霍炳武　肖春燕　劉浩　曾顯政

摘要：國內(nèi)部分汽車制造廠車身柔性線上多種車型頂蓋的運送由人工操作，這樣會存在車型開發(fā)速度快與輔助設(shè)備開發(fā)緩慢之間的矛盾、人機工程及安全隱患等問題。文章運用軌道機構(gòu)和吸盤原理，開發(fā)一種多種車型頂蓋運送裝置，達到符合簡易自動運送技術(shù)的生產(chǎn)要求，滿足單個生產(chǎn)線多種車型的頂蓋上線及轉(zhuǎn)運要求。

關(guān)鍵詞：頂蓋；軌道機構(gòu)；吸盤；運送裝置；汽車車身 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U223 文章編號：1009-2374（2016）21-0008-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.004

1 研究背景

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展和人力成本的逐漸上升，車身工藝自動化已經(jīng)成為時代發(fā)展的必然趨勢。然而現(xiàn)今國內(nèi)部分汽車廠制造白車身時，車身頂蓋的拼裝運送依舊是人工操作，而人工操作存在以下問題：車型開發(fā)速度快與輔助設(shè)備開發(fā)緩慢之間的矛盾、人機工程及安全隱患等問題。以某公司某車身車間為例，車身頂蓋的運送需要兩名操作工將其安裝到拼臺，同樣也存在類似問題：（1）零件過大不方便取拿，每次拿取零件都會浪費不必要的時間，如果每班次生產(chǎn)計劃350臺，累計時間將很可觀；（2）需要2人操作步行時間浪費共達到10秒；（3）在轉(zhuǎn)移過程中，容易碰凹或掉落，每班次10臺，需要返修15分鐘，每班次需要返修2.5小時。為解決企業(yè)生產(chǎn)中的實際問題，本研究采用一種車身柔性線多種車型頂蓋運送裝置代替人工運送。

2 車身柔性線多種車型頂蓋運送裝置的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本機構(gòu)的工作場所位于頂蓋分拼區(qū)域，其設(shè)計思路為通過料框-焊接拼臺-機器人取料拼臺中心線，設(shè)計吊運中心線，運用吸盤抓取車身頂蓋，并且根據(jù)拼臺與轉(zhuǎn)接臺弧度變化，在地面上增加滑移導(dǎo)軌，實現(xiàn)運送裝置落料后，在不同位置自動達到精準(zhǔn)放置。

根據(jù)軌道機構(gòu)和真空吸盤加載技術(shù)工作原理，該運送裝置采用氣控升降裝置、氣控防護裝置、獨立吸盤裝置、軌道轉(zhuǎn)向等結(jié)構(gòu)，組成一種物料吸取、物料運送、物料防護的結(jié)構(gòu)形式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工運送的模式，減少勞動力，提高工作效率，避免零件損壞，保證員工不受傷害等安全問題。

在實際工作區(qū)域中，有兩個該運送機構(gòu)實現(xiàn)車身頂蓋的運送裝配，以下便以前運送機構(gòu)為例來進行說明。圖1為該機構(gòu)工作示意圖，本文將重點介紹軌道機構(gòu)與吸盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計。表1為機構(gòu)部件明細(xì)表：

2.1.1 軌道機構(gòu)的設(shè)計。本運送裝置的移動機構(gòu)由到導(dǎo)軌完成，因此軌道機構(gòu)的設(shè)計十分重要。軌道機構(gòu)的大致分布可從圖1看出，根據(jù)拼臺結(jié)構(gòu)形式，在拼臺地面上左右增加一條軌道，實現(xiàn)吊運機構(gòu)根據(jù)軌道軌跡移動，避免偏移。在外框結(jié)構(gòu)的底部增加3個滑輪連接（右側(cè)2個滑輪，左側(cè)1個滑輪位于右側(cè)2個滑輪之間的中心線，滿足左轉(zhuǎn)彎條件），滑輪與外框連接處增加圓錐滾子軸承，使滑輪水平面360°可旋轉(zhuǎn)，達到整個框式機構(gòu)可根據(jù)軌道弧形轉(zhuǎn)彎。由于焊接拼臺線與機器人焊接線不在同一條直線上，因此運送裝置在導(dǎo)軌上需要偏移一定角度，經(jīng)過計算，設(shè)計導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角為135°，實現(xiàn)運送裝置轉(zhuǎn)彎之后到達指定終點，頂蓋定位沒有偏差，自動達到精準(zhǔn)效果。

2.1.2 吸盤機構(gòu)的設(shè)計。在外框結(jié)構(gòu)的頂部上增加氣動葫蘆吊，作為動力裝備，通過氣控元件控制系統(tǒng)，由人工控制、調(diào)節(jié)控制器實現(xiàn)取料機構(gòu)在Z方向精確移動。在吊裝框式結(jié)構(gòu)與外框結(jié)構(gòu)，使用配套的導(dǎo)向桿2根，防止被吊取零件在XY方向隨意轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)向桿和外框結(jié)構(gòu)之間增加墊片，使導(dǎo)向桿在XY方向起微調(diào)作用。外框結(jié)構(gòu)的連接件為：GB6728-86冷彎矩空心型鋼50X50，并在外框結(jié)構(gòu)上部增加相同材料形成三角結(jié)構(gòu)，加強外框結(jié)構(gòu)的牢固性。吊裝框式結(jié)構(gòu)的連接件為：GB6728-86冷彎矩空心型鋼25X25，結(jié)構(gòu)輕巧，并在吊裝框式結(jié)構(gòu)連接處放置6個吸盤。

實際工作時，拼臺上有兩個10mm的定位銷與頂蓋后部的定位孔配合，每次操作時，為防止拼臺上的定位銷可能會導(dǎo)致零件變形或者是頂蓋定位銷孔變形，必須保證頂蓋落位準(zhǔn)確，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用滑移導(dǎo)軌的精確限位和吸盤導(dǎo)向桿的精確固定雙重定位方式，保證了頂蓋在前后輸送及上下升降過程中能夠精確定位。

2.2 優(yōu)化設(shè)計

考慮到生產(chǎn)線的柔性與該機構(gòu)的推廣性，該機構(gòu)應(yīng)該滿足多種車型頂蓋的運送，同時也可以應(yīng)用到其他工作區(qū)域，在此就對吸盤機構(gòu)做以下五點優(yōu)化設(shè)計：

2.2.1 針對不同尺寸零件同一吊點問題，使用外框結(jié)構(gòu)作為物料料架參考點/停止點，不同物料切換時，可實現(xiàn)不需手動調(diào)節(jié)吊點，對不同車型的零件同時吊裝轉(zhuǎn)運，進而配合主線完成柔性生產(chǎn)不同車型的需求。

2.2.2 使用吊裝框式結(jié)構(gòu)的鏈接件材料換成強度高、耐磨性好的鋁合鋼材料，從而使結(jié)構(gòu)輕巧，同時，鏈接方式也由開始的焊接方式改為螺桿鏈接方式，這樣便于吊裝框式結(jié)構(gòu)安裝、調(diào)節(jié)以及更換零部件。

2.2.3 頂蓋的吸取采用6個可在Z向做升降的彈簧式套桿進行定位，用以彌補不同車型在Z方向的差異，吸盤選擇獨立式吸盤，可避免某個吸盤吸失效，其他吸盤也能吸住零件，同時因為不同頂蓋，吸取面的弧面不一致，所以頂蓋吸盤在X/Y方向不能是固定不動的，必須是可自動活動的，這樣才能更好地與不同頂蓋型面貼合，防止吸盤漏氣導(dǎo)致零件墜落，造成零件損壞及安全風(fēng)險，現(xiàn)場設(shè)計時，每個吸盤上方都采用了一個萬向機構(gòu)與吸盤連接。吸盤結(jié)構(gòu)實際圖如圖2所示：

2.2.4 考慮到頂蓋有天窗和非天窗之分，天窗框架會讓整個頂蓋的重心偏向天窗一側(cè)，因此吊取吸盤數(shù)量及吸取位置必須在設(shè)計上解決可能出現(xiàn)的吊取不平衡問題，在設(shè)計上，吸盤采用三對（6個）雙列布置；針對分拼臺焊接后頂蓋總成，吊裝方式的吊裝框式結(jié)構(gòu)為：一對吸盤靠近天窗型頂蓋側(cè)，另外兩對遠(yuǎn)離天窗的非對稱式布置。

2.2.5 在吊裝框式結(jié)構(gòu)上增加防落機構(gòu)，通過氣缸與轉(zhuǎn)軸連接，推動防落裝置，當(dāng)吸盤失效時，防落機構(gòu)也能保護零件，使零件無法掉落。

2.3 輸送裝置運作

該運送裝置的正常工作循環(huán)可以分為以下四個動作：

2.3.1 吸取頂蓋：人工通過控制氣動葫蘆升、降開關(guān)按鈕進行分導(dǎo)氣源，使氣動葫蘆內(nèi)部運轉(zhuǎn)工作，氣動葫蘆的鋼絲繩連接外框機構(gòu)，使外框機構(gòu)整體下降，使吸盤貼近頂蓋，然后吸盤接入高壓氣源，人工操作氣動元件導(dǎo)氣開關(guān)按鈕，控制主導(dǎo)氣主閥的氣源至氣動元件真空發(fā)生器，連接吸盤，吸盤產(chǎn)生吸力，從而吸住頂蓋。然后控制外框機構(gòu)整體吸住頂蓋上升到指定高度，動作結(jié)束，準(zhǔn)備下一個動作。

2.3.2 運送頂蓋：人工控制運送裝置吸住頂蓋，按照指定的軌道（設(shè)計好的導(dǎo)軌），平穩(wěn)準(zhǔn)確地將頂蓋運送到下一個工位，動作結(jié)束，準(zhǔn)備下一個動作。

2.3.3 釋放頂蓋：人工控制外框機構(gòu)整體吸住頂蓋下降，吸盤內(nèi)充入空氣，釋放吸力，從而使吸盤與頂蓋分離，然后外框機構(gòu)整體上升，動作結(jié)束，準(zhǔn)備下一個動作。

2.3.4 復(fù)位：人工控制運送裝置，按照指定的軌道（設(shè)計好的導(dǎo)軌），平穩(wěn)準(zhǔn)確地回到原點，動作結(jié)束，準(zhǔn)備下一個循環(huán)。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)難題

在設(shè)計該運送機構(gòu)時，遇到以下四個關(guān)鍵技術(shù)

難題：

2.4.1 在吊裝框式結(jié)構(gòu)與外框結(jié)構(gòu)連接處，使用配套的兩根導(dǎo)向桿，通過夾板夾住導(dǎo)向桿撐套，加墊片控制X方向的相對穩(wěn)定，防止被吊取零件在XY方向隨意轉(zhuǎn)動，并保正導(dǎo)向桿在Z方向能夠正常移動。

2.4.2 在外框結(jié)構(gòu)的底部增加滑輪機構(gòu)，滑輪與外框結(jié)構(gòu)連接處增加圓錐滾子軸承，使滑輪水平面360°可旋轉(zhuǎn)，并在拼臺地面增加軌道，實現(xiàn)外框結(jié)構(gòu)可在軌道上正確移動，確保被吊裝零件在X方向正常移動，Y方向的定位以鋪設(shè)導(dǎo)軌為參照物。

2.4.3 在吊裝框式結(jié)構(gòu)上增加防落機構(gòu)，通過氣缸與轉(zhuǎn)軸連接，推動防落裝置，當(dāng)吸盤失效時，防落機構(gòu)也能保護零件無法掉落。

2.4.4 由于焊接拼臺線與機器人焊接線不在同一條直線上，因此運送裝置在導(dǎo)軌上需要偏移一定角度，經(jīng)過計算，設(shè)計導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角為135°，實現(xiàn)運送裝置轉(zhuǎn)彎之后到達指定終點，頂蓋定位沒有偏差，自動達到精準(zhǔn)效果。

3 實際生產(chǎn)效果

作為一條生產(chǎn)多種車型的柔性線，頂蓋分拼拼臺可實現(xiàn)兼容多種車型的切換，使得不同車型將使用同一吊運設(shè)備，配合主線生產(chǎn)，可達到生產(chǎn)要求，其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益（包括提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，節(jié)能降耗）如下：

操作步驟優(yōu)化獲得的節(jié)約值Vn為：

Vn=

假定：s=50600元，表示年人均工資；JPH=60元，表示車間的節(jié)拍；T=3600秒，表示一小時的時間；t=15秒，表示節(jié)約時間；F=3，表示班次，算得Vn=37590。

節(jié)約的報廢成本C1為：

C1=n1×m1×v

假定：n1=13，表示報廢部件的件數(shù)；m1=12，表示月的個數(shù)；v=180元，表示部件的商品價值；算得C1=30420。

節(jié)約的返修浪費費用C2為：

假定：t′=14小時，C2=t′×m2×P1×2表示返修耗時；m2=12，表示月的個數(shù)；P1=26.77元/小時，表示每小時所需返修花費的資金；算得C2=8994。

減少吊具節(jié)約的成本C3為：

C3=St×Pn×P2

假定：St=2，表示工位數(shù)；n2=12，表示吊具個數(shù)；P2=20000元，表示吊具單價；算得C3=480000元。

則累計節(jié)約總額C=Vn+C1+C2+C3=55.7萬元。

4 結(jié)語

經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計與實際生產(chǎn)，本文針對頂蓋運送裝置的實際需求，設(shè)計了一種車身柔性線多種車型頂蓋運送裝置，來解決人工操作所出現(xiàn)的問題以及多種車型頂蓋運送無需切換裝備的問題，滿足了實際生產(chǎn)需求，并且提高了生產(chǎn)效率，給公司帶了巨大效益。本文按發(fā)現(xiàn)問題→查閱文獻→動手操作→解決問題→優(yōu)化設(shè)計的路線，實際問題通過建立模型、受力分析、再計算、校核數(shù)據(jù)得以理論解決。

然而本文以及該研究還有許多不足之處，如有發(fā)現(xiàn)，還望指出。該研究還有待改進，有些地方仍需加強完善：（1）軌道機構(gòu)的精確性還有待改進?；喪褂脠A錐滾子軸承在軌道上運動存在晃動，難以保證運送機構(gòu)的精確性；（2）外框結(jié)構(gòu)、吊裝框式結(jié)構(gòu)、氣控升降裝置這三者之間的連接配合有待改進；（3）新型多種車型頂蓋運送裝置的開發(fā)?，F(xiàn)今的頂蓋運送裝置仍需一名員工操作，隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，一種無人操作的車型頂蓋運送裝置將會產(chǎn)生，來滿足多種車型頂蓋的運送。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）