牛正風(fēng) 洪愷 王燦紅 邢治昆 薛夢玲

（安徽華菱汽車有限公司，安徽 馬鞍山 243061）

【摘 要】隨著客戶需求及市場劃分的不斷細(xì)化，針對不同的客戶群體，需要開發(fā)不同承載噸位及尺寸大小的車身結(jié)構(gòu)。焊裝生產(chǎn)線需要適用不同車型的生產(chǎn)要求，白車身焊裝生產(chǎn)系統(tǒng)相比于涂裝和總裝生產(chǎn)系統(tǒng)來說，其剛性更強(qiáng)，適應(yīng)多車型混線生產(chǎn)的難度大，因此如何使開發(fā)的焊接生產(chǎn)線滿足不同產(chǎn)品的共線生產(chǎn)需求的柔性解決方案成為國內(nèi)外汽車制造業(yè)重點(diǎn)研究的課題。在焊裝生產(chǎn)系統(tǒng)中，對車型變化較為敏感的夾具、抓手等工裝設(shè)備的合理設(shè)計(jì)十分重要，一些典型的、比較成熟的夾具結(jié)構(gòu)方式，既滿足了生產(chǎn)線的以上技術(shù)要求，也為生產(chǎn)線的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保證。

【關(guān)鍵詞】柔性焊裝線；共線技術(shù)；典型機(jī)構(gòu)

【中圖分類號】U468.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）07-0045-03

0 前言

隨著客戶需求及市場劃分的不斷細(xì)化，針對不同的客戶群體，需要開發(fā)不同承載噸位及尺寸大小的車身結(jié)構(gòu)，如長途物流運(yùn)輸車、中短途的物流運(yùn)輸車、消防車、工程車等。這些車型對白車身的結(jié)構(gòu)尺寸要求是不一樣的，如何使開發(fā)的焊接生產(chǎn)線滿足不同產(chǎn)品的共線生產(chǎn)需求及減少投資，是焊裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)真考慮的問題。對于卡車而言，通常一個(gè)平臺系列的駕駛室會(huì)在寬度方向上分為寬體與窄體2種寬度，長度方向上會(huì)分單排、排半、雙排或者分為單排短車、短臥鋪小排半、標(biāo)準(zhǔn)型寬臥鋪排半3種狀態(tài)，高度方向一般也會(huì)分為高頂、中頂、平頂3種狀態(tài)。目前，設(shè)計(jì)焊接生產(chǎn)線時(shí)，夾具設(shè)計(jì)都會(huì)采用柔性共線生產(chǎn)，以滿足不同車型的需求。本文針對柔性焊接生產(chǎn)線在分裝夾具、焊接總拼線的共線設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了探討。

1 分裝夾具設(shè)計(jì)

針對長度或?qū)挾确较蛏系淖兓?，分裝夾具一般通過滑移機(jī)構(gòu)進(jìn)行切換實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)。2種狀態(tài)一般通過氣缸的兩行程狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，氣缸的2個(gè)狀態(tài)分別對應(yīng)2種尺寸的車型。3種狀態(tài)的切換通過增加一種活動(dòng)限位擋塊實(shí)現(xiàn)，分別采用不同的氣路控制。

2 焊接總拼線設(shè)計(jì)

焊接總拼線分為地板線與主焊接線2個(gè)部分，地板線有6個(gè)工位，主焊接線有9個(gè)工位，主線與地板線之間設(shè)置了1個(gè)旋轉(zhuǎn)工位。地板線1～4工位為地板的上件與焊接工位，5工位為前/后圍的上線焊接工位；主線依次完成左/右側(cè)圍骨架總成、頂蓋總成、側(cè)圍外板總成的焊接。設(shè)計(jì)生產(chǎn)線時(shí)，需要考慮地板定位系統(tǒng)、總拼合圍夾具結(jié)構(gòu)等共線生產(chǎn)問題。

2.1 地板定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對生產(chǎn)線影響最大的是寬度與長度方向變化的地板定位系統(tǒng)共線問題。圖1為某款重型卡車的系列車型的地板梁結(jié)構(gòu)圖。產(chǎn)品在寬度方向上分為2種寬度尺寸，長度分為3種長度尺寸。頂蓋分為高、中、低3種狀態(tài)。工藝開發(fā)時(shí)，要求柔性共線生產(chǎn)。工藝設(shè)計(jì)時(shí)，考慮板件的定位系統(tǒng)，應(yīng)盡量采用固定的定位方式，這樣對產(chǎn)品的制造精度有利，過多的滑動(dòng)等移動(dòng)方式勢必對車身的制造精度不利。對某些特殊的結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行滑移等切換的，要盡量減少滑移切換的次數(shù)，且切換必須控制在整數(shù)尺寸。結(jié)合本次設(shè)計(jì)，從圖1所示的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中看，前端和后端圓圈中的孔為夾具線設(shè)計(jì)的主定位孔，中間圓圈中的孔為輸送線體的產(chǎn)品定位孔。針對不同的車型，每種車型需要設(shè)置4個(gè)定位孔。從圖1可以看到梁4（2根）為窄體狀態(tài)，梁5、梁6為寬體狀態(tài)。件1為單排短車狀態(tài)，件2為短臥鋪小排半狀態(tài)，件3為標(biāo)準(zhǔn)型寬臥鋪排半狀態(tài)。

針對長短車型的定位孔設(shè)計(jì)，選取了X向絕對坐標(biāo)相同，所有車型共用。寬度方向Y向由于縱梁的位置不同，不能設(shè)計(jì)絕對位置統(tǒng)一的定位系統(tǒng)。結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)際，對縱梁前部的定位銷設(shè)計(jì)了固定不動(dòng)的定位銷，寬車用外側(cè)2個(gè)定位銷；窄車用內(nèi)側(cè)2個(gè)定位銷；寬、窄車的梁都不會(huì)與夾具定位銷干涉。后部的定位銷采用了滑移式設(shè)計(jì)，寬車生產(chǎn)時(shí)，定位銷滑移到外側(cè)狀態(tài)，窄車生產(chǎn)時(shí)，滑移到內(nèi)側(cè)狀態(tài)，避免了定位銷與后橫梁工件的干涉。

2.2 3種長度狀態(tài)的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，需要夾具在3種位置狀態(tài)切換的合圍工位有后圍總成、左側(cè)圍骨架總成、左側(cè)圍外板總成、頂蓋總成工位，其切換方式與分裝夾具設(shè)計(jì)思路相同，通過氣缸及活動(dòng)限位塊組合實(shí)現(xiàn)車型切換。只是對設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性及穩(wěn)定性相比分裝夾具提出了更高的要求。

2.3 4種長度狀態(tài)的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合產(chǎn)品具體數(shù)模結(jié)構(gòu)，車身長度方向上有長、中、短3種狀態(tài)的車型，同時(shí)右側(cè)圍后側(cè)與后圍搭接處分帶內(nèi)凹造型與不帶內(nèi)凹造型。圖2為右側(cè)含內(nèi)凹造型的車型。這樣，右側(cè)夾具需要設(shè)計(jì)4種共線的位置狀態(tài)。既要實(shí)現(xiàn)共線切換的要求，又要保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)由于夾具空間限制，這樣就使夾具的設(shè)計(jì)難度大大提高了。

涉及4種狀態(tài)的夾具工位有右側(cè)圍骨架總成、右側(cè)圍外板總成。同時(shí)，由于外板與骨架的具體結(jié)構(gòu)不同及夾具位置空間尺寸的限制，所以側(cè)圍骨架總成與側(cè)圍外板總成的工位夾具又分為2種結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)。

右側(cè)圍骨架右側(cè)夾具的設(shè)計(jì)主要采用了固定限位塊與活動(dòng)限位塊巧妙結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，即保證了4種長度車型生產(chǎn)的功能需求，也避免了各種機(jī)構(gòu)的相互干涉問題（如圖3所示）。圖3中的1、3、4為固定限位塊、2為活動(dòng)翻轉(zhuǎn)限位塊（由氣缸機(jī)構(gòu)A實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)），4種限位塊各實(shí)現(xiàn)1種長度車型的夾具位置狀態(tài)要求。與之對應(yīng)的B、C、D 3個(gè)到位支撐板與1、2、3、4的4個(gè)限位組合使用，滿足夾具4種狀態(tài)的定位要求。為了保證各種機(jī)構(gòu)互不干涉，C、D 2個(gè)到位支撐板由翻轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)閉合與打開。各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的閉合與打開由PLC程序控制。

右側(cè)圍外板總成合圍夾具在設(shè)計(jì)時(shí)由于受夾具結(jié)構(gòu)空間的限制，不能采用與右側(cè)圍骨架相同的機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)右側(cè)圍時(shí)，采用了與左側(cè)圍骨架總成相同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，第4種位置狀態(tài)通過二級夾緊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。圖4為二級夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)示意圖。

如圖4所示，平后圍車型生產(chǎn)時(shí)，通過氣缸1使單元2整體打開，避免單元2與車體干涉，夾緊單元5對車體進(jìn)行夾緊。后圍右側(cè)內(nèi)凹造型的車型生產(chǎn)時(shí)，單元2通過氣缸1先閉合到位，工件到位后，夾緊單元4通過氣缸3的作用閉合夾緊工件。同時(shí)，由于右側(cè)有內(nèi)凹造型，所以夾緊單元5并不會(huì)與車體發(fā)生干涉。

3 輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于本條焊接生產(chǎn)線的輸送系統(tǒng)為往復(fù)式擺桿結(jié)構(gòu)，要求輸送小車體為通用結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了2個(gè)方面的要求，一是滿足所有車型的共用需求，二是避免與工裝夾具的干涉問題。定位銷采用了2組定位銷滿足寬體與窄體車型的，支撐面采用整體式結(jié)構(gòu)，滿足不同車型需求。同時(shí)，為了避免車體與夾具發(fā)生干涉，采用了氣缸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。駕駛室焊接完畢后，氣缸帶動(dòng)輸送小車體支撐定位等機(jī)構(gòu)升起，輸送小車處于工作狀態(tài)，與輸送線體一起搬運(yùn)駕駛室。駕駛室輸送到位后，輸送小車與駕駛室脫離。氣缸帶動(dòng)輸送小車工件支撐定位等機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)水平，與輸送線體一起返回，避負(fù)夾具干涉機(jī)構(gòu)。

4 其他典型機(jī)構(gòu)

在整車制造領(lǐng)域中，對于車身焊接夾具來說，大部分夾具都是采用固定結(jié)構(gòu)方式。在特殊情況下，需要根據(jù)工件結(jié)構(gòu)及夾具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，例如有的夾具需要旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)來滿足不同部位的焊點(diǎn)要求。

4.1 夾具的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要滿足2點(diǎn)要求：一是滿足旋轉(zhuǎn)的要求，夾具可以旋轉(zhuǎn)到焊接舒適的位置；二是旋轉(zhuǎn)到位后，夾具相對靜止，滿足焊接要求，避免夾具到位后隨意轉(zhuǎn)動(dòng)而影響焊接質(zhì)量。主要的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有如下2種。

（1）夾具的固定部分與旋轉(zhuǎn)部分通過軸承連接，在夾具BASE下表面增加了一塊圓形平板，并在平板的四周均布地開4個(gè)或更多的孔槽。在夾具支承座安裝角踏板，腳踏板上部安裝與孔槽配套的定位銷。需要旋轉(zhuǎn)時(shí)，人工踩下腳踏板實(shí)現(xiàn)夾具旋轉(zhuǎn)。到達(dá)焊接位置時(shí)，松開腳踏板。腳踏板定位銷將夾具固定，實(shí)現(xiàn)需要焊接的位置。同時(shí)，為了使夾具在旋轉(zhuǎn)過程中保持穩(wěn)定，在夾具地板支撐座上表面增加了支承滾輪用于支撐。此結(jié)構(gòu)既滿足了旋轉(zhuǎn)的要求，也保證了焊接時(shí)的穩(wěn)定性，不足之處是最終停止位置狀態(tài)較少，不能實(shí)現(xiàn)任意位置的停止，且人必須在腳踏板位置才能控制夾具的移動(dòng)或停止。

（2）為了彌補(bǔ)旋轉(zhuǎn)夾具不能實(shí)現(xiàn)夾具在任意位置停止焊接的功能，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。取消了腳踏板機(jī)構(gòu)，增加旋轉(zhuǎn)摩擦機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)壓縮彈簧的工作長度來實(shí)現(xiàn)聚氨酯摩擦塊與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間的摩擦力變大或變小，既滿足了夾具旋轉(zhuǎn)與任意角度停止的要求，又能使夾具不易在小力的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了夾具焊接位置的穩(wěn)定。本結(jié)構(gòu)在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，由于取消了第一種夾具的支撐滾輪及穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，夾具旋轉(zhuǎn)過程中存在晃動(dòng)現(xiàn)象，且對夾具的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的使用壽命存在不利影響，在以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要繼續(xù)完善。

4.2 夾具的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

在焊接生產(chǎn)線中，為了滿足特定位置焊接或合圍定位的要求，夾具的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用十分普遍。以下結(jié)構(gòu)在卡車焊接夾具中廣泛使用。

4.2.1 特定角度位置要求的夾具

有些工件的結(jié)構(gòu)狀態(tài)復(fù)雜或者上線特定位置需要，夾具需要在特定位置作為焊接的工作位置。本條生產(chǎn)線前圍總成工位為焊接與上件一體工位。焊接完成后，夾具翻轉(zhuǎn)至水平位置，吊具取件調(diào)運(yùn)至上線位置。此處的焊點(diǎn)主要在前圍下部，水平位置時(shí)，焊點(diǎn)位置離地面太高，人員無法操作，且焊鉗與工件部分焊點(diǎn)不垂直。通過設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使焊點(diǎn)暴露在比較容易的焊接位置，滿足了焊接的要求，也滿足了上線的要求。

4.2.2 兩面體夾具

為了節(jié)省空間或減少投資，可以設(shè)計(jì)共BASE雙面夾具。焊接時(shí)，把需要焊接的夾具側(cè)翻轉(zhuǎn)到工作位置。常用的情況是寬車與窄車、長車與短車、高頂與平頂?shù)裙灿脢A具情況。開發(fā)時(shí)經(jīng)分析高頂與平頂工件差別較大，不能共用一套夾具，因此需要分開設(shè)計(jì)，但在主線附近沒有空間布置2套夾具。經(jīng)過討論分析后得出兩面體夾具滿足以上的功能要求的結(jié)論。

4.2.3 地板補(bǔ)焊夾具

卡車地板總成工位底部有時(shí)為了加強(qiáng)焊接，需要進(jìn)行CO2保護(hù)焊加強(qiáng)，但焊縫位置在工件底部下表面，人員無法對此區(qū)域進(jìn)行焊接。針對這個(gè)需求，設(shè)計(jì)了90°翻轉(zhuǎn)夾具，工件運(yùn)送到位后，通過氣缸或電機(jī)實(shí)現(xiàn)夾具帶動(dòng)工件的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)到位后，使焊接位置暴露在人工容易焊接的位置，滿足人工焊接的操作要求。

4.2.4 車身總拼合圍翻轉(zhuǎn)夾具

卡車車身合圍時(shí)，一般需要水平位置上件，在垂直位置合圍焊接。水平行走靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)，翻轉(zhuǎn)靠氣缸實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，亦可氣缸驅(qū)動(dòng)水平行走，電機(jī)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)。水平位置既滿足了焊接與放件的要求，豎直位置滿足了上件定位合圍的要求。

5 小結(jié)

卡車焊裝生產(chǎn)線建設(shè)向多品種柔性共線生產(chǎn)、大批量機(jī)器人參與的自動(dòng)化、各種監(jiān)控采集系統(tǒng)參與的智能化等方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感技術(shù)等通信技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)線電控系統(tǒng)已完全具備解決多車型識別的能力。焊裝生產(chǎn)系統(tǒng)中，對車型變化較為敏感的夾具、抓手等工裝設(shè)備合理設(shè)計(jì)十分重要，一些典型的、比較成熟的夾具結(jié)構(gòu)方式，既滿足了生產(chǎn)線的以上技術(shù)要求，也為生產(chǎn)線的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保證，具有一定的行業(yè)參考價(jià)值。文中存在的不足之處，也請同行批評指正，一同參與卡車焊接生產(chǎn)線的技術(shù)提升。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]傅莉.柔性化在汽車焊裝生產(chǎn)線的應(yīng)用[J].科技廣場，2013（10）：94-97.

[2]劉慧，張宇.柔性化在轎車焊裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代零部件，2012（7）：84-87.

[3]曹彥玲.汽車多車型柔性焊裝線研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2015.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】牛正風(fēng)，男，安徽宿州人，碩士，安徽華菱汽車有限公司工程師，從事焊裝工藝規(guī)劃及現(xiàn)場工藝管理工作。