē)身；拼臺(tái)；總拼焊裝；柔性化

中圖分類(lèi)號(hào)：U468.21? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0015-04

0 引言

在現(xiàn)有新車(chē)型樣車(chē)試制過(guò)程中，白車(chē)身的焊接總拼的主要形式是平移式總拼［1］，主要由2個(gè)基礎(chǔ)拼臺(tái)和4個(gè)基礎(chǔ)立柱構(gòu)成。下車(chē)體的主定位夾具單元固定在基礎(chǔ)拼臺(tái)上，左右側(cè)圍的定位夾具單元固定在4個(gè)基礎(chǔ)立柱上，當(dāng)車(chē)型不同時(shí)，需要在總拼上重新安裝對(duì)應(yīng)車(chē)型的定位夾具單元，在同一時(shí)段不能進(jìn)行車(chē)型切換，該總拼結(jié)構(gòu)形式在多車(chē)型快速切換方面存在一定弊端，總拼焊接節(jié)拍和人機(jī)工程也存在不足。在量產(chǎn)焊裝生產(chǎn)線中，總拼工位的拼臺(tái)形式更加柔性化、平臺(tái)化、智能化。常用的總拼形式有翻轉(zhuǎn)平移式總拼、翻轉(zhuǎn)式總拼、多面體式總拼、OPEN GATE總拼（通過(guò)堆棧法實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的一種總拼形式）、Geotack總拼（依靠側(cè)圍工裝的切換實(shí)現(xiàn)同一工位的柔性化生產(chǎn)）、機(jī)器人總拼、內(nèi)置式總拼7種［2］。各類(lèi)型總拼形式在定位精度、占地空間、投資成本、維護(hù)成本、柔性化方面各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。本文結(jié)合樣車(chē)試制過(guò)程中，綜合考慮場(chǎng)地、投資成本、柔性化等方面的影響因素，自主開(kāi)發(fā)了一種白車(chē)身總拼焊裝柔性化拼臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)高柔性化、高集成度的樣車(chē)總拼自動(dòng)化焊接形式，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

1 總拼焊裝柔性化拼臺(tái)開(kāi)發(fā)方案

開(kāi)發(fā)新的白車(chē)身總拼焊裝柔性化拼臺(tái)前，需進(jìn)行柔性焊接性工藝分析，以及總結(jié)現(xiàn)有柔性制造經(jīng)驗(yàn)［3］。該拼臺(tái)用于自動(dòng)化焊接島中，集成了AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)）輸送、NC（位置控制）定位系統(tǒng)、夾具抓手、機(jī)器人&7軸導(dǎo)軌等系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)白車(chē)身的輸送和機(jī)器人定位焊接。為了讓該總拼焊裝柔性化拼臺(tái)更好地用于自動(dòng)化焊接島，研究人員提前規(guī)劃工藝布局，通過(guò)模擬仿真，綜合分析AGV輸送系統(tǒng)、NC定位系統(tǒng)、夾具抓手系統(tǒng)、機(jī)器人&7軸導(dǎo)軌系統(tǒng)等集成后相互之間的位置關(guān)系、功能實(shí)現(xiàn)等因素，列出總拼焊裝柔性化拼臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并給出解決相關(guān)問(wèn)題的方案措施。

該總拼焊裝柔性化拼臺(tái)可以用于樣車(chē)試制多車(chē)型同步開(kāi)展的自動(dòng)化焊接島中，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工位就能完成所有總拼零件的定位焊接，同時(shí)滿足不同車(chē)型的柔性化焊接。該柔性化拼臺(tái)的基本工作方案如下：通過(guò)AGV輸送預(yù)裝白車(chē)身到拼臺(tái)工位后，拼臺(tái)上的NC定位系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)頂升白車(chē)身到定位焊接位置，通過(guò)機(jī)器人按先后順序抓取零件夾具抓手放到對(duì)應(yīng)的零件拼臺(tái)模塊上，拼臺(tái)模塊移動(dòng)到定位夾緊零件處進(jìn)行定位焊接，焊接完成后，零件拼臺(tái)模塊回到原位，AGV再輸送白車(chē)身離開(kāi)該拼臺(tái)工位。

為實(shí)現(xiàn)該方案的技術(shù)功能，需考慮解決以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

（1）滿足車(chē)身和機(jī)器人的通過(guò)性。自動(dòng)化焊接島采用 AGV輸送白車(chē)身，拼臺(tái)內(nèi)側(cè)需布置在合理位置，保證不同車(chē)型的白車(chē)身能正常從拼臺(tái)中間通過(guò)。機(jī)器人放置在7軸導(dǎo)軌上，可以前后移動(dòng)，為了不影響機(jī)器人的自由移動(dòng)，拼臺(tái)外側(cè)需留有足夠的空間。

（2）保證NC柔性定位機(jī)構(gòu)的安裝位置和三向位移通過(guò)性。總拼下車(chē)體主定位采用NC定位，需考慮NC的安裝位置和NC三向位移的空間不干涉。

（3）集成所有零件的定位夾緊焊接。車(chē)身總拼除了要進(jìn)行下車(chē)體和左、右側(cè)圍三大件的合拼定位夾緊，還要分先后裝件工藝順序進(jìn)行前輪罩外板加強(qiáng)板、頂蓋、尾端板等零件的定位夾緊焊接，現(xiàn)有工藝通常是分工位開(kāi)展，而要在一個(gè)工位實(shí)現(xiàn)，需要考慮空間利用率、焊接可達(dá)性、拼臺(tái)結(jié)構(gòu)形式等。

（4）兼顧不同車(chē)型的白車(chē)身焊接。該拼臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的變換，滿足不同長(zhǎng)度白車(chē)身的柔性化定位焊接。

（5）自動(dòng)化控制拼臺(tái)集成模塊。拼臺(tái)結(jié)構(gòu)模塊化，要通過(guò)電控程序和氣動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)拼臺(tái)部分模塊的自動(dòng)化控制。

實(shí)現(xiàn)該方案的技術(shù)功能后，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出的白車(chē)身總拼焊裝柔性化拼臺(tái)結(jié)構(gòu)數(shù)模如圖1所示。

2 總拼焊裝柔性化拼臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1通過(guò)性設(shè)計(jì)要求

總拼焊裝拼臺(tái)一般分成2個(gè)部分：總拼左拼臺(tái)和總拼右拼臺(tái)，車(chē)身進(jìn)入拼臺(tái)工位內(nèi)，通過(guò)左、右拼臺(tái)完成對(duì)白車(chē)身的定位夾緊。車(chē)身的寬度一般在2 m左右，總拼拼臺(tái)左、右間距應(yīng)能保證不同車(chē)型的白車(chē)身順利通過(guò)，但又不能過(guò)寬，需考慮白車(chē)身定位夾具結(jié)構(gòu)的緊湊性，滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。拼臺(tái)外側(cè)需留有足夠的空間布置機(jī)器人7軸導(dǎo)軌，用于機(jī)器人的移動(dòng)且需保證機(jī)器人抓取焊鉗后能正常進(jìn)行白車(chē)身焊接。通過(guò)虛擬仿真分析，確定拼臺(tái)最大寬度為4 m，內(nèi)側(cè)上部最大間距為2.1 m，確保內(nèi)側(cè)車(chē)身和外側(cè)機(jī)器人的通過(guò)性需求，拼臺(tái)布局示意圖如圖2所示。

2.2 NC柔性定位機(jī)構(gòu)的布置

總拼拼臺(tái)包含對(duì)預(yù)裝白車(chē)身下車(chē)體的定位，該拼臺(tái)采用NC柔性定位機(jī)構(gòu)定位下車(chē)體，可以兼容不同車(chē)型下車(chē)體的定位，并能通過(guò)電控程序快速切換。需要布置6個(gè)NC在拼臺(tái)底板上，其中4個(gè)NC主定位銷(xiāo)，2個(gè)NC支撐定位。在有限空間布置6個(gè)NC機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行分析和虛擬仿真確定其合理位置，確保不與輸送機(jī)構(gòu)干涉，同時(shí)不與拼臺(tái)立柱干涉，保證NC三向位移的通過(guò)性。首先，確認(rèn)6個(gè)NC柔性定位點(diǎn)范圍，通過(guò)分析現(xiàn)有車(chē)型主要下車(chē)體主定位三向位置，每個(gè)定位的X向分布點(diǎn)在700 mm行程范圍內(nèi)，Y向分布點(diǎn)在700 mm行程范圍內(nèi)，可以確保AGV順利通過(guò)；Z向分布點(diǎn)在200 mm行程范圍內(nèi)。確定了每個(gè)NC三向定位范圍在長(zhǎng)700 mm、寬700 mm、高200 mm的長(zhǎng)方體內(nèi)，選用X、Y向行程700 mm，Z向行程200 mm的NC柔性定位機(jī)構(gòu)。其次，固定6個(gè)NC定位機(jī)構(gòu)在拼臺(tái)底板上的安裝位置。如圖3所示，X向位置，需確保定位的X向行程覆蓋700 mm范圍的落點(diǎn)內(nèi)；Y向位置，需保證輸送白車(chē)身的AGV順利通過(guò)，同時(shí)確保定位的Y向落點(diǎn)在行程范圍內(nèi)；Z向位置，需確保定位的Z向行程覆蓋200 mm范圍的落點(diǎn)內(nèi)。

2.3 同一工位定位焊接

為實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)工位完成總拼白車(chē)身的定位焊接，焊裝柔性化拼臺(tái)采用模塊化的結(jié)構(gòu)形式集成。除下車(chē)體定位采用NC定位機(jī)構(gòu)外，其他零件的定位實(shí)現(xiàn)方式如下。

（1）側(cè)圍總成定位。側(cè)圍總成（包含左側(cè)圍和右側(cè)圍）的定位采用夾具抓手定位形式，需把側(cè)圍夾具抓手固定在拼臺(tái)上，保證定位精度（如圖4所示）。定位側(cè)圍需要使用立柱，為最大化地利用焊接空間，僅采用一前一后2個(gè)立柱實(shí)現(xiàn)側(cè)圍夾具抓手定位；為保證AGV輸送白車(chē)身的通過(guò)性，立柱Y向需要增加氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作狀態(tài)時(shí)，氣缸推出鎖緊，非工作狀態(tài)時(shí)，氣缸縮回，保證白車(chē)身通過(guò)時(shí)不發(fā)生干涉且氣動(dòng)機(jī)構(gòu)行程不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)與外側(cè)機(jī)器人7軸移動(dòng)軌跡干涉，該處選擇氣缸350 mm行程可以實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，需布置增加Y向到位后的夾緊氣缸和Z向壓緊氣缸，以及布置側(cè)圍夾具抓手的定位機(jī)構(gòu)，保證其放在拼臺(tái)后可以定位夾緊。同時(shí)，需在每一側(cè)立柱上布置氣電快插機(jī)構(gòu)，為夾具抓手供氣和供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具抓手的電控控制。下安裝板的定位夾緊也集成在側(cè)圍夾具抓手上。

（2）尾端板總成定位。尾端板也是預(yù)裝在白車(chē)身上隨車(chē)一起輸送到定位焊接工位，拼臺(tái)需對(duì)尾端板的夾具抓手進(jìn)行定位夾緊，在拼臺(tái)左、右后立柱布置尾端板夾具抓手的定位機(jī)構(gòu)（如圖5所示）。為避免與側(cè)圍抓手的定位機(jī)構(gòu)干涉，在后立柱兩邊分別伸出懸臂柱，用于布置尾端板夾具抓手的定位機(jī)構(gòu)；為保證尾端板定位焊點(diǎn)的焊接空間，采用機(jī)器人通過(guò)拼臺(tái)上布置的輔助導(dǎo)向滾輪直接把夾具抓手推送到拼臺(tái)定位機(jī)構(gòu)處，實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位夾緊，此外在拼臺(tái)右后立柱上布置了氣電快插機(jī)構(gòu)，為夾具抓手供氣和供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具抓手的電控控制。

（3）頂蓋總成定位。為保證側(cè)圍、頂蓋的焊接空間和焊接可達(dá)性，拼臺(tái)立柱設(shè)計(jì)高度主要是保證側(cè)圍夾具抓手的定位夾緊，頂蓋夾具抓手的定位機(jī)構(gòu)沒(méi)有直接布置在拼臺(tái)立柱上，而是通過(guò)在左、右側(cè)圍夾具抓手上集成頂蓋夾具抓手的定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

（4）前輪罩外板加強(qiáng)板總成定位。焊裝前輪罩外板加強(qiáng)板（包含左、右）之前，必須把其覆蓋的焊點(diǎn)焊完之后才能焊裝該件，一般焊裝線都是分不同工位完成該件的焊接，本文設(shè)計(jì)的焊裝拼臺(tái)可以在同一個(gè)工位實(shí)現(xiàn)（如圖6所示）。白車(chē)身三大件定位焊接后，還需要補(bǔ)焊其他焊點(diǎn)，前輪罩外板加強(qiáng)板里側(cè)有部分A柱焊點(diǎn)需要補(bǔ)焊，因?yàn)槠磁_(tái)前立柱布置位置剛好在該處，直接補(bǔ)焊沒(méi)有焊接空間，為了能在該工位補(bǔ)焊，需把移開(kāi)拼臺(tái)立柱，此處需要設(shè)計(jì)一套滑移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拼臺(tái)的移動(dòng)。該拼臺(tái)移動(dòng)只需兩個(gè)狀態(tài)，選用一般的氣缸就能實(shí)現(xiàn)，該處選取500 mm行程氣缸；為定位夾緊前輪罩外板加強(qiáng)板的夾具抓手，在拼臺(tái)前立柱Y向上布置定位機(jī)構(gòu)，需保證與立柱上的側(cè)圍夾具抓手的定位機(jī)構(gòu)不干涉，采用機(jī)器人通過(guò)拼臺(tái)上布置的輔助導(dǎo)向滾輪直接把夾具抓手推送到拼臺(tái)定位機(jī)構(gòu)處，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具抓手的定位夾緊。

2.4 不同車(chē)型的柔性化定位焊接

為實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的車(chē)型都能在該拼臺(tái)進(jìn)行焊接，需實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)度方向上的調(diào)節(jié)。在拼臺(tái)后立柱設(shè)置手動(dòng)滑移機(jī)構(gòu)（如圖5所示），該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)900 mm行程，每一次100 mm的位移調(diào)整，可以滿足短車(chē)型到長(zhǎng)車(chē)型范圍使用。本文選用手動(dòng)滑移機(jī)構(gòu)的原因如下：①節(jié)省空間。要在同一工位實(shí)現(xiàn)所有總拼零件的焊裝定位，需要最大化地利用空間，預(yù)留更多的焊接空間通道，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的手動(dòng)滑移機(jī)構(gòu)，不僅滿足了功能需求，而且占用空間小。②節(jié)約成本。選用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行行程滑移控制，不僅空間有限，而且成本高，采用手動(dòng)滑移機(jī)構(gòu)只需2根滑軌再輔以簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)功能要求，節(jié)約了成本。

2.5 自動(dòng)化控制

為實(shí)現(xiàn)拼臺(tái)上各模塊定位機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)、分序自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)，拼臺(tái)上布置了氣電快插機(jī)構(gòu)供氣供電；安裝氣缸、滑軌，實(shí)現(xiàn)精確移動(dòng)；布置檢測(cè)開(kāi)關(guān)確認(rèn)夾具抓手放置到位后的信號(hào)傳輸。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化集成設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了新的總拼焊裝柔性化拼臺(tái)用于樣車(chē)試制多車(chē)型同步開(kāi)展的白車(chē)身總拼自動(dòng)化焊接島中，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工位就能完成白車(chē)身總拼的定位焊接和不同車(chē)型的柔性化焊接。此設(shè)計(jì)達(dá)到如下效果：①占地小。只需一個(gè)拼臺(tái)工位就可以實(shí)現(xiàn)總拼所有零件的自動(dòng)化定位焊接。②柔性化程度高。使用快換集成模塊機(jī)構(gòu)，輔以?shī)A具抓手，可以兼容不同車(chē)型的樣車(chē)焊接。③集成度高。在一個(gè)定位焊接工位就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)總拼白車(chē)身零件的定位夾緊和定位焊接，節(jié)省場(chǎng)地，減少了多工位在拼臺(tái)、設(shè)備、工裝夾具等方面的投入成本。④效率高。與傳統(tǒng)手工樣車(chē)試制相比，生產(chǎn)節(jié)拍提升了6倍。⑤精度高?？梢詫?shí)現(xiàn)車(chē)身零件的精準(zhǔn)定位和焊接。⑥維護(hù)方便。模塊集成形式可以快速拆裝和維護(hù)。針對(duì)該總拼焊裝柔性化拼臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)使用情況，下一步可以從拼臺(tái)的后立柱自動(dòng)化移動(dòng)和拼臺(tái)集成頂蓋夾具抓手的定位機(jī)構(gòu)兩個(gè)方面開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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