林增宇 趙宇 張曉龍 魏國興 呂長亮 李想

（一汽模具制造有限公司，長春130013）

1 前言

1978年中國汽車年產(chǎn)量為14.9萬臺，而如今，日均產(chǎn)量就已達(dá)到8萬臺，雖然我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，但與美國、日本以及歐盟等發(fā)達(dá)國家或地區(qū)相比還有很大的差距。美國每千人大約擁有800輛車，日本約為600輛車，而中國只有140輛車，中國的汽車行業(yè)仍有巨大的發(fā)展空間，也正因如此中國汽車行業(yè)的競爭日益激烈，如何提高產(chǎn)品市場核心競爭力是主機(jī)廠一直在研究的課題，利用有限的資源開發(fā)出適合不同消費(fèi)群體、滿足不同消費(fèi)喜好的差異化產(chǎn)品是每個主機(jī)廠需要直面并解決的難題；該難題體現(xiàn)到汽車四大工藝之一的焊裝則表現(xiàn)為單一生產(chǎn)線既要滿足經(jīng)濟(jì)性，又要具備高柔性。搭建何種組合形式的線體解決上述難題是本文的主要研究方向，本文通過將AGV（自動導(dǎo)引運(yùn)輸車）與傳統(tǒng)焊裝線的高度融合顯著提升了線體柔性并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。

2 國內(nèi)外研究概況

隨著國內(nèi)、外汽車市場的不斷發(fā)展和完善，各類新車型如雨后春筍般紛紛上市，面對消費(fèi)群體趨于年輕化、個性化的特性，時尚化、差異化的車型更受市場青睞，考慮傳統(tǒng)焊裝生產(chǎn)線僅能容納4～6種平臺化趨同的車型，無法滿足差異化顯著的車型共線生產(chǎn)，如果針對不同平臺車型建立專屬生產(chǎn)線會造成巨大的資金投入壓力，不具經(jīng)濟(jì)性，加之受限于土地、能源等有限資源，新建廠房也將處于舉步維艱的現(xiàn)狀，國內(nèi)外焊裝行業(yè)積極尋求一種去平臺限制的經(jīng)濟(jì)化、高柔化新型焊裝生產(chǎn)線形式。

目前國、內(nèi)外的焊裝產(chǎn)線供應(yīng)商大多在矩陣式焊接島產(chǎn)線開展研究工作，完全脫離傳統(tǒng)焊裝產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，但受限于焊接島的固有特點(diǎn)無法滿足10萬級以上綱領(lǐng)的年產(chǎn)能需求，且該生產(chǎn)模式不僅需要過大的AGV物流面積而且對AGV調(diào)度管控系統(tǒng)提出空前挑戰(zhàn)，嚴(yán)重降低廠房空間利用率且數(shù)十臺甚至上百臺AGV的管控錯亂會產(chǎn)生嚴(yán)重后果，大大增加復(fù)線生產(chǎn)時間，降低線體開動率。AGV與傳統(tǒng)焊裝產(chǎn)線融合會有哪些優(yōu)勢，相關(guān)研究較少，本文以此為契機(jī)開展相關(guān)工作，研究成果已在15萬年產(chǎn)綱領(lǐng)的產(chǎn)線中得到實(shí)際應(yīng)用，并成功向30萬年產(chǎn)綱領(lǐng)產(chǎn)線推廣。

3 融合焊裝產(chǎn)線介紹

如圖1所示，本文設(shè)計并投產(chǎn)的AGV與傳統(tǒng)焊裝線融合線體由上件區(qū)、分總成焊接區(qū)、總成焊接區(qū)及下件區(qū)，共計4大區(qū)域組成，可實(shí)現(xiàn)相同產(chǎn)品層級不同平臺車型的全柔性兼容生產(chǎn)。

圖1 產(chǎn)線平面布局

全柔性兼容實(shí)現(xiàn)路徑如下：

對于同一平臺化或差異較小的不同平臺車型，通過同一夾具上不同部件的切換即可實(shí)現(xiàn)兼容；對于平臺差異較大車型則通過更換AGV牽引的夾具即可實(shí)現(xiàn)兼容。

更換夾具時AGV牽引原夾具至線外停止位停止，然后牽引銷縮回，實(shí)現(xiàn)AGV與夾具的脫離，此時操作人員可將夾具推至夾具庫進(jìn)行存放，安裝夾具時操作人員可將夾具推至上件位，利用上件位的夾具定位裝置對夾具進(jìn)行精確定位，滿足AGV的牽引。如果夾具較多可在廠房適宜位置搭建立體夾具庫，AGV將原夾具牽引至立體夾具庫取、放工位，通過移載機(jī)將夾具取走存放，然后將需求夾具放至AGV上進(jìn)行快速更換。

本文AGV與傳統(tǒng)焊裝線融合部分集中體現(xiàn)在上件區(qū)及分總成焊接區(qū)，所以著重對上述區(qū)域進(jìn)行介紹，其他區(qū)域為傳統(tǒng)焊裝線結(jié)構(gòu)，不做贅述。

本產(chǎn)線搭載的產(chǎn)品層級形式見公式（1）。

式中，C為最終總成產(chǎn)品；A為組成最終總成產(chǎn)品的第1分總成；B為組成最終總成產(chǎn)品的第2分總成。

產(chǎn)線使用的AGV形式為牽引式，牽引重量3 t，到位停止精度±10 mm。

產(chǎn)線工藝流（圖2）如下：AGV分別牽引總成產(chǎn)品第1、第2分總成夾具至自動線外的人工上件位上件，上件完成后AGV牽引夾具至自動線內(nèi)的機(jī)器人焊接工位進(jìn)行焊接，焊接完成后由對應(yīng)抓手將第1、第2分總成件抓放至總成焊接區(qū)進(jìn)行鋼點(diǎn)焊、螺柱焊，最后下線。

圖2 產(chǎn)線工藝流

3.1 上件區(qū)布局方案

上件區(qū)布局關(guān)鍵是準(zhǔn)確計算滿足節(jié)拍及線體循環(huán)的AGV最小需求數(shù)量，可通過圖3表格作為計算基礎(chǔ)，將對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行填寫便可算出使用臺數(shù)。

圖3 AGV使用數(shù)量計算表格

通過計算本文上件區(qū)需投入3+3共計6臺AGV。有了理論計算臺數(shù)還要通過3D物流仿真軟件進(jìn)行循環(huán)驗證（圖4），主要驗證AGV循環(huán)路線是否能容納下投入使用的AGV數(shù)量，避免實(shí)際應(yīng)用時出現(xiàn)憋車而導(dǎo)致產(chǎn)線進(jìn)入死循環(huán)的問題發(fā)生。

圖4 AGV循環(huán)3D模型驗證

通過物流仿真驗證，本文設(shè)計的AGV循環(huán)路線可容納6臺AGV的循環(huán)。

AGV數(shù)量確認(rèn)后就要投入與之匹配的其他設(shè)備來滿足生產(chǎn)需求，因此本文上件區(qū)還包含了3個第1分總成夾具，3個第2分總成夾具，1個上件位AGV牽引夾具定位裝置。

生產(chǎn)時3個AGV分別牽引第1分總成夾具在自動線外上件位、自動線內(nèi)焊接位及二者中間的循環(huán)路線中循環(huán)，另外3個AGV則牽引第2分總成夾具如上述在對應(yīng)循環(huán)路線中循環(huán)。由于同一分總成夾具投入數(shù)量為3個，考慮加工、裝配、調(diào)試等累計誤差帶來的不一致性，同時為使生產(chǎn)的分總成產(chǎn)品質(zhì)量具備可追溯性，故在每套夾具上增設(shè)1個壓印式氣動打號機(jī)（圖5），壓印字頭分別為1、2、3用來區(qū)分3套相同夾具。

圖5 壓印式氣動打號機(jī)

AGV牽引夾具從焊接工位返回到上件位上件時由于AGV到位停止精度較低，不滿足夾具氣電快插精度需求，因此需要對夾具進(jìn)行精確定位，通過本文的多連桿夾具定位裝置（圖6）可吸收±10 mm范圍的AGVX向到位停止偏差及±5mm范圍的AGVY向到位停止偏差，有效保證了夾具的定位精度，滿足氣電快插精度需求。

圖6 多連桿夾具定位裝置

3.2 分總成焊接區(qū)布局方案

本文結(jié)合實(shí)際分總成產(chǎn)品工藝數(shù)量在第一分總成焊接工位設(shè)置2臺機(jī)器人，其中1臺工藝為鋼點(diǎn)焊，另1臺工藝為鋼點(diǎn)焊及搬運(yùn)，搬運(yùn)的目的是將第1分總成焊接完產(chǎn)品放置到總成焊接工位上，為后續(xù)總成焊接提供線體啟動條件，同時可清空夾具滿足人工上件條件；在第2分總成焊接工位設(shè)置3臺機(jī)器人，其中2臺工藝為鋼點(diǎn)焊，1臺工藝為鋼點(diǎn)焊及搬運(yùn)，搬運(yùn)目的同上述。分總成焊接工位的核心是保證夾具±0.1 mm的重復(fù)定位精度以此滿足遠(yuǎn)高于氣電快插裝置精度的機(jī)器人點(diǎn)定焊接精度需求，針對上述需求本文提供了對應(yīng)解決方案，本文設(shè)計的多連桿、升降組合式夾具定位裝置（圖7）可有效消除AGV在X向、Y向的到位停止偏差，同時可消除廠房地面不平對焊接精度帶來的影響。

圖7 多連桿、升降組合式夾具定位裝置

4 電氣系統(tǒng)集成方案

如圖8所示，本文所設(shè)計的焊裝線體系統(tǒng)包含主線控制系統(tǒng)和AGV控制系統(tǒng)。其中，AGV控制系統(tǒng)由AGV本體、AGV管控系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和地面導(dǎo)引系統(tǒng)等組成。

圖8 電氣系統(tǒng)集成示意

4.1 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)采用Siemens 1517F系列PLC為主控制單元，以控制電源柜（PDP柜）為電源輸出源，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、電伺服焊鉗、AGV、定位夾具等設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

4.2 AGV本體

AGV小車除本體機(jī)械結(jié)構(gòu)外，還包括控制器、鋰電池、無線AP、驅(qū)動電機(jī)、頂升電機(jī)、激光掃描器、導(dǎo)航傳感器、充電電極等電氣設(shè)備。

4.3 AGV管控系統(tǒng)

AGV管控系統(tǒng)是AGV控制系統(tǒng)的核心，采用Siemens S7-300系列PLC為控制單元，通過PN/PNCoupler耦合器與主線中央控制系統(tǒng)PLC通信，接收控制指令；通過無線訪問接入點(diǎn)（Access Point，AP）實(shí)時調(diào)度、監(jiān)控各AGV小車運(yùn)行位置與狀態(tài)。工作人員可通過對AGV管控系統(tǒng)內(nèi)程序的修改，更改各AGV的調(diào)度控制。

4.4 地面導(dǎo)引系統(tǒng)

AGV地面導(dǎo)引系統(tǒng)采用磁帶導(dǎo)航+電子地標(biāo)相結(jié)合的方式，將磁條粘貼鋪設(shè)至規(guī)劃行駛線路上，電子地標(biāo)埋設(shè)至磁條下，AGV通過導(dǎo)航傳感器感應(yīng)行駛路線并通過電子地標(biāo)將位置實(shí)時反饋到管控系統(tǒng)。

4.5 充電系統(tǒng)

如前所述，AGV小車采用鋰電池作為供電單元，AGV小車的運(yùn)動不受場地限制，可根據(jù)工藝情況規(guī)劃行駛路線，系統(tǒng)柔性化程度較高。但電池電量有限，電量耗盡后再充電又需要較長時間。因此，本文在AGV工作停留時間較長的上件區(qū)與分總成焊接區(qū)各設(shè)計1個充電樁，當(dāng)AGV運(yùn)行至該區(qū)域時及時充電，既滿足了線體的工作節(jié)拍，又保證了AGV電池的充電需求。

5 電氣控制方案

本部分著重對上件區(qū)和分總成焊接區(qū)電氣控制流程進(jìn)行介紹。

5.1 上件區(qū)控制方案

每個班次生產(chǎn)前，生產(chǎn)訂單將被提前錄入到工控機(jī)中，或由MES（生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)）系統(tǒng)下發(fā)至工控機(jī)中。PLC通過讀取生產(chǎn)訂單信息，明確即將在上件區(qū)上線的分總成車型，并使用白色柱燈提示上件區(qū)工人，拾取對應(yīng)車型工件。

AGV進(jìn)入上件區(qū)后，PLC首先控制定位裝置對夾具實(shí)行精準(zhǔn)定位，完成氣電快插的準(zhǔn)確對接，從而實(shí)現(xiàn)對AGV牽引夾具的聯(lián)網(wǎng)與控制。PLC通過夾具狀態(tài)與車型信息進(jìn)行比對，如果夾具狀態(tài)與該車型所需夾具狀態(tài)一致，則料口柱燈顯示綠色，允許工人上件；如果夾具狀態(tài)與該車型所需夾具狀態(tài)不一致，則料口柱燈顯示紅色，不允許工人上件，此時工人需要按下車型切換按鈕，完成夾具車型切換，料口柱燈顯示綠色后，方可上件。全部工件放置到位后，工人拍雙手按鈕，夾具進(jìn)行夾緊動作固定工件，再按AGV放行按鈕，氣電快插斷開，定位夾具打開，AGV駛離。上件區(qū)控制流程如圖9所示。

圖9 上件區(qū)控制流程

5.2 分總成焊接區(qū)電控方案

AGV進(jìn)入分總成焊接區(qū)，PLC控制定位裝置對夾具實(shí)行精準(zhǔn)定位，完成氣電快插準(zhǔn)確對接，聯(lián)結(jié)分總成夾具。PLC通過夾具狀態(tài)讀取車型信息并與生產(chǎn)訂單車型信息進(jìn)行比對，信息一致時，執(zhí)行夾具動作，向機(jī)器人發(fā)出焊接、抓取等命令，完成工藝后，AGV駛離焊接區(qū)；車型信息不一致時，系統(tǒng)發(fā)出警報，等待維修人員查看處理。分總成焊接區(qū)控制流程如圖10所示。

圖10 分總成焊接區(qū)控制流程

6 結(jié)束語

面對焊裝行業(yè)四郊多壘的競爭環(huán)境，幫助主機(jī)廠解決投入小、去平臺化限制、一線多產(chǎn)的生產(chǎn)難題更能讓線體商在焊裝領(lǐng)域脫穎而出，掌握市場話語權(quán)。本文提出的AGV與傳統(tǒng)焊裝線融合模型有效解決了上述難題，并在15萬年產(chǎn)綱領(lǐng)的焊裝產(chǎn)線得到實(shí)際應(yīng)用，取得成功。