劉坤

【摘 要】夾具自動切換、夾具的切換方式及切換時間是汽車白車身焊接生產(chǎn)線柔性化的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章結(jié)合具體實踐，闡述、分析汽車焊接生產(chǎn)線常見夾具切換形式、切換原理、夾具庫的布局，以及其優(yōu)缺點，可為讀者提供一些焊接生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計及改造的借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】焊接生產(chǎn)線；夾具切換；夾具庫；多車型

【中圖分類號】U468.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）05-0129-04

0 引言

隨著消費市場需求的提高，汽車的改款變型速度日益加快，汽車生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，汽車白車身焊裝生產(chǎn)線需要適用不同車型的生產(chǎn)要求以降低車身開發(fā)成本。目前，在汽車車身焊裝技術(shù)上，普遍采用的是柔性化焊裝生產(chǎn)線。柔性化焊裝線是指在相同的地方同一條生產(chǎn)線上可以同時滿足多個車型的生產(chǎn)，其通用設(shè)備和公用動力設(shè)施一次性投入永久性使用，每次開發(fā)新車型時，只需增加部分專用設(shè)備，改造事先預置的通用設(shè)備和調(diào)試各種共用化程序，因此避免了重復投資造成的浪費，而且縮短了技改時間。然而，專用設(shè)備通常為各車型的夾具及抓手，如何快速有效地完成夾具切換，成為柔性生產(chǎn)線考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

1 夾具切換系統(tǒng)的原理

1.1 并排式夾具庫系統(tǒng)

并排式夾具庫系統(tǒng)主要由夾具庫、夾具輸入輸出通道、搬送小車、夾具上件滑臺構(gòu)成。并排式夾具庫系統(tǒng)如圖1所示。

夾具切換流程以目前生產(chǎn)C車型要切換生產(chǎn)B車型為例進行說明（如圖2所示）。

這種夾具庫布局方式適合批量切換生產(chǎn)模式，切換時間少于60 s，多用于各分總成（如機艙、前地板、后地板、側(cè)圍等）的自動化焊接生產(chǎn)線。該系統(tǒng)按照驅(qū)動方式和傳動方式不同可設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)，熟悉其原理為我們規(guī)劃生產(chǎn)線提供依據(jù)。下面介紹2種不同的結(jié)構(gòu)。

夾具庫結(jié)構(gòu)一原理（如圖3所示）：小車（滑臺）行走到對應庫位，其兩側(cè)的導輪（導輪上存放著夾具）由4個汽缸頂起，然后小車上的入庫驅(qū)動電機和庫位里的驅(qū)動電機同時啟動，通過鏈條、齒輪帶動兩側(cè)的滾輪轉(zhuǎn)動，從而達到夾具出入庫的目的。

該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是庫位可以做得比較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，造價低，適用于受場地約束比較大的線體，缺點是入庫傳動效率相對比較慢。

夾具庫結(jié)構(gòu)二原理（如圖4所示）：小車（滑臺）行走到對應庫位，其兩側(cè)的導輪（導輪上存放著夾具）由4個汽缸頂起。此時，庫位里的驅(qū)動裝置行走到庫位的前端，伸縮掛銷伸出來將夾具掛住，然后驅(qū)動裝置將夾具拖入庫內(nèi)完成夾具入庫。出庫同樣是由驅(qū)動裝置掛著夾具將其推入滑臺。

該結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)一相比，滑臺上的滾輪是無動力的，夾具出入庫位是由庫位里的驅(qū)動裝置拖拉完成。該系統(tǒng)傳動高效可靠，但庫位結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，后端留出了驅(qū)動裝置的位置，占地面積較結(jié)構(gòu)一要大些。

以上2種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是比較成熟的，工作輸送速度可達（伺服電機牽引）1.5 m/s，臺車負載可達4 t，焊接區(qū)伺服牽引小車重復定位精度可達±0.2 mm，車型切換牽引小車重復定位精度可達±0.3 mm，臺車夾具重復定位精度可達±0.5 mm，最長車型切換時間<60 s。在實際設(shè)計過程中，我們還可以根據(jù)其原理自由組合。比如，小車可以不背著夾具走，可以設(shè)計伸縮銷掛著夾具推或拉著夾具走。直角切換可以采用萬向球替代滾輪。根據(jù)驅(qū)動方式還可以用無桿氣缸；根據(jù)傳動方式可以用蝸桿；根據(jù)導向方式可以采用方形條狀的磨材加3個方向的滾輪等。組合的方式和結(jié)構(gòu)非常多，這就需要我們根據(jù)客戶的預算、節(jié)拍要求、自動化程度、場地大小等因素綜合考慮給出最優(yōu)方案。

1.2 夾具旋轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)轂運行系統(tǒng)

通過將不同車型的專用夾具設(shè)置于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺或轉(zhuǎn)轂上，我們稱之為旋轉(zhuǎn)臺或轉(zhuǎn)轂運行系統(tǒng)。一般用伺服馬達驅(qū)動，通過機器人七軸或線體PLC系統(tǒng)控制存儲或使用。每個轉(zhuǎn)臺或轉(zhuǎn)轂通常可以布置2～3個或按“十”字形排布4個夾具固定座。這種方式被廣泛應用于焊裝車間柔性生產(chǎn)線，其優(yōu)點在于切換時間快，通常旋轉(zhuǎn)180°只需要5～7 s。滿足了汽車生產(chǎn)廠家對隨機切換生產(chǎn)能力的要求。

2 夾具切換系統(tǒng)的布局規(guī)劃

節(jié)拍是夾具切換系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的重要因素，現(xiàn)階段在汽車市場非?；鸨嚿a(chǎn)廠家對生產(chǎn)節(jié)拍要求比較高。在車型切換時一般要求批量生產(chǎn)模式的切換時間少于60 s，隨機生產(chǎn)模式的切換時間少于18 s。這就要求我們在做生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計時要考慮選用什么方式和結(jié)構(gòu)的夾具庫切換系統(tǒng)，還要考慮怎么合理地利用車間的場地，并使得切換軌道布置最短等。在要求隨機切換的生產(chǎn)模式中，我們通常會考慮轉(zhuǎn)臺的方式，但轉(zhuǎn)臺也有其局限性，比如車型數(shù)量受限、體積不能做得太大等。隨機切換的生產(chǎn)模式如何在十幾秒的時間內(nèi)完成切換，其實行業(yè)內(nèi)還有一種做法就是提前準備好下一款要生產(chǎn)車型的夾具，讓切換距離縮至最短。下面以3種比較典型的提前將要生產(chǎn)的下一款車型的夾具移到準備位置待命的布置方式來說明，我們可以將這種思路進行拓展，延伸應用到其他結(jié)構(gòu)方式中。

2.1 對稱布置矩陣式夾具庫

矩陣式夾具庫對稱布置于工作工位的兩側(cè)，這種方式常見于白車身主線的總拼工位。如圖5中“柯馬”O(jiān)PENGATE的總拼形式，下一款要生產(chǎn)的車型的夾具提前移動到1或3的準備位置待命，以便快速地切換。切換流程以在產(chǎn)車型為E要切換生產(chǎn)D車型予以說明：D車型夾具通過搬送移栽機移送到準備位置1待命，接到系統(tǒng)的生產(chǎn)指令后，E車型的夾具從工作位移出到準備位置3，同時D車型從準備位置1移入工作位置2，實現(xiàn)了夾具的快速切換。這種方式通?？梢宰龅?8 s甚至15 s之內(nèi)。如果是同側(cè)夾具庫之間的夾具切換，換下來的夾具可以通過后面的返回軌道倒回其對應的夾具庫。這種方式的優(yōu)點是造價低，缺點是占地面積大和對工廠場地的要求高。

2.2 對稱布置轉(zhuǎn)臺式夾具庫

對稱轉(zhuǎn)臺式夾具庫布置如圖6所示，該機構(gòu)布局的思路跟對稱矩陣式的思路是一樣的。如目前生產(chǎn)的是D車型，下一個要生產(chǎn)的A車型，根據(jù)系統(tǒng)指令可以將要生產(chǎn)的下一款車型的夾具提前旋轉(zhuǎn)到準備位置待命，這樣可以實現(xiàn)快速切換。但與對稱矩陣式比較，它又有其局限性，比如目前在產(chǎn)的是D車型，要切換同一個轉(zhuǎn)臺上的E車型，就不能提前將E車型旋轉(zhuǎn)到準備導入口，因為必須先將在工作位置上的D車型導入庫內(nèi)，才能將E車型導入。在節(jié)拍上多出了一個旋轉(zhuǎn)的時間。但是，旋轉(zhuǎn)臺式夾具庫的優(yōu)點就是速度快，我們在給長沙某主機廠做的一個側(cè)圍上件旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)臺的直徑為5 400 mm，旋轉(zhuǎn)180°僅需7 s。該方式速度快且技術(shù)相對成熟。

2.3 中轉(zhuǎn)式夾具切換系統(tǒng)

中轉(zhuǎn)式夾具切換系統(tǒng)是一種夾具庫不在線體內(nèi)，需通過AGV小車或人力從車間某處夾具存放地點將夾具拉過來，提前導入線體的準備導入口的方式，其動作流程如下。

當生產(chǎn)線在正常生產(chǎn)時，圖7中的B、C、D位置為空，下一批次的夾具通過AGV小車自動傳送至位置A處存儲，線上夾具在焊接位置和位置E處往復移動。當需要切換夾具時，位置E處的夾具移動至位置B，然后位置A和B整體移動，把位置B需切換出去的夾具移動至位置C，而需切換來進行生產(chǎn)的夾具從位置A移動到位置B，再經(jīng)過位置C自動移動至位置E處，完成整個切換過程。切換時間視通道長度不同而不一樣，實際應用案例中不超過25 s。

A處為夾具導入位置：背負式AGV小車把需導入的夾具從AGV小車上導入。

B處為夾具切換位置：夾具此工位進行切換，把生產(chǎn)完畢的夾具切換至位置D，把將要生產(chǎn)的車型夾具切換至位置E。

C處為夾具導出位置：把生產(chǎn)完畢的夾具從位置C自動倒導出至AGV小車上。

線體外的夾具庫在每個夾具庫位上配置多個接近開關(guān)，通過接近開關(guān)的組合來確定車型夾具信息，通過PLC系統(tǒng)發(fā)出不同的信號給AGV系統(tǒng)，使AGV小車能準確地實現(xiàn)自動存取夾具。該切換方式優(yōu)點是夾具庫建在線體外，不受線體場地要求而限制夾具庫的數(shù)量，線體可以切換專用夾具，適應很多車型的生產(chǎn)。缺點是只能用于批量生產(chǎn)模式，達不到隨機生產(chǎn)模式要求的切換節(jié)拍。

3 結(jié)語

各類夾具庫的切換系統(tǒng)各有利弊，適應車型品種越多，柔性越好。然而，我們不能盲目地追高柔性、高節(jié)拍。作為一個好的焊裝工藝規(guī)劃者應充分理解各種夾具庫切換原理和方式，融會貫通，結(jié)合項目的戰(zhàn)略、生產(chǎn)綱領(lǐng)、產(chǎn)品特性、廠房限制、質(zhì)量目標、物流方向及安全等因素，避免成本和技術(shù)的浪費，選擇一個最合適、性價比最高的柔性焊裝線規(guī)劃方案，或提出一種富有創(chuàng)新的切換邏輯思路。

參 考 文 獻

[1]楊緒樂，催占生.專有化與柔性化焊裝生產(chǎn)線輸送方式的比較[J].汽車與配件，2014（10）：67-69.

[2]劉延林.柔性制造自動概論[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[3]張敏，魏偉.淺談汽車生產(chǎn)中的柔性制造[J].汽車工藝與材料，2005（6）：1-2.

[責任編輯：陳澤琦]