何道聰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

柔性焊裝線的規(guī)劃及應(yīng)用

何道聰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

論述了目前汽車生產(chǎn)制造模式的轉(zhuǎn)變，即從過去的單品種大批量生產(chǎn)模式到目前的多品種小批量生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，闡述了柔性焊裝線的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)規(guī)劃需要考慮的因素，詳細(xì)介紹了適用于公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及廠房空間要求的多車型柔性線規(guī)劃設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

柔性；焊裝線；工藝規(guī)劃

目前，工業(yè)用地資源緊缺，汽車企業(yè)需在有限的工廠空間進(jìn)行多品種車型的生產(chǎn)制造；另一方面，汽車車型的多樣化及更新?lián)Q代的速度需不斷滿足市場需求。傳統(tǒng)的單車型專用焊接生產(chǎn)線在用地成本、固定資產(chǎn)投資成本方面造成極大的浪費(fèi)。因此各汽車主機(jī)廠逐漸開始引進(jìn)柔性焊裝生產(chǎn)線，即一條焊裝線可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)車身的焊接生產(chǎn)，這樣不但減少了工裝夾具的投入，還縮短了生產(chǎn)線的開發(fā)周期。其廠房、公用動(dòng)力設(shè)施和通用設(shè)備只需一次性投入即可，每次開發(fā)新車型，只需要增加專用車型的設(shè)備工裝。在開發(fā)新車型時(shí)，不需要新建或拆遷現(xiàn)有的焊裝線之后重建新的生產(chǎn)線，廠房、設(shè)備、公用動(dòng)力設(shè)施等都不需重復(fù)投資。本文主要闡述了柔性焊裝線的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)規(guī)劃需要考慮的因素，詳細(xì)介紹了適用于公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及廠房空間要求的多車型柔性線規(guī)劃設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1　柔性焊裝線的概念及特點(diǎn)

所謂柔性焊裝線，是指通過自動(dòng)切換夾具機(jī)構(gòu)和電氣控制程序等手段實(shí)現(xiàn)多種車身拼裝焊接的焊裝線。其特點(diǎn)主要有自動(dòng)化程度高、一次性投資大、夾具機(jī)構(gòu)復(fù)雜、使用維護(hù)成本高、技術(shù)含量高等。柔性生產(chǎn)線一般需要采用大量的焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、夾具切換裝置、自動(dòng)焊接設(shè)備和PLC控制系統(tǒng)等［1］。

2　多車型柔性焊裝線的規(guī)劃

2.1柔性焊裝線規(guī)劃需考慮的因素

規(guī)劃一條高水平的柔性焊裝線，需要考慮諸多方面的因素，包括產(chǎn)品、節(jié)拍、自動(dòng)化程度、輸送方式、關(guān)鍵工位構(gòu)造形式、物流、廠房結(jié)構(gòu)、場地空間、安全、環(huán)保、成本，質(zhì)量及效率等要求［1］。其關(guān)鍵的因素是柔性線需要共線生產(chǎn)車型種類，柔性生產(chǎn)方式（混批還是混流）。以下通過一個(gè)實(shí)例闡述柔性生產(chǎn)性的規(guī)劃過程。

2.2前期策略性輸入

為使規(guī)劃設(shè)計(jì)順利進(jìn)行并取得良好效果，必須輸入前期策略信息，主要包括：生產(chǎn)節(jié)拍、投資策略、自動(dòng)化率、可生產(chǎn)車型種類及最大車身尺寸、自制或采購策略、場地選址等。

新建柔性焊裝線前期策略輸入如下：

（1）可生產(chǎn)產(chǎn)品：A、B和C兩種車型，其中A車型為非承載式車身，B、C車型為承載式車身結(jié)構(gòu)，預(yù)留將來D平臺(tái)車型全車型柔性能力；

（2）生產(chǎn)節(jié)拍為40JPH，自動(dòng)化率大于70%；

（3）以混批方式實(shí)現(xiàn)小批量品種車型柔性共線生產(chǎn)，生產(chǎn)線體設(shè)計(jì)考慮與公司內(nèi)其他柔性線具備互換、移植性；

（4）通過最大白車身尺寸（長×寬×高）：4 800mm ×1 800 mm×1 600 mm；

（5）生產(chǎn)線組成：前車體線、左右側(cè)圍線、頂蓋線及主線（含下車體及總拼線），不包括門蓋線。

（6）場地：拆除原老產(chǎn)品線D線，在原址新建柔性生產(chǎn)線。

2.3產(chǎn)品工藝性分析

根據(jù)前期制造策略輸入可確定需要共線生產(chǎn)的A、B、C三種車型，以及預(yù)留的未來D車型，焊裝生產(chǎn)線的最初規(guī)劃決定了它的柔性制造能力，因此規(guī)劃初期就需要對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性分析，分析產(chǎn)品的分塊模式、結(jié)構(gòu)型式、零件上件流程等，評(píng)估幾種產(chǎn)品共線生產(chǎn)的可行性及實(shí)現(xiàn)共線生產(chǎn)的難易程度，據(jù)此選擇最合適、最經(jīng)濟(jì)的柔性焊接裝線方案。對(duì)于未來車型D，在前期開發(fā)階段就要輸入MR（制造要求），對(duì)產(chǎn)品開發(fā)過程進(jìn)行SE（同步工程）分析，約束產(chǎn)品設(shè)計(jì)需根據(jù)焊裝線的工藝規(guī)劃和柔性能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足柔性制造要求。否則，當(dāng)零件分塊差異較大，零件上線流程的差異性超出生產(chǎn)線的柔性能力時(shí)，后續(xù)導(dǎo)入車型將無法共線生產(chǎn)，因此產(chǎn)品工藝性分析數(shù)據(jù)對(duì)于柔性線前期工藝規(guī)劃非常重要。生產(chǎn)線規(guī)劃前期對(duì)可能導(dǎo)入車型的零件上線流程樹進(jìn)行共性和差異性充分分析后，可以制定柔性線的工藝預(yù)留方案，從而確保焊裝線能夠滿足后續(xù)車型柔性生產(chǎn)需求。

通過產(chǎn)品工藝性分析，結(jié)合制造策略及以往經(jīng)驗(yàn)編制柔性生產(chǎn)線的BOP（building of process產(chǎn)品工藝流程圖），BOP主要表達(dá)完成一個(gè)車身的焊接，是通過什么工序來完成。主要目的是確定焊接工藝路線，確定需要拼焊的焊接總成及上件數(shù)量，差異化零件的上線流程，初步確定生產(chǎn)線的工位數(shù)量，每個(gè)工位工藝內(nèi)容劃分等，為焊裝線線體規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖1為實(shí)例的柔性焊裝線的BOP.

圖1　柔性線BOP

2.4柔性焊裝線的線體設(shè)計(jì)及布置

柔性焊裝線的規(guī)劃首先需要根據(jù)BOP及前期策略確定線體的工位數(shù)量、工位節(jié)距及線體長度，然后，再根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)、尺寸、物流路線、上下工序的搬運(yùn)要求等要素確定柔性焊裝線在車間的位置及方向。

柔性焊裝線線體設(shè)計(jì)關(guān)鍵工裝、工藝技術(shù)方案確定主要包括：柔性輸送系統(tǒng)技術(shù)方案，關(guān)鍵工位方案（包含柔性夾具切換技術(shù)方案、總拼技術(shù)方案、零件上件方案），機(jī)器人的應(yīng)用等，確定了以上關(guān)鍵技術(shù)方案，柔性焊裝線體結(jié)構(gòu)模式及整體方案也就確定了。

2.4.1柔性輸送系統(tǒng)技術(shù)方案

柔性輸送系統(tǒng)主要分線體內(nèi)輸送系統(tǒng)和線體間輸送系統(tǒng)，線體內(nèi)輸送指的是主線或分拼線工位間的輸送，線體外輸送指的是分拼線到主線的輸送。

主線輸送線常見有往復(fù)式輸送線和輥床加隨行夾具輸送線兩種，往復(fù)式輸送線由于臺(tái)車定位及線旁夾具的限制，其柔性能力較差，一般能柔性2～3種車型，應(yīng)用NC柔性夾具可以柔性5～6種車型，但NC柔性夾具成本高，由于受結(jié)構(gòu)限制，后續(xù)導(dǎo)入車型差異較大時(shí)，將無法實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)；輸送速度慢，一般需要20 s左右，效率不高。

輥床加隨行夾具輸送線，車身定位由隨行夾具進(jìn)行定位，通過切換夾具可以實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，車型柔性擴(kuò)展性好，理論上可柔性無限車型。輸送速度快，且速度可調(diào)，目前高速輥床能實(shí)現(xiàn)工位輸送（工位間距5～6 m）節(jié)拍不超過10 s，其中傳輸時(shí)間不超過6 s，上升、下降均不超過2 s，快速的輸送不僅縮短了工位之間的傳輸時(shí)間，更為后續(xù)的焊接或上件留出了更多的時(shí)間，提高了機(jī)器人或其它設(shè)備的利用率。

公司新建柔性線主線采用高速輥床加滑撬加隨行夾具的創(chuàng)新模式，輥床和滑撬作為公共基礎(chǔ)架構(gòu)不變，車型切換時(shí)只需通過機(jī)器人插拔切換隨行夾具單元（共六組）即可，不需整體切換滑撬和隨行夾具，大大節(jié)省了夾具存儲(chǔ)空間及夾具開發(fā)成本，既實(shí)現(xiàn)了高速輸送，高節(jié)拍生產(chǎn)，又實(shí)現(xiàn)了全車型柔性的制造策略，滿足柔性線之間互換、移植性要求。根據(jù)側(cè)圍加主線布局區(qū)域面積（120 m×22m）、廠房鋼構(gòu)形式及標(biāo)高、車間物流路線和分拼線的搭配等因素，輸送線選擇直線布局，雙層結(jié)構(gòu)，上層輸送車身，下層空撬返回，輸送線截面如圖2所示。

圖2　輸送線截面

輥床結(jié)構(gòu)見下圖3.

圖3　輥床

線體間的輸送方式主要采用EMS自行小車直線往復(fù)或環(huán)線輸送，七軸機(jī)器往復(fù)輸送和機(jī)器人直接搬運(yùn)分總成的輸送方式，根據(jù)分拼線與主線的搭配情況及場地布局，前車體總成到主線采用EMS自行小車往復(fù)輸送方式，側(cè)圍到主線采用EMS小車環(huán)線輸送方式。

2.4.2關(guān)鍵工位方案

關(guān)鍵工位方案主要包含柔性夾具切換技術(shù)方案、總拼技術(shù)方案、零件上件方案等。公司新建柔性線關(guān)鍵工位有：下車體三大總成（前車體、后部下車體及前地板）合拼工位、隨行夾具機(jī)器人切換工位、門檻內(nèi)板及前側(cè)板上件工位、前艙上邊梁上件工位、頂蓋上件工位及總拼工位。

（1）下車體三大總成UB10上件工位，前地板和后部下車體由人工推送至線旁，人工吊運(yùn)至對(duì)中臺(tái)，對(duì)中臺(tái)滑移至機(jī)器人抓取區(qū)域，由機(jī)器人抓取上線。前車體由機(jī)器人從空中EMS小車抓取上線。工藝布局見下圖4所示。

圖4　下車體三大總成合拼工位布局

三大件的定位夾具的柔性切換方案，使用小車人工進(jìn)行切換，氣電能源通過快插拔的方式進(jìn)行切換。夾具基座不動(dòng)，只切換上部的夾具，如下圖5所示。

圖5　夾具切換示意圖

前地板、后部下車體對(duì)中臺(tái)及機(jī)器人抓手的切換方案：對(duì)中臺(tái)的夾具結(jié)構(gòu)與三大總成合拼夾具類似，車型切換時(shí)，機(jī)器人抓手放置到對(duì)中臺(tái)夾具上跟隨對(duì)中臺(tái)夾具一起切換出來，如下圖6所示。

圖6　對(duì)中臺(tái)切換示意圖

由于場地受限，該工位沒有設(shè)計(jì)夾具存儲(chǔ)庫，不能實(shí)現(xiàn)夾具快速自動(dòng)切換，需手工切換三大總成的合拼夾具，這種方式切換時(shí)間較長，效率不高，只能利用停產(chǎn)時(shí)間切換，只能滿足混批生產(chǎn)方式，不能滿足混流生產(chǎn)模式。在場地允許的情況下，今后應(yīng)設(shè)計(jì)兩個(gè)以上的夾具存儲(chǔ)位，通過伺服電機(jī)及地面軌導(dǎo)實(shí)現(xiàn)線體內(nèi)夾具自動(dòng)切換。當(dāng)需將其中一套夾具切換到線外時(shí)，可實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊切換，不需停產(chǎn)，減少產(chǎn)能損失。對(duì)中臺(tái)目前也只有一個(gè)，同理，今后設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮兩個(gè)對(duì)中臺(tái)。

（2）隨行夾具機(jī)器人切換工位（見圖7）：UB10工位焊接機(jī)器人焊接完成后，由搬運(yùn)機(jī)器人通過第七軸移動(dòng)將車體搬運(yùn)至UB20工位，在此之前，空撬移至低位，能源接入，車體由搬運(yùn)機(jī)器人放至隨行夾具上，隨行夾具定位鉤銷夾緊，能源脫離，滑撬脫起車體至輸送機(jī)構(gòu)上層工作位，準(zhǔn)備進(jìn)入U(xiǎn)B30工位。該工位左右各一臺(tái)機(jī)器人，當(dāng)現(xiàn)有隨行夾具無法實(shí)現(xiàn)兼容下一車型時(shí)，通過隨行夾具快插拔取下夾具，放至隨行夾具存儲(chǔ)區(qū)，并切換新車型隨行夾具放至滑撬上實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。該方式理論上可以實(shí)現(xiàn)全車型柔性能力。

圖7　隨行夾具機(jī)器人切換工位布局

（3）門檻內(nèi)板、前艙上邊梁、頂蓋等零件上件工位方案：采用精確料框分裝零件并進(jìn)行定位，機(jī)器人抓取上件方式，上件工位內(nèi)一般設(shè)計(jì)兩個(gè)以上的抓手存放架，當(dāng)車型超出抓手存放架，無法實(shí)現(xiàn)抓手共用時(shí)，需將抓手切換出來，導(dǎo)入新車型抓手。目前采用專用切換小車推到精確料位置，機(jī)器人將抓取方式進(jìn)行切換。上件工位的上料口也要至少兩個(gè)上料口，以提高上件效率，滿足高節(jié)拍要求，同時(shí)便于抓手切換，減少車型切換時(shí)間，減少產(chǎn)能損失。

（4）柔性化總拼技術(shù)

總拼技術(shù)是汽車焊接生產(chǎn)線的核心，總拼工位的結(jié)構(gòu)精度直接關(guān)系到整車的拼焊質(zhì)量和精度。采用不同形式的總拼技術(shù)，對(duì)車型種類、生產(chǎn)節(jié)拍、占地面積、平面布置及投資成本，以及今后的車型切換、產(chǎn)品升級(jí)都起著決定性的作用［2］。

目前，多車型車身總拼形式有多面翻轉(zhuǎn)體總拼夾具、OPEN GATE總拼夾具、GBL總拼夾具、機(jī)器人切換式總拼夾具等。

多面翻轉(zhuǎn)體總拼夾具結(jié)構(gòu)示意圖如下圖8所示，這種結(jié)構(gòu)剛性較強(qiáng)，車型切換方式簡單，無需機(jī)器人輔助，但結(jié)構(gòu)龐大，占用空間較大，而且作業(yè)空間狹窄，因此可以焊接的焊點(diǎn)數(shù)量較少。這種夾具方式最多能柔性4種車型，后續(xù)擴(kuò)展車型難度較大［1］。

圖8　多面翻轉(zhuǎn)體總拼結(jié)構(gòu)

OPEN GATE總拼夾具結(jié)構(gòu)示意圖見下圖9，這種結(jié)構(gòu)具有夾具切換智能化，可實(shí)現(xiàn)混流模式生產(chǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍大、車型柔性化好、幾何尺寸穩(wěn)定以及后期車型導(dǎo)入對(duì)現(xiàn)生產(chǎn)影響較小的特點(diǎn)，但占用空間場地較大，前期投資成本高。

圖9　OPEN GATE總拼夾具結(jié)構(gòu)

GBL總拼夾具結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示，夾具從車身頂部伸入，按車身內(nèi)部定位基準(zhǔn)點(diǎn)在車身內(nèi)部對(duì)車身定位夾緊。這種方式柔性水平高，通用性和互換性最好，投資相對(duì)較小，由于夾具存儲(chǔ)在空中，地面占地面積小，可實(shí)現(xiàn)混流模式生產(chǎn)，其缺點(diǎn)是生產(chǎn)節(jié)拍提升受限，50以上節(jié)拍建議不要考慮這種結(jié)構(gòu)。

圖10　GBL總拼夾具結(jié)構(gòu)

機(jī)器人切換式總拼夾具見下圖11，主要用機(jī)器人抓取不同車型的定位夾具進(jìn)行裝配和切換，從而實(shí)現(xiàn)不同車型的夾具切換和對(duì)車身的定位夾緊。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)可把車身成形夾具分為3可4部分。由機(jī)器人抓舉定位夾具進(jìn)行裝配定位成形，夾緊焊接。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可滿足多車型混流柔性生產(chǎn)，投資成本低，缺點(diǎn)是定位夾具剛性不佳、夾具容變形，難修復(fù)。

圖11　機(jī)器人切換式總拼

各種結(jié)構(gòu)的總拼夾具各具特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)車型數(shù)量、車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等具體要求選擇最合適、最經(jīng)濟(jì)的總拼方式。由于場地寬度受限，公司柔性線主要采用GBL的總拼方式，拼臺(tái)夾具存儲(chǔ)在空中二層，設(shè)計(jì)6種車型的夾具存放，當(dāng)?shù)?種車型導(dǎo)入時(shí)，只需替換夾具庫中的1種車型夾具出來即可，車型柔性擴(kuò)展能力好，可實(shí)現(xiàn)全車型的柔性生產(chǎn)?？偲垂の徊季秩缦聢D12所示。

圖12　總拼工位工藝布局

2.4.3柔性線平面布局圖（LAYOUT）

輸送線、定位夾具、總拼柔性及上件方案確定后，根據(jù)BOP，車身焊點(diǎn)分配、工位時(shí)序分析，機(jī)器人仿真分析，確定生產(chǎn)線的工位數(shù)，機(jī)器人布局及數(shù)量，工藝設(shè)備，最后確定柔性線的平面布局圖，主線直線布置長寬120 m×12 m，前車體及側(cè)圍布在主線兩側(cè)，前車體長寬40 m×14 m，左右側(cè)圍在主線同側(cè)對(duì)稱布置，詳見下圖13.

圖13　柔性線平面布局圖

2.5柔性焊裝線電控系統(tǒng)

所有的機(jī)械機(jī)構(gòu)都是系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)，需要解決：如何將這些執(zhí)行系統(tǒng)按照工藝要求進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)它們之間的互鎖關(guān)系，以保證運(yùn)行中不因誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障或損壞；如何識(shí)別車型信息以切換機(jī)器人程序及工裝夾具機(jī)構(gòu)。為解決這些問題，需要配備一個(gè)完整的電氣控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)基本由上位PC機(jī)、PLC控制器、通訊模塊、現(xiàn)場總線、觸摸屏、MOBY讀寫裝置、車型載碼體、安全裝置及各種輔助電氣元件構(gòu)成［1］。通過電控系統(tǒng)可以控制機(jī)器人切換程序或控制夾具機(jī)構(gòu)的切換，這樣即可保證每種車型均可匹配一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的機(jī)器人程序或夾具機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)。

4　結(jié)束語

車身制造是汽車制造的重要環(huán)節(jié)之一，車身焊接是對(duì)車身性能起決定性因素的制造環(huán)節(jié)，隨著全球汽車工業(yè)及國內(nèi)汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，多車型、變批量的汽車生產(chǎn)將成為必然趨勢(shì)，多車型柔性焊裝生產(chǎn)線的研究應(yīng)成為各車企焊裝工程技術(shù)人員的重點(diǎn)研究課題，如何結(jié)合公司的產(chǎn)品、廠房條件及投資策略等，規(guī)劃一條最合適、最經(jīng)濟(jì)的車身柔性焊裝線，減少后續(xù)產(chǎn)品工裝夾具開發(fā)的投資，同時(shí)也可以游刃有余地應(yīng)變千變?nèi)f化的市場需求變得尤為重要。

［1］李占營.論轎車車身柔性焊裝線的規(guī)劃及應(yīng)用［J］.汽車工藝與材料，2010，32（9）：17-20.

［2］杜坤.柔性化焊接制造技術(shù)在江淮汽車上的應(yīng)用［J］.汽車工藝與材料，2014，33（3）：9-13.

The Planning and Application ofMultitype Flexible Welding Line

HE Dao-cong
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

The paper discusses the change of automobilemanufacturning mode，that is，the transformation from the previous single variety to the currentmulti variety and small batch production mode.Describes the characteristics and design planning of flexible welding line needs to comsider the factors，introduces in detail the applicable to the company'smodels aremore flexilble line planning，design and application of.

flexilble；welding line；process planning

TG391

A

1672-545X（2016）05-0236-05

2016-02-13

何道聰（1981-），男，廣西柳州人，學(xué)士，工程師，主要研究方向：汽車車身工藝性分析、工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)、先進(jìn)車身焊接技術(shù)研發(fā)。