車身制造柔性工裝技術(shù)及應(yīng)用

摘 要：車身焊接技術(shù)是汽車制造過程的關(guān)鍵工藝之一，也是車身制造過程中工裝夾具應(yīng)用量最大的工藝過程。但是大量應(yīng)用的工裝夾具也帶來了場地、成本、管理等一系列的問題，柔性化技術(shù)的應(yīng)用從一定程度上解決了這些痛點。本文結(jié)合實際應(yīng)用及設(shè)計經(jīng)驗，介紹了車身焊裝生產(chǎn)線在輸送系統(tǒng)、定位夾緊系統(tǒng)等方面的柔性設(shè)計及切換方案，并對部分方案的設(shè)計及應(yīng)用做了詳細的分析和介紹。

關(guān)鍵詞：車身制造技術(shù) 工裝夾具 柔性制造

在汽車行業(yè)，車身焊接過程的定位工裝結(jié)構(gòu)與車型結(jié)構(gòu)和造型高度相關(guān)，往往不同車型的不同零件都有其專用工裝，導(dǎo)致焊裝車間產(chǎn)線的柔性能力遠低于涂裝及總裝車間，早年自動化技術(shù)尚未普及應(yīng)用時甚至單一車型就需要一條專用生產(chǎn)線。時至今日，部分較為落后的沖焊件零部件廠家為了降低工裝投資也會采用這種純手工線的形式，其結(jié)果就是生產(chǎn)的車型越多，專用工裝數(shù)量就會越多，場地、開發(fā)周期、重復(fù)投資的問題接踵而來。

近年來，得益于自動化技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)機器人的普及，車身焊接制造技術(shù)逐步向柔性化、自動化方向發(fā)展，其整體思路在于：機器人、焊接設(shè)備、涂膠設(shè)備、輸送設(shè)備等與車型結(jié)構(gòu)和造型相關(guān)性較小的設(shè)備作為整線開發(fā)的基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施在產(chǎn)線前期規(guī)劃時一次性開發(fā)投入，車型切換時這些設(shè)備不做切換；而與車型結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)的定位工裝、輸送滑橇等設(shè)備盡量實現(xiàn)柔性兼容，當(dāng)兼容能力超過工裝的柔性能力后，對工裝進行整體切換。如此，通過基礎(chǔ)不變的方式，實現(xiàn)了產(chǎn)線基礎(chǔ)設(shè)備的最大化利用，保證這些基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，有效控制了工廠的整體投資成本；而工裝切換技術(shù)的應(yīng)用，解決了車型差異的問題，滿足了生產(chǎn)線的柔性化需求。在不變的基礎(chǔ)上實現(xiàn)變化，平衡了成本與柔性兩大訴求，較好地滿足了生產(chǎn)的需求。

1 輸送系統(tǒng)的柔性

輸送系統(tǒng)用于將零件從一個工序轉(zhuǎn)移/搬運到下一工序，在焊裝生產(chǎn)線其功能包括搬運和支撐兩大部分。一般來說搬運系統(tǒng)采用標準的輸送設(shè)備結(jié)構(gòu)，其主要作用是實現(xiàn)工位與工位間的移動；而支撐是與產(chǎn)品直接接觸的部分，其的設(shè)計往往與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強關(guān)聯(lián)，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、尺寸、空間等往往會影響輸送支撐結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計。在柔性化是輸送設(shè)計方案設(shè)計中，將輸送部分設(shè)計標準機構(gòu)，支撐部分采用可切換的柔性化方案，這種“剛-柔”結(jié)合的設(shè)計方案可以有效降低新車型導(dǎo)入后的改造成本，減少工裝存放場地需求。

1.1 滑橇-滾床系統(tǒng)的柔性化方案

如下是一個滾床-滑橇輸送方案的示意圖，系統(tǒng)包括了滾床和滑橇兩部分。滾床作為輸送設(shè)備，其結(jié)構(gòu)標準，不受產(chǎn)品差異的影響，在生產(chǎn)線建設(shè)初期作為基礎(chǔ)設(shè)備一次性完成安裝調(diào)試。而在滾床間移動的滑橇主要用處是實現(xiàn)搬運，滑橇上的支撐與零件直接接觸，因此其結(jié)構(gòu)受零件的造型、結(jié)構(gòu)影響較大，每增加一個新的車型零件時，其支撐就需要重新設(shè)計及改造。

在這個方案中，成本高的滾床是一次性固定投資，無論車型/零件如何變化都對其沒有影響；而滑橇相對而言在整個系統(tǒng)中的成本占比低，增加新車型時只需要對局部支撐做適應(yīng)性改造即可，可有效降低改造成本；另外，由于滑橇是在整條生產(chǎn)線流動的，可以在生產(chǎn)線的合適工位設(shè)置支撐部分的切換工位，從而實現(xiàn)支撐的局部切換乃至整體切換，理論上可以實現(xiàn)輸送系統(tǒng)無限種車型的柔性。某主機廠的補焊線曾達到了兼容7個車型平臺、10種車型的柔性能力，其輸送線就是采用的滾床-滑橇的解決方案，該項目可以說是對滾床滑橇系統(tǒng)優(yōu)秀柔性能力的有力注解。

圖3為有4套切換機構(gòu)的切換工位應(yīng)用實例，該套解決方案結(jié)構(gòu)簡單、效果可靠、成本低，是一種適用于低成本環(huán)境橇體無動力場景的滑橇切換方案。其中1為線旁切換機構(gòu)，2為滑橇橇體機構(gòu)，3為滑橇上的夾具組件；圖4為單套支撐切換示意圖，其中4、5為切換氣缸，6為氣缸安裝底座；圖5為切換機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，其中6為氣缸撥頭，7為氣缸安裝支架

這套方案的切換機構(gòu)主要由切換氣缸4、5及底座8組成。底座的主要作用是用于安裝切換氣缸，其高度根據(jù)切換需求設(shè)計，結(jié)構(gòu)以簡單實用輕量化為主，布置位置的選擇需要兼顧考慮白車身寬度方向的通過性及滑橇支撐在滑橇上可能的分布區(qū)域；切換氣缸以撥動支撐的方式實現(xiàn)對支撐的切換，其在動作過程受力小，故可選用小缸徑大行程氣缸以降低成本及節(jié)省安裝空間，其行程需滿足能推動支撐重心翻轉(zhuǎn)過旋轉(zhuǎn)點，達到自動翻轉(zhuǎn)的目的。

切換機構(gòu)的布置及分組根據(jù)隨行滑橇支撐的選擇確定，在圖3的應(yīng)用實例中，隨行滑橇上各車型的定位均采用左前、左后、右前、右后共四組支撐，故切換機構(gòu)相應(yīng)按此布置，以滿足一組切換機構(gòu)實現(xiàn)一處支撐切換的目的，以實現(xiàn)切換機構(gòu)本身設(shè)計的緊湊性及減小對線旁場地的占用。

切換系統(tǒng)的切換動作為：滑橇到位后，由滾床先對滑橇進行定位，保證滑橇到位正確，通過電控系統(tǒng)判斷車型、識別現(xiàn)有支撐位置，并判別需要動作的氣缸，根據(jù)得到的車型信息切換動作。切換氣缸的動作包括將原車型支撐推放至非工作狀態(tài)，并切換上線車型支撐至工作位。如圖示例中，其中氣缸4動作時，推動夾具組件3翻轉(zhuǎn)倒下至非工作狀態(tài)；氣缸5動作時，推動夾具組建3翻轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)，達到不同支撐的切換的目的。在夾具的放到及樹立過程中，滑橇就完成了支撐車型的切換。

1.2 往復(fù)輸送線的柔性化方案

與滑橇-滾床系統(tǒng)類似，往復(fù)輸送整體上也是由輸送和支撐兩大部分組成，但是與滑橇不同的是，往復(fù)輸送線的支撐托架連接是剛性的，整條輸送線所有工位的支撐托架安裝在一套輸送桿上：輸送桿升到高位舉起零件后運行到下一工位，輸送桿下降將零件放到后工位的定位工裝后，輸送桿低位返回。在這一過程種，輸送桿在兩個工位間往復(fù)運動實現(xiàn)零件的搬運，這也是往復(fù)輸送線名稱的由來。

同樣的，往復(fù)輸送線的支撐部分由于與零件直接接觸，受車型影響大，難以實現(xiàn)全柔性通用，但與滑橇不同的是，往復(fù)輸送線的支撐托架只能在兩個工位間往復(fù)運動，無法通過集中切換實現(xiàn)全柔性，需要通過各種機構(gòu)的切換及巧妙的機械設(shè)計解決干涉問題，這就決定了往復(fù)輸送線的柔性能力是有限的，更優(yōu)的方案是在零件設(shè)計階段通過約束零件的結(jié)構(gòu)、尺寸去滿足生產(chǎn)線設(shè)計的柔性要求。如通過車架設(shè)計的平臺化約束不同車型的大梁定位面及定位孔保持一致，從而實現(xiàn)其在同一生產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)。

2 定位夾具的柔性

定位夾具是焊裝的定位設(shè)備，其作用是對零件實現(xiàn)固定、加緊、定位，工裝夾具的精度及可靠性直接影響零件的制造質(zhì)量，其重要性不言而喻。但正是由于定位夾具的重要性如此之高，其設(shè)計的時候需要更多的考慮滿足零件的制造工藝要求。因此對于不同車型來說，即使是同一類零件，其工裝夾具的差異性也非常之大，必須非常仔細的考慮各種柔性化方案。

2.1 整體切換

對于差異過大的零件，強行柔性所需要付出的代價過大，總成件如前車體、門蓋、側(cè)圍等，在這種情況下就可以考慮整體切換。在機器人生產(chǎn)線中，為了保證切換后夾具的位置精度以保證機器人抓取，往往會將切換工裝分割為底座和切換夾具部分。其中底座是線旁的固定設(shè)備，通過支撐面實現(xiàn)對切換夾具的Z向支撐，通過定位銷實現(xiàn)X/Y向定位，如此就實現(xiàn)了對切換工裝的全定位，理論上可實現(xiàn)無限種車型的柔性。某主機廠的一機器人生產(chǎn)總拼線通過以此種方式為主的工裝柔性方案，實現(xiàn)了7種車型在同一條主線上生產(chǎn)。

2.2 多面體切換

多面體切換方案是將不同工裝布置在一個截面為多邊形的機構(gòu)上，每個截面對應(yīng)一個車型的工裝，通過旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)不同角度實現(xiàn)工裝的切換。常見的多面體方案有兩面體、三面體及四面體，但更多的安裝面會由于面與面之間的夾角過大，干涉難以避免而極少使用。由于多面體機構(gòu)是將切換工裝存放在生產(chǎn)線旁，如有需要可以快速實現(xiàn)車型間的切換，切換時間短、切換效率高。

2.3 多面體機構(gòu)+整體切換

整體切換工裝理論上可以實現(xiàn)無限種車型的柔性，但是由于每種車型都需要開發(fā)一套工裝，當(dāng)車型增多后切換夾具的場地存放壓力大；同時，整體工裝體積大、重量重、切換耗時廠，且每次車型切換都需要做工裝切換，切換頻次高，導(dǎo)致每次車型切換對整條生產(chǎn)線運行效率影響大、所需要耗費的人力多，其缺點也是非常明顯。而多面體工裝雖然切換效率高，但柔性能力有限，難以滿足當(dāng)前汽車生產(chǎn)單線多品種的生產(chǎn)需求。綜合以上兩種方案的特點，多面體機構(gòu)整體切換方案應(yīng)運而生。

多面體機構(gòu)整體切換方案時多面體方案與整體切換方案的結(jié)合，其整體思路是將多面體工裝安裝于可切換底座上，在單套工裝上實現(xiàn)多種車型的生產(chǎn)，但當(dāng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)的車型數(shù)量超過了單套工裝的能力后，將整套工裝做切換。如此方案綜合了多面體切換效率高、存放場地需求小和整體切換卓越的柔性能力。

如下圖是一種多面體零件上件對中機構(gòu)，該設(shè)備主要由1-上件對中臺和4-地面定位機構(gòu)等兩大部分組成。其中上件對中臺與地面定位機構(gòu)是獨立的兩個部分，可以分開，其相互間通過3-氣動定位銷進行定位。

其中上件對中臺上的零件定位部分采用多面體切換技術(shù)實現(xiàn)單套對中臺兼容多種零件，多面體工裝的一個面對應(yīng)一個車型的定位。多面體工裝通過2-旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)切換，旋轉(zhuǎn)軸側(cè)面設(shè)計有手動定位銷。使用時，通過旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)不同的角度實現(xiàn)定位工裝的切換而滿足不同零件的定位切換（圖例為旋轉(zhuǎn)180度兼容2種零件，根據(jù)實際情況也可以設(shè)計為旋轉(zhuǎn)120度兼容3種零件，或更小的角度實現(xiàn)更多種零件兼容），旋轉(zhuǎn)到位后，通過手動插銷實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸的定位 。而在一套上件對中臺中，又可以通過空間商布置多根旋轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)同一零件單次多件上件要求（本圖例設(shè)計有3根旋轉(zhuǎn)軸，即3套多面體，一次可實現(xiàn)3件零件的上件）。

上件對中臺底部設(shè)計有滾輪，車型切換時，操作線旁按鈕，3-氣動插銷氣缸的動作， 3-氣動插銷收回，人工拉出1-上件對中臺，并將需要使用的新上件對中臺推到4-地面定位機構(gòu)上。

3 機器人端拾器的應(yīng)用

如前所述的種種解決方案是立足于固定工裝的方案，隨著機器人在生產(chǎn)線的應(yīng)用越來越普遍，機器人端拾器作為定位工裝的方案也越來越廣泛。通過機器人快換機構(gòu)實現(xiàn)定位工裝的迅速切換，既解決了夾具切換節(jié)拍問題，又由于機械臂的移動的靈活性解決了夾具的定位方向及角度問題。端拾器的解決方案在主機廠主線的大型零件焊接定位優(yōu)勢尤為明顯，在各主機廠逐漸成為主要的定位夾具解決方案。但是受限于零件的結(jié)構(gòu)、尺寸、裝件角度、焊接空間等問題的影響，用端拾器實現(xiàn)零部件焊接時還是受限較大，在各零部件廠仍以傳統(tǒng)定位夾具的應(yīng)用為主。

4 結(jié)語

柔性夾具技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上解決了多車型生產(chǎn)時夾具存放場地、開發(fā)成本等問題，但面對目前汽車市場更新?lián)Q代速度越來越快的情況，單一工廠要生產(chǎn)的車型越來越多，夾具的柔性化也并不能完全解決這些問題。從根本上說，更需要產(chǎn)品設(shè)計面向制造過程，通過產(chǎn)品設(shè)計的平臺化、共用化、架構(gòu)化從根源上減小需求，多管齊下才能更好的解決制造過程的痛點，讓制造的效率更高、成本更低。

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