李魯彪

（庫(kù)卡柔性系統(tǒng)(上海)有限公司，上海 201616）

引言

當(dāng)今時(shí)代我國(guó)汽車生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，汽車生產(chǎn)的質(zhì)量也不斷提高。為了提高汽車生產(chǎn)質(zhì)量和增加汽車的整車制造精度。在汽車生產(chǎn)制造工藝中對(duì)于生產(chǎn)汽車的智能制造裝備的要求也不斷提高[1]。

焊接車間在汽車的四大工藝車間中是自動(dòng)化率最高，最為復(fù)雜的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在焊裝車間中根據(jù)汽車的生產(chǎn)工藝和零件搭接順序分為各種產(chǎn)線例如：地板線，主線，側(cè)位線以及分拼線等等。其中最重要且關(guān)乎整個(gè)白車身焊接精度的線體當(dāng)屬主線。而總拼工位是主線乃至焊裝車間最重要的一個(gè)工位。

總拼工位不僅對(duì)于整車制造精度有決定性的作用而且還關(guān)乎整車的質(zhì)量?？偲垂の辉诤侠砩a(chǎn)管理系統(tǒng)下的調(diào)度，不僅可以實(shí)現(xiàn)車輛制造智能切換，而且還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)節(jié)拍損失生產(chǎn)，對(duì)于完成車輛的多樣化高精度生產(chǎn)和達(dá)到量產(chǎn)目標(biāo)有決定性的作用。

1 FFS總拼工位基本概念和組成

主線總拼工位（如圖1所示）的作用是把汽車的左右側(cè)圍，地板總成以及頂蓋橫梁在此工位由裝用夾具進(jìn)行精準(zhǔn)定位，然后再由機(jī)器人進(jìn)行定位點(diǎn)焊（或者其他連接方式：SPR，F(xiàn)LS等），形成初步的白車身分總成，以便后續(xù)工位的頂蓋焊接和調(diào)整線的左右車門和前后機(jī)蓋的裝配等后續(xù)工藝。

圖1 總拼工位

工藝流程如下:

車型軌道布局系統(tǒng)、多車型切換生產(chǎn)情況車型切換系統(tǒng)是由4個(gè)夾具切換小車和若干條軌道做成的封閉軌道系統(tǒng)。其中主要的功能根據(jù)不同的車型進(jìn)行夾具切換，系統(tǒng)采用雙軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括夾具切換輸送軌道和夾具切換返回軌道，當(dāng)需要車型切換時(shí)，本系統(tǒng)將當(dāng)前工位中的車型夾具切換到四面體存儲(chǔ)單元中，同時(shí)將下一個(gè)車型夾具從另一個(gè)四面體存儲(chǔ)單元中切換到當(dāng)前工作工位。夾具切換完成之后系統(tǒng)的其他部分可以通過(guò)夾具返回軌道適時(shí)調(diào)整兩個(gè)存儲(chǔ)單元中的夾具數(shù)量，保證每次切換都能做到實(shí)施切換，不占用生產(chǎn)時(shí)間。

主要組成部分如表1。

表1 總拼工位主要設(shè)備構(gòu)成

2 總拼工位的設(shè)計(jì)分析

2.1汽車總拼工位的設(shè)計(jì)基本要求

1）工位內(nèi)夾具設(shè)計(jì)時(shí)，首要考慮設(shè)計(jì)的夾具具有足夠的強(qiáng)度和剛度， 滿足工藝需求和定位精準(zhǔn)的情況下結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單合理[2]。

2）夾具設(shè)計(jì)充分考慮操作、維護(hù)修理方便和安全可靠，且保證夾具裝卸方便以利于夾具修理。

3）由于總拼工位存在較多的運(yùn)動(dòng)部件，所以要考慮到運(yùn)動(dòng)部分的潤(rùn)滑便捷性或者直接選取自潤(rùn)滑材料，由于車間會(huì)有焊渣飛濺和較大灰塵，滑動(dòng)部分需考慮防塵罩的安裝和易清潔設(shè)計(jì)。

4）在進(jìn)行總拼工位設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí),設(shè)備在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡需避免相互干涉，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。人工進(jìn)入到工位維修時(shí)需要掛安全鎖，避免安全性信號(hào)丟失，對(duì)維修工人造成傷害。

5）在滿足設(shè)計(jì)和功能的前提下，應(yīng)該盡量選用標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行Gate設(shè)計(jì)時(shí)存在左右對(duì)稱的情況下，一般選取左側(cè)為設(shè)計(jì)側(cè)。

6）Skid（滑撬）或者Pallet（臺(tái)車）承載著車身進(jìn)過(guò)滾床的輸送，進(jìn)入到總拼工位。對(duì)于基準(zhǔn)的選取原則:如果是選用Skid則要避免工件在Skid上的定位基準(zhǔn)和工位內(nèi)的定位沖突，如果選用Pallet則要考慮到Pallet是否在此工位與工件脫開，如果不脫開則要考慮Pallet在工位內(nèi)的定位。

2.2汽車總拼工位的設(shè)計(jì)基本流程

1）總拼工位在設(shè)計(jì)之初首先應(yīng)該根據(jù)汽車生產(chǎn)綱要計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)拍，從而計(jì)算出所需機(jī)器人數(shù)量，焊接設(shè)備。

2）選取基準(zhǔn)。對(duì)于基準(zhǔn)的選取原則是：主定位基準(zhǔn)要保持一致，不能前后工位存在不一樣的主定位基準(zhǔn)和定位數(shù)量[3]，此原則主要是避免基準(zhǔn)選取不一致導(dǎo)致車身工差累積過(guò)大，車身面隙檢測(cè)不合格。

3）對(duì)于車身的定位焊點(diǎn)（GEO最少焊點(diǎn)）進(jìn)行分析，必要時(shí)候可借助process design 或者 process simulation 軟件進(jìn)行仿真分析，可以避免焊接路徑干涉，以及焊槍選型，大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

4）選取Skid 或者Pallet 之后保留合適的進(jìn)槍空間，之后根據(jù)機(jī)器人的可達(dá)性確定機(jī)器人安裝位置再確定合適的總拼工位的工作高度和輸送高度。

2.3汽車總拼工位的占地面積

焊裝車間主線的總拼工位原則上是越小越好，較短的總拼工位可以在長(zhǎng)度方向上預(yù)留出多余的工位來(lái)完成其他工藝，緊湊的寬度方向可以讓整個(gè)線體更加美觀，無(wú)需占用多余的物流通道，車間物流更加順暢。本文研究的一種柔性總拼工位在滿足6車型隨機(jī)生產(chǎn)且無(wú)節(jié)拍損失下。寬度方向僅為13 m，長(zhǎng)度方向僅僅占三個(gè)工位，相比市面上其他總拼占用五個(gè)工位，少了兩個(gè)工位，而長(zhǎng)度尺寸為22 m，詳見圖2。

圖2 總拼工位尺寸圖

3 總拼工位的組成單元設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)需要從夾具式樣書信息來(lái)確定夾頭的位置和數(shù)量以及主定位基準(zhǔn)的位置、延續(xù)性和數(shù)量。確定輸送定位與焊接定位不能有沖突。分析完這些信息后還要進(jìn)行PLP定位點(diǎn)分配，這些都是后期不同夾具的設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)于焊槍或者機(jī)器人可達(dá)性的分析需要由仿真人員進(jìn)行專業(yè)分析。

最后是根據(jù)設(shè)計(jì)出來(lái)的夾具以及切換設(shè)備的前后順序分析，再交由專業(yè)電氣工程師制作專業(yè)的氣路順序圖和電控圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。以上為總拼工位一般設(shè)計(jì)流程。具體步驟如下（如圖3所示）：

圖3 總拼工裝設(shè)計(jì)流程圖

1）根據(jù)生產(chǎn)綱要和綱領(lǐng)確定需要的總拼形式；

2）根據(jù)所選總拼形式結(jié)合焊點(diǎn)數(shù)量和分布確定焊接能力；

3）分析車身結(jié)構(gòu)，進(jìn)行PLP 制作；

4）輸送系統(tǒng)參數(shù):輸送高度，輸送速度等；

5）焊槍和機(jī)器人出版選型；

6）根據(jù)PLP、進(jìn)行地板夾具、側(cè)圍夾具設(shè)計(jì)；

7）夾具軌道布局和存儲(chǔ)形式設(shè)計(jì)；

8）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

9）仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證機(jī)器人負(fù)載和焊槍可達(dá)性；

10）驗(yàn)證輸送高度，輸送高度和滾床長(zhǎng)度修改；

11）根據(jù)仿真對(duì)焊槍形狀和機(jī)器人型號(hào)修改；

12）根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)夾具3D修改；

13）氣路電控圖紙。

3.1輸送設(shè)備和變頻器設(shè)計(jì)和選用

3.1.1 滾床和臺(tái)車設(shè)計(jì)

針對(duì)于不同地輸送載體Skid(圖4)和Pallet(圖5)以及節(jié)拍選取不同的滾床[4]。Skid上面只有托快和固定銷對(duì)白車身底部進(jìn)行簡(jiǎn)單定位，Pallet上面攜帶的不僅有托快，還有定位銷和鉤銷缸，對(duì)車身底部進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

圖4 Skid

圖5 Pallet

單一輥床本體長(zhǎng)度不低于5.2 m，可適應(yīng)5.5~6.2 m工位間距變化，對(duì)于超出該范圍可增加無(wú)動(dòng)力單輥或動(dòng)力雙輥來(lái)適應(yīng)臺(tái)車傳輸。相鄰輥?zhàn)拥目v向間距最大不超過(guò)1 200 mm，且在任何情況下skid/pallet必須由至少3根輥?zhàn)域?qū)動(dòng)。

滾床承重至少需考慮到Skid/Pallet+白車身重量及動(dòng)態(tài)載荷，且Skid滾床承重至少達(dá)到1.5 t以上，Pallet滾床承重至少達(dá)到2 t以上，如果Pallet涉及到風(fēng)車切換結(jié)構(gòu)，Pallet滾床稱重至少3 t，在任何情況下，標(biāo)準(zhǔn)Skid滾床（過(guò)渡滾床除外）輥?zhàn)硬簧儆?根，標(biāo)準(zhǔn)Pallet滾床（過(guò)渡滾床除外）輥?zhàn)硬簧儆?根。輥?zhàn)拥臋M向間距因滿足滑橇或臺(tái)車的通過(guò)性。

輥床的主框架板材厚度≥5 mm，主梁整個(gè)輥床框架直線度控制在3 mm以內(nèi)。

3.1.2 變頻器選用原則

輸送線所有轉(zhuǎn)接處的輥床需采用變頻調(diào)速器，轉(zhuǎn)接口的輥床需設(shè)置側(cè)向?qū)蜉喓突顒?dòng)端擋防止滑橇或臺(tái)車卡阻及異常沖出。滾床最大速度大于20 m/min的情況下，必須使用變頻控制；電機(jī)功率小于或等于4 kW，可以使用分散式變頻器控制（圖6），大于4 kW必須使用集中式變頻器控制（圖7）。

圖6 分散式變頻

圖7 集中式變頻

滾床電機(jī)一般裝在滾床外側(cè)，如空間受限必須裝在內(nèi)側(cè)需要甲方同意，所有電機(jī)帶制動(dòng)，并有手動(dòng)操作的抱閘釋放拉桿。分散式變頻器安裝在和滾床框架連接的標(biāo)準(zhǔn)安裝支架板上，樣式由甲方確認(rèn)。

滾床采用同步皮帶傳動(dòng)，Pallet滾床皮帶寬度為85 mm，Skid滾床皮帶寬度為50 mm。

滾輪需包裹聚氨酯，通過(guò)軸承與軸連接，滾輪需帶翼緣對(duì)滑橇及臺(tái)車進(jìn)行有效的導(dǎo)向和限位。

Skid滾床由傳感器控制位置，分別為占位、減速、停止、超程，且傳感器位置可調(diào)；Pallet滾床由編碼尺控制位置（空中返回線無(wú)高精度定位要求工位除外）。

3.1.3 雪橇和臺(tái)車一般參數(shù)

為保證輥床的美觀性，采用噴漆或烤漆，同時(shí)輥床支腿安裝在C型槽內(nèi)，機(jī)架的高度可調(diào)（調(diào)整范圍>50 mm）。

Skid滾床的傳輸統(tǒng)一高度為483 mm，Pallet滾床的傳輸統(tǒng)一高度為600 mm。

Skid滾床的速度根據(jù)工藝需要最大可達(dá)到75 m/min，Pallet滾床的速度根據(jù)工藝需要最大可達(dá)到125 m/min；如無(wú)特殊要求，地面Pallet滾床系統(tǒng)水平傳輸時(shí)間應(yīng)不大于5.5 s，上升/下降時(shí)間（如涉及）不大于1.5 s；工藝生產(chǎn)線外的空中輸送部分，傳輸速度需要達(dá)到36 m/min。

在生產(chǎn)線尾，需要設(shè)計(jì)臺(tái)車下、上線工位，配套慢速動(dòng)力輥床，輔助臺(tái)車上、下生產(chǎn)線，并且臺(tái)車上、下線均相關(guān)設(shè)備及控制邏輯保證生產(chǎn)隊(duì)列以及臺(tái)車隊(duì)列。

滾床系統(tǒng)精度需滿足工藝設(shè)計(jì)要求， Pallet系統(tǒng)重復(fù)定位精度（Pallet定位在滾床上最終重復(fù)精度）要求如下：

1）所有滾床速度不大于36.6 m/min需要提供扶手圍欄進(jìn)行防護(hù)，如無(wú)其他規(guī)定，扶手圍欄由直徑25 mm的圓鋼管構(gòu)成，圍欄高1 067 mm，中間橫檔高534 mm，且底部有100 mm高的踢腳板；且需要提供自關(guān)門供維護(hù)人員通過(guò)，門上需懸掛警示標(biāo)識(shí)。

2）所有滾床速度大于 36.6 m/min需要提供安全圍欄防護(hù)，每個(gè)機(jī)運(yùn)單元至少有兩個(gè)安全門/通道，人員進(jìn)入?yún)^(qū)域需要由符合安全要求的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)防護(hù)。

在不同工況下，10臺(tái)次的測(cè)量數(shù)據(jù)表2。

表2 精度誤差表

對(duì)于GEO工位，在下降位至少有6組支撐托塊對(duì)臺(tái)車進(jìn)行支撐，且有導(dǎo)向輪，定位銷等結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)精度滿足要求。

生產(chǎn)制造按照節(jié)拍來(lái)分可以分為普通節(jié)拍（≤45 JPH）和高節(jié)拍（≥45 JPH）。首先考慮節(jié)拍原則的情況下Skid和Pallet都適用于普通節(jié)拍和高節(jié)拍，滾床按照節(jié)拍不同可以分為普通滾床和高速滾床。目前主流汽車制造廠在制定前期規(guī)劃方案和考慮投資產(chǎn)出比的前提下，基本上是按照以下兩個(gè)原則：Skid和低速滾床或者高速滾床使用或者Pallet配合高速滾床使用。

3.2 軌道布局和小車設(shè)計(jì)

3.2.1 工裝基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

總拼工位軌道的布局主要作用是連接Gate的存儲(chǔ)位置和工作位。主線總拼工位的軌道布局主要時(shí)根據(jù)后期車型投入多少和生產(chǎn)方式來(lái)確定的[5]。布局原則有以下三種：

1）引入車型小于等于4種且主線白車身生產(chǎn)方式為批量切換切。其軌道布局為以主線焊機(jī)工位為起始點(diǎn)向工位左右兩側(cè)中的任意一側(cè)延伸，且必須與Y向垂直。如果引入車型不變且生產(chǎn)方式為隨機(jī)生產(chǎn)，那么工作為兩側(cè)都需要向工位兩側(cè)延伸的軌道依然遵守與Y向平行的原則。

2）引入車型小于等于6種且主線白車身生產(chǎn)方式為批量切換切。其軌道布局為以主線焊機(jī)工位為起始點(diǎn)向工位左右兩側(cè)延伸，且必須與Y向垂直。如果引入車型不變且生產(chǎn)方式為隨機(jī)生產(chǎn)，軌道布局形式不變，但是工位靠近物流通道一側(cè)必須布置一條返回軌道以保證，切換時(shí)間不占用工位公益時(shí)間。

3）引入車型大于6但小于8種且主線白車身生產(chǎn)方式只能為批量切換切。其軌道布局為以主線焊機(jī)工位為起始點(diǎn)向工位左右兩側(cè)延伸，且必須與Y向垂直。而且不需要在工位靠近物流通道一側(cè)布置返回軌道，切換軌道和返回軌道詳見圖8。

圖8 軌道示意圖

小車的主要作用就是把需要生產(chǎn)的車型工裝在軌道上滑移進(jìn)入工作位。一般來(lái)說(shuō)總拼工位系統(tǒng)單側(cè)滑車數(shù)量總數(shù)是4組，這4組小車的布置原則是總拼內(nèi)側(cè)滑移軌道兩個(gè)滑移小車，其功能是帶動(dòng)Gate實(shí)現(xiàn)Y向滑動(dòng)；總拼工位1個(gè)滑移小車，拖動(dòng)Gate在X向移動(dòng)，外側(cè)軌道布置1臺(tái)滑移小車實(shí)現(xiàn)Gate在外側(cè)軌道上的切換；小車示意圖9。

圖9 小車示意圖

針對(duì)于總拼工位柔性生產(chǎn)方式和工位內(nèi)小車工作流程說(shuō)明:工位內(nèi)PLC接收到從上一個(gè)工位或者車型生產(chǎn)管理系統(tǒng)下達(dá)的下一個(gè)車型指令，PLC信號(hào)下達(dá)切換指令。與此同時(shí)工位內(nèi)執(zhí)行Y向移動(dòng)的小車由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，把當(dāng)前車型Gate移動(dòng)到內(nèi)側(cè)軌道上，感應(yīng)器檢測(cè)到信號(hào)之后就會(huì)發(fā)信號(hào)給執(zhí)行X向移動(dòng)的電機(jī)（圖10），之后電機(jī)1執(zhí)行動(dòng)作是帶著Gate遠(yuǎn)離工作位且逐漸靠近庫(kù)存位，電機(jī)2執(zhí)行動(dòng)作是，拖著適用于下一車型的新Gate從另一端的庫(kù)存位置到達(dá)工作位，感應(yīng)器檢測(cè)到新車型Gate到位置之后并進(jìn)行車型Gate確認(rèn)，等到信號(hào)確認(rèn)無(wú)誤后，執(zhí)行Y向移動(dòng)的小車拖著Gate向工位內(nèi)側(cè)移動(dòng)，開始新車新的加緊，定位工作。

圖10 XY向小車示意圖

小車只負(fù)責(zé)牽引和切換工作，如果需要焊接還需要把Gate進(jìn)一步加緊定位。在進(jìn)入縮緊位置之前X向小車自帶精度導(dǎo)向塊會(huì)滑入安裝在Base板上的精度導(dǎo)槽，由此糾正Gate在X向的精度誤差；繼續(xù)向內(nèi)部滑動(dòng)時(shí)，Gate下部的Z向的精度塊會(huì)與安裝在Base板上的Z向支撐貼合，以保證Z向不會(huì)因?yàn)闆]有支撐而懸空導(dǎo)致的撓度變形，當(dāng)Gtae滑動(dòng)到位時(shí)，Gate上自帶的Y向精度塊和銷子會(huì)與兩側(cè)的立柱上的精度孔和精度塊匹配，然后實(shí)施加緊。以上X，Y和Z向的定位完成后Gate的空間精度定位，機(jī)器人就可以開始進(jìn)行焊接和其他工藝，見圖11。

圖11 小車定位示意圖

4 總結(jié)

對(duì)總拼工位各個(gè)組成單元的研究和分析，又結(jié)合焊裝車間實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)總拼工位內(nèi)各個(gè)單元分析總結(jié)如下:

1）采用高速滾床輸送車身可以使線體輸送時(shí)間由原來(lái)的12 s以上減少到8 s左右，大大提高到了總拼工位的焊接能力；

2）將標(biāo)準(zhǔn)的四面體轉(zhuǎn)臺(tái)切換形式應(yīng)用在地板總拼夾具上，最多可以滿足四種不同平臺(tái)的車型定位；

3）傳統(tǒng)的地面鋪設(shè)軌道對(duì)Gate存儲(chǔ)形式變?yōu)樗拿孓D(zhuǎn)鼓/轉(zhuǎn)臺(tái)形式，則對(duì)總拼工位的整體占地面積減少30 %左右；不僅使整個(gè)線體看起來(lái)更加美觀，而且維修的便捷性也大大提高了；

4）側(cè)圍夾具的夾頭巧妙優(yōu)化，車身夾具的整體重量將大大減少，使得能源消耗也隨之降低，夾具的維修便利性也大大提高；

5）對(duì)于機(jī)器人采用地面和空中的雙層布置，使得機(jī)器人在焊接可達(dá)性上實(shí)現(xiàn)無(wú)死角焊接，減少機(jī)器人的使用種類，對(duì)于機(jī)器人的前期投資大大降低以及后期機(jī)器人的備件種類也隨之減少[6]；

6）點(diǎn)焊槍和鉚槍以及鋁點(diǎn)焊的合理分配將打破一個(gè)工位只能實(shí)現(xiàn)同一種連接工藝的“魔咒”，使得不同車身零部件的連接工藝更加靈活，也降低后期車型導(dǎo)入時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。