張正舉 李福貴 張惠立 謝晉全

摘要：新車型研發(fā)的樣車試制階段，白車身是通過總拼拼臺工裝對下車體、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、精確的車身結(jié)構(gòu)。隨著人們對汽車個(gè)性化需求的提高，車企對車型的更新?lián)Q代越來越快，這對樣車試制中白車身焊接效率的提升帶來了挑戰(zhàn)。目前，樣車試制的總拼拼臺主要為平移式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)柔性較弱，無法滿足車型快速切換的需求，影響產(chǎn)線效率。針對平移式總拼拼臺的問題，文章提出了一種樣車試制的白車身總拼焊裝柔性化拼臺設(shè)計(jì)理念，通過氣控和電控程序的控制方法集成自動化模塊化工裝，再輔以簡單的手動多點(diǎn)滑移手段，設(shè)計(jì)出在一個(gè)工位就可以完成白車身總拼自動化定位焊接和不同車型快速切換的焊裝的柔性化拼臺。該拼臺具有占地小、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，使車企產(chǎn)線效率提升了6倍，改善效果顯著。

關(guān)鍵詞：樣車試制；白車身；拼臺；總拼焊裝；柔性化

中圖分類號：U468.21? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0015-04

0 引言

在現(xiàn)有新車型樣車試制過程中，白車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)拼臺和4個(gè)基礎(chǔ)立柱構(gòu)成。下車體的主定位夾具單元固定在基礎(chǔ)拼臺上，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)車型不同時(shí)，需要在總拼上重新安裝對應(yīng)車型的定位夾具單元，在同一時(shí)段不能進(jìn)行車型切換，該總拼結(jié)構(gòu)形式在多車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，總拼工位的拼臺形式更加柔性化、平臺化、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)勢和劣勢。本文結(jié)合樣車試制過程中，綜合考慮場地、投資成本、柔性化等方面的影響因素，自主開發(fā)了一種白車身總拼焊裝柔性化拼臺，可以實(shí)現(xiàn)高柔性化、高集成度的樣車總拼自動化焊接形式，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開發(fā)方案

開發(fā)新的白車身總拼焊裝柔性化拼臺前，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］。該拼臺用于自動化焊接島中，集成了AGV（自動導(dǎo)引運(yùn)輸車）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更好地用于自動化焊接島，研究人員提前規(guī)劃工藝布局，通過模擬仿真，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功能實(shí)現(xiàn)存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，并給出解決相關(guān)問題的方案措施。

該總拼焊裝柔性化拼臺可以用于樣車試制多車型同步開展的自動化焊接島中，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)滿足不同車型的柔性化焊接。該柔性化拼臺的基本工作方案如下：通過AGV輸送預(yù)裝白車身到拼臺工位后，拼臺上的NC定位系統(tǒng)運(yùn)動頂升白車身到定位焊接位置，通過機(jī)器人按先后順序抓取零件夾具抓手放到對應(yīng)的零件拼臺模塊上，拼臺模塊移動到定位夾緊零件處進(jìn)行定位焊接，焊接完成后，零件拼臺模塊回到原位，AGV再輸送白車身離開該拼臺工位。

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)問題。

（1）滿足車身和機(jī)器人的通過性。自動化焊接島采用 AGV輸送白車身，拼臺內(nèi)側(cè)需布置在合理位置，保證不同車型的白車身能正常從拼臺中間通過。機(jī)器人放置在7軸導(dǎo)軌上，可以前后移動，為了不影響機(jī)器人的自由移動，拼臺外側(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性?？偲聪萝圀w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。車身總拼除了要進(jìn)行下車體和左、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、拼臺結(jié)構(gòu)形式等。

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

（5）自動化控制拼臺集成模塊。拼臺結(jié)構(gòu)模塊化，要通過電控程序和氣動程序?qū)崿F(xiàn)拼臺部分模塊的自動化控制。

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

2 總拼焊裝柔性化拼臺設(shè)計(jì)

2.1通過性設(shè)計(jì)要求

總拼焊裝拼臺一般分成2個(gè)部分：總拼左拼臺和總拼右拼臺，車身進(jìn)入拼臺工位內(nèi)，通過左、右拼臺完成對白車身的定位夾緊。車身的寬度一般在2 m左右，總拼拼臺左、右間距應(yīng)能保證不同車型的白車身順利通過，但又不能過寬，需考慮白車身定位夾具結(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)器人的移動且需保證機(jī)器人抓取焊鉗后能正常進(jìn)行白車身焊接。通過虛擬仿真分析，確定拼臺最大寬度為4 m，內(nèi)側(cè)上部最大間距為2.1 m，確保內(nèi)側(cè)車身和外側(cè)機(jī)器人的通過性需求，拼臺布局示意圖如圖2所示。

2.2 NC柔性定位機(jī)構(gòu)的布置

總拼拼臺包含對預(yù)裝白車身下車體的定位，該拼臺采用NC柔性定位機(jī)構(gòu)定位下車體，可以兼容不同車型下車體的定位，并能通過電控程序快速切換。需要布置6個(gè)NC在拼臺底板上，其中4個(gè)NC主定位銷，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)不與拼臺立柱干涉，保證NC三向位移的通過性。首先，確認(rèn)6個(gè)NC柔性定位點(diǎn)范圍，通過分析現(xiàn)有車型主要下車體主定位三向位置，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；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700 mm、寬700 mm、高200 mm的長方體內(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，需保證輸送白車身的AGV順利通過，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)工位完成總拼白車身的定位焊接，焊裝柔性化拼臺采用模塊化的結(jié)構(gòu)形式集成。除下車體定位采用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輸送白車身的通過性，立柱Y向需要增加氣動機(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，保證白車身通過時(shí)不發(fā)生干涉且氣動機(jī)構(gòu)行程不宜過長，否則會與外側(cè)機(jī)器人7軸移動軌跡干涉，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)裝在白車身上隨車一起輸送到定位焊接工位，拼臺需對尾端板的夾具抓手進(jìn)行定位夾緊，在拼臺左、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)器人通過拼臺上布置的輔助導(dǎo)向滾輪直接把夾具抓手推送到拼臺定位機(jī)構(gòu)處，實(shí)現(xiàn)對其定位夾緊，此外在拼臺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)沒有直接布置在拼臺立柱上，而是通過在左、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)的焊裝拼臺可以在同一個(gè)工位實(shí)現(xiàn)（如圖6所示）。白車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_前立柱布置位置剛好在該處，直接補(bǔ)焊沒有焊接空間，為了能在該工位補(bǔ)焊，需把移開拼臺立柱，此處需要設(shè)計(jì)一套滑移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拼臺的移動。該拼臺移動只需兩個(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)器人通過拼臺上布置的輔助導(dǎo)向滾輪直接把夾具抓手推送到拼臺定位機(jī)構(gòu)處，實(shí)現(xiàn)對夾具抓手的定位夾緊。

2.4 不同車型的柔性化定位焊接

為實(shí)現(xiàn)不同長度的車型都能在該拼臺進(jìn)行焊接，需實(shí)現(xiàn)在長度方向上的調(diào)節(jié)。在拼臺后立柱設(shè)置手動滑移機(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，可以滿足短車型到長車型范圍使用。本文選用手動滑移機(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)簡單的手動滑移機(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，采用手動滑移機(jī)構(gòu)只需2根滑軌再輔以簡單機(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 自動化控制

為實(shí)現(xiàn)拼臺上各模塊定位機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)、分序自動化運(yùn)動，拼臺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；布置檢測開關(guān)確認(rèn)夾具抓手放置到位后的信號傳輸。

3 結(jié)語

通過優(yōu)化集成設(shè)計(jì)，開發(fā)設(shè)計(jì)了新的總拼焊裝柔性化拼臺用于樣車試制多車型同步開展的白車身總拼自動化焊接島中，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工位就能完成白車身總拼的定位焊接和不同車型的柔性化焊接。此設(shè)計(jì)達(dá)到如下效果：①占地小。只需一個(gè)拼臺工位就可以實(shí)現(xiàn)總拼所有零件的自動化定位焊接。②柔性化程度高。使用快換集成模塊機(jī)構(gòu)，輔以夾具抓手，可以兼容不同車型的樣車焊接。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)總拼白車身零件的定位夾緊和定位焊接，節(jié)省場地，減少了多工位在拼臺、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)。針對該總拼焊裝柔性化拼臺的現(xiàn)場使用情況，下一步可以從拼臺的后立柱自動化移動和拼臺集成頂蓋夾具抓手的定位機(jī)構(gòu)兩個(gè)方面開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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