淺析汽車焊裝線各類輸送設(shè)備及應(yīng)用方案

陳志毅 李海南 劉久月 劉子寧 郭振禮

（1. 重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 400000；2. 一汽模具制造有限公司，長(zhǎng)春 130013）

1 前言

隨著工業(yè)4.0 智慧工廠與無(wú)人化工廠概念的提出，自動(dòng)化的輸送設(shè)備逐漸成為焊裝工廠的重要組成部分。輸送設(shè)備主要用于焊裝線內(nèi)的搬運(yùn)或存儲(chǔ)，高效、自動(dòng)化的輸送設(shè)備連接了不同的工位及線體，串聯(lián)起了整個(gè)焊裝車間。按照應(yīng)用場(chǎng)景，焊裝線輸送設(shè)備可以分為線內(nèi)傳輸和線間傳輸。本文將針對(duì)焊裝線內(nèi)的不同工藝，分別闡明各類輸送設(shè)備的原理及經(jīng)典應(yīng)用方案。

2 各類輸送設(shè)備及焊裝線應(yīng)用方案

2.1 高速滾床

高速滾床廣泛用于地板下部線、主焊線等直線傳輸線體。高速滾床根據(jù)功能上和應(yīng)用場(chǎng)景的不同可以分為升降滾床、固定滾床、過(guò)渡滾床以及旋轉(zhuǎn)滾床等。高速滾床的優(yōu)點(diǎn)在于速度快，空間布置靈活，可以通過(guò)不同的滾床進(jìn)行排列組合，以應(yīng)對(duì)不同的線體布局，屬于典型的線內(nèi)傳輸。在焊裝線中，高速滾床通常有2 種應(yīng)用形式。

2.1.1 升降滾床+滑橇+下部夾具

在焊裝線中，升降滾床常和滑橇、下部夾具配合使用，組成一個(gè)完整的定位系統(tǒng)（圖1）。升降滾床根據(jù)動(dòng)作原理通常設(shè)置有3 個(gè)位置,即高處傳輸位、接件位與下降位?；镣ㄟ^(guò)定位銷及支撐塊將白車身零件定位，通過(guò)PLC 系統(tǒng)將指令傳遞給變頻器，通過(guò)變頻器調(diào)速，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾床上的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，滾床左右各一排滾輪，左右對(duì)稱的2 個(gè)組成一組，由4～5 組滾輪支撐一個(gè)滑撬，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑撬向前運(yùn)行，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)的控制，滑撬可以隨時(shí)停止運(yùn)行，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)和間歇式運(yùn)行[1]。通過(guò)滾床的滾輪摩擦力，將白車身傳輸至下一個(gè)工位，隨后滾床下落，使零件下落到下部夾具上，實(shí)現(xiàn)對(duì)白車身零件的精確定位。該種定位方式采用滑撬作為零件輸送的載體，下部夾具作為工作時(shí)定位的載體，該種形式在大眾、寶馬等主機(jī)廠普遍應(yīng)用。該種形式的優(yōu)點(diǎn)如下：

圖1 升降滾床+滑撬+下部夾具定位系統(tǒng)

a. 負(fù)責(zé)傳輸作用的滑撬和負(fù)責(zé)定位的下部夾具是分開的，最終只要保證下部夾具的定位精度即可滿足工作要求，重復(fù)精度較好，對(duì)零件尺寸控制以及現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)維護(hù)都較為方便。

b. 升降滾床可以和不同長(zhǎng)度的過(guò)渡滾床組合，適應(yīng)不同的工位間距，空間布局較為靈活。

c. 由于產(chǎn)品輸送單元為簡(jiǎn)易滑撬，后續(xù)融入新車型時(shí)更改較為容易。

2.1.2 固定滾床+隨行夾具

與滑撬+下夾具的定位形式不同，隨行夾具將地板定位夾具和滑撬合二為一，不需要滾床下降這一步驟，通過(guò)固定滾床即可滿足普通工位間的傳遞，由氣電快插單元、固定滾床、隨行夾具組成一個(gè)完整的定位系統(tǒng)（圖2）。隨行夾具的工藝布局通常在線體的首尾2 個(gè)工位設(shè)置有氣電快插，在該生產(chǎn)線的第一個(gè)工位通過(guò)氣電快插將氣和電介質(zhì)傳遞給隨行夾具，使隨行夾具對(duì)小車進(jìn)行夾緊定位，隨行夾具在線體內(nèi)行駛時(shí)氣缸及定位均保持夾緊狀態(tài)，保持對(duì)車身零件的定位。在線體的最后一個(gè)工位通過(guò)氣電快插進(jìn)行介質(zhì)傳遞，將氣缸打開，使零件和隨行夾具分離，進(jìn)而將車身傳遞到下一條線體。該種定位方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

圖2 固定滾床+隨行夾具定位系統(tǒng)

a. 由于不必采用升降滾床，工位間傳輸時(shí)間由常規(guī)的12～14 s 縮減到6～7 s，極大提高了生產(chǎn)效率。

b. 差異較大的多平臺(tái)車型可以采用整體更換隨行夾具的形式實(shí)現(xiàn)混流，能生產(chǎn)多種不同車型，提高了線體的柔性。

但該種方案同樣具有明顯的缺點(diǎn):

a. 與下部夾具每套負(fù)責(zé)各自的工位不同，該種形式的隨行夾具每套都需要經(jīng)過(guò)所有工位。所以對(duì)所有隨行夾具的尺寸一致性要求高，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試難度較大。

b. 隨行夾具相較于滑撬質(zhì)量大，對(duì)輸送機(jī)構(gòu)的磨損更快，需要更加頻繁的維護(hù)和尺寸監(jiān)控。

2.2 伺服滑臺(tái)

伺服滑臺(tái)是典型的工位傳輸機(jī)構(gòu)，屬于線內(nèi)傳輸，該種形式常用于環(huán)島式線體，用于工位與工位間的傳遞。伺服滑臺(tái)常見形式為一字滑臺(tái)（圖3），隨著近些年工裝設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，精度較高的十字滑臺(tái)（圖4）也在生產(chǎn)線頻繁應(yīng)用。伺服滑臺(tái)由基架、伺服電機(jī)、滑車、齒輪齒條及驅(qū)動(dòng)設(shè)備構(gòu)成。線體的PLC 控制滑臺(tái)的變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)基架上的齒輪齒條嚙合，帶動(dòng)滑車的行走。十字滑臺(tái)對(duì)比一字滑臺(tái)增加了一個(gè)移動(dòng)方向，對(duì)應(yīng)滑車上也需要多一個(gè)電機(jī)用于不同方向的行走，十字滑臺(tái)中不同的滑車，既可以用于不同的上件工位，也可以用于不同車型的存儲(chǔ)?？梢愿鶕?jù)不同的工位布局，選擇不同形式的滑臺(tái)。

圖3 常見一字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖4 常見十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)

伺服滑臺(tái)形式傳輸具備以下優(yōu)點(diǎn)：

a.速度快（最高速可以達(dá)到3 m/s）,精度高（最高精度可以達(dá)到±0.02 mm），對(duì)機(jī)器人抓取零件較為友好。

b.伺服滑臺(tái)可以根據(jù)不同的布局選擇不同的長(zhǎng)度及形式，對(duì)布局的適應(yīng)性較強(qiáng)。

不過(guò)伺服滑臺(tái)不適用于需要在線內(nèi)建立存儲(chǔ)的情況，普遍應(yīng)用于工位的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳遞。

2.3 往復(fù)桿輸送鏈

往復(fù)桿輸送鏈同樣作為常見的一種線內(nèi)輸送方式，常用于地板、主焊線等長(zhǎng)線體。往復(fù)桿主要由垂直驅(qū)動(dòng)裝置、水平驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置以及水平防越位裝置組成（圖5）。往復(fù)桿通過(guò)是齒輪及齒條配合驅(qū)動(dòng)往復(fù)桿行走，零件托塊支撐零件并帶動(dòng)車身零件輸送至下一工位，并通過(guò)升降塔以及液壓站的配合，保證升降的穩(wěn)定性，使白車身零件平穩(wěn)降落在下部夾具上。整套定位系統(tǒng)由往復(fù)桿輸送鏈，零件輸送托塊，下部夾具構(gòu)成（圖6）。

圖5 常見往復(fù)桿結(jié)構(gòu)

圖6 往復(fù)桿定位系統(tǒng)組成

與滾床滑撬的定位系統(tǒng)不同，滾床可以根據(jù)工位長(zhǎng)度不同，采用不同長(zhǎng)度的滾床進(jìn)行排列組合，而往復(fù)桿的每個(gè)工位間距都需要是相同的。同時(shí)與滾床每個(gè)升降行走工位都需要2 個(gè)單獨(dú)的電機(jī)不同，往復(fù)桿輸送一條線只需要2 個(gè)電機(jī)，減少電機(jī)的同時(shí)也意味著成本的降低和維護(hù)的方便。以表1 某地板線四工位往復(fù)桿的參數(shù)舉例（圖7），可以對(duì)往復(fù)桿的基本參數(shù)有一個(gè)大致性了解。

表1 常規(guī)往復(fù)桿輸送鏈設(shè)備參數(shù)

圖7 往復(fù)桿輸送鏈現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該種輸送定位方案的優(yōu)點(diǎn)在于減少了輸送電機(jī)的使用，故障率相較于滾床更低，更便于車間的日常維護(hù)。

往復(fù)桿缺點(diǎn)則如下：

a. 往復(fù)桿需要每個(gè)工位的間距保持一致，相較于滾床的工位布局沒有那么靈活。

b. 往復(fù)桿的定位柔性不足，在車型差異過(guò)大的輸送托塊共用設(shè)計(jì)上需要更加周密的考慮。

2.4 積放式輸送鏈

積放式輸送鏈（Buffer）輸送鏈?zhǔn)窃谄嚭秆b生產(chǎn)線中常用的形式。用于在上件工位、線內(nèi)或線間存儲(chǔ)和輸送。Buffer 的常見參數(shù)如表2 所示，相比于其他的輸送形式，Buffer 在輸送速度上并無(wú)優(yōu)勢(shì)，但可以進(jìn)行零件的存儲(chǔ)，起到提高線體開動(dòng)率以及在控制上拉動(dòng)線體生產(chǎn)的作用。Buffer 由框架、托盤、電機(jī)、氣動(dòng)阻擋單元以及閥島控制單元組成（圖8）。從整體的使用場(chǎng)景區(qū)分，可以分為空中Buffer 以及地面Buffer。

表2 常規(guī)buffer輸送鏈設(shè)備參數(shù)

圖8 Buffer輸送鏈組成

2.4.1 空中Buffer

空中Buffer 通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)安裝在線體上方，該種鋼結(jié)構(gòu)通常有2 種形式，一種是借用廠房吊點(diǎn)的懸掛式鋼結(jié)構(gòu)（圖9），一種則是通過(guò)在地面增加立柱支撐的鋼結(jié)構(gòu)（圖10），由鋼結(jié)構(gòu)和Buffer 組成一套完整的定位系統(tǒng)?？罩蠦uffer 由于Buffer 安裝在空中，不影響線間物流，所以常用于線間的緩存，緩存的具體數(shù)量需要經(jīng)過(guò)物流仿真的測(cè)算，以滿足線體開動(dòng)率。

圖9 懸掛式鋼結(jié)構(gòu)+Buffer

圖10 地面立柱鋼結(jié)構(gòu)+Buffer

2.4.2 地面Buffer

常見的地面Buffer 分為2 種，一種為平Buffer（圖11），一種為立式回轉(zhuǎn)Buffer（圖12）。平Buffer常用在線體內(nèi)存儲(chǔ)，在地面有空間的情況下，相比于空中Buffer 更有利于車間工人維修。立式回轉(zhuǎn)Buffer 常用在焊裝線的人員上件工位，由于Buffer兩側(cè)都可以進(jìn)行上件工作，可以起到最大化上件數(shù)量，降低人員負(fù)荷的效果。

圖11 平Buffer

圖12 立式回轉(zhuǎn)Buffer

Buffer 輸送定位方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

a.可以在Buffer 上建立大量緩存，利于線體的拉動(dòng)式生產(chǎn)以及上件工位人員負(fù)荷的降低。

b.適用于前地板邊板、前后縱梁、中通道以及各類小型零件的輸送，適用范圍非常廣泛。可以根據(jù)不同的零件設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的工裝托盤。

2.5 空中往復(fù)傳輸機(jī)構(gòu)

空中往復(fù)傳輸機(jī)構(gòu)（Shuttle）（圖13）用于線間零件傳輸，與Buffer 的輸送范圍大體相同。區(qū)別在于Buffer 輸送速度較慢，但可以在Buffer 上建立起零件的緩存，Shuttle 輸送速度非?？?，可以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)進(jìn)行一個(gè)零件的快速往返，空中Shuttle 常規(guī)參數(shù)如表3 所示。

表3 空中往復(fù)Shuttle參數(shù)

圖13 空中往復(fù)shuttle

該種輸送形式優(yōu)點(diǎn)在于輸送速度極快，可以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)實(shí)現(xiàn)2 個(gè)線體內(nèi)的零件輸送。

該種輸送形式缺點(diǎn)在于無(wú)法在線間形成緩存，只能傳輸一個(gè)零件。

2.6 自動(dòng)導(dǎo)引小車輸送

自動(dòng)導(dǎo)引小車(Automated Guided Vehicle，AGV)是近些年在國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的一種輸送形式。相比于其他傳統(tǒng)輸送形式，AGV靈活性、機(jī)動(dòng)性最高，在焊裝生產(chǎn)線應(yīng)用前景最廣。AGV 常用的導(dǎo)航方式一般分為磁條導(dǎo)航和色帶導(dǎo)航，可以使AGV根據(jù)提前預(yù)設(shè)好的路徑實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)。國(guó)內(nèi)AGV 可以達(dá)到的設(shè)備精度參數(shù)如表4 所示。根據(jù)參數(shù)可以看出，AGV 本身的定位精度并不高，故而需要其他輔助定位以保障最終的到位精度，按照目前生產(chǎn)線普遍使用規(guī)律，AGV一般與機(jī)器人視覺配合使用。

表4 AGV精度參數(shù)

從移載方式上區(qū)分，AGV 主要分為承載式（圖14）和牽引式（圖15）。接下來(lái)將根據(jù)這種AGV 的不同形式介紹不同的定位及應(yīng)用方案。

圖14 承載式AGV

圖15 牽引式AGV

2.6.1 承載式AGV

承載式AGV 主要依托于AGV 上的承載托盤，通過(guò)托舉零件或器具的形式，實(shí)現(xiàn)物件的輸送和轉(zhuǎn)移。承載式AGV 為保證最終的定位精度，普遍使用帶有升降模式的AGV 小車，在AGV 和器具之前通過(guò)定位銷和定位孔相配合，以保證器具在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的穩(wěn)定性（圖16）。在器具到位位置，采用4 個(gè)定位立柱，通過(guò)定位導(dǎo)向固定器具，以保證最終機(jī)器人的抓件精度（圖17）。

圖16 承載式AGV轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中

圖17 保證承載式AGV定位精度的導(dǎo)向立柱

2.6.2 牽引式AGV

牽引式AGV 采用拖拽牽引動(dòng)力，用以拉動(dòng)器具進(jìn)行行走。牽引式AGV 頂端有一個(gè)牽引銷，通過(guò)牽引銷和器具的配合，拉動(dòng)器具準(zhǔn)確進(jìn)入到精定位料口中，因此牽引式的AGV 器具一般都有輪子，用于配合AGV 的拉動(dòng)作業(yè)。在最終的精定位料口中，會(huì)有兩側(cè)的粗導(dǎo)向?qū)α宪囘M(jìn)行進(jìn)入料口的導(dǎo)向，并在到位位置設(shè)置有定位氣缸，對(duì)料車器具進(jìn)行最終的定位精度保證（圖18）。圖19 為牽引式AGV 工作時(shí)的畫面。

圖18 牽引式AGV定位配合

圖19 牽引式AGV工作

3 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化輸送設(shè)備保證了焊裝生產(chǎn)線的無(wú)人化，降低了車間工人的轉(zhuǎn)運(yùn)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。隨著各類自動(dòng)化輸送設(shè)備的發(fā)展，各類高速，柔性化的輸送形式將繼續(xù)在汽車焊裝生產(chǎn)線中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。