李磊 劉菁茹 潘福祿

（一汽模具制造有限公司，長春 130000）

1 前言

隨著汽車制造技術(shù)水平的高速發(fā)展，各汽車主機(jī)廠焊裝工藝的自動(dòng)化程度越來越高，其中機(jī)器人的投入使用帶來的自動(dòng)化提升最為明顯，為適應(yīng)主機(jī)廠的發(fā)展，為主機(jī)廠提供焊接零部件的供應(yīng)商也開始大量使用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)約人力成本的同時(shí)，提升自動(dòng)化率，提升產(chǎn)品質(zhì)量的可控性與一致性。

同時(shí)，隨著生活水平的提高，人們對汽車的需求越來越多樣化、個(gè)性化，促使汽車制造向高柔性化方向轉(zhuǎn)變。焊接零部件供應(yīng)商為適應(yīng)這種需求，也在尋求更為經(jīng)濟(jì)，更高效率的柔性生產(chǎn)方式。

2 白車身零部件焊裝工藝模塊化

由于零部件供應(yīng)級(jí)多為白車身分總成，產(chǎn)品種類、平臺(tái)的不確定性導(dǎo)致很難以車型平臺(tái)的劃分定義生產(chǎn)方式，同時(shí)主機(jī)廠對零部件的需求量是根據(jù)市場而變化，考慮生產(chǎn)經(jīng)營因素，零部件供應(yīng)生產(chǎn)線要求進(jìn)行滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，所以在一種車型零部件需求下降時(shí)，需要立即補(bǔ)充其它車型零部件，維持生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行。

針對以上情況，提出以焊接工藝進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，配合夾具切換技術(shù)，設(shè)計(jì)不同工藝的功能站，拋開車型及產(chǎn)品平臺(tái)概念，對同種工藝的產(chǎn)品集中生產(chǎn)，既提高了設(shè)備的利用率，同時(shí)可在產(chǎn)量變化時(shí)，隨時(shí)補(bǔ)充相同工藝的任何零部件，使生產(chǎn)線產(chǎn)量不因某種產(chǎn)品需求變化而隨之改變。

2.1 柔性點(diǎn)焊工作站

白車身最主要的鏈接工藝是電阻焊，一般占整車焊接當(dāng)量60%以上。電阻焊中點(diǎn)焊使用最多，尤其在白車身零部件中使用更為廣泛，可以說，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊的模塊化、柔性化工藝，即可實(shí)現(xiàn)白車身零部件的柔性化焊接生產(chǎn)。

根據(jù)白車身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及節(jié)拍因素，點(diǎn)焊工作站可模塊化設(shè)計(jì)成以下幾種形式，滿足不同節(jié)拍，不同產(chǎn)品的需求。

2.1.1 對稱零件點(diǎn)焊工作站

白車身大多數(shù)零件都是左右對稱結(jié)構(gòu)，例如左右縱梁、前后門等，圖1 所示為左右前縱梁零件產(chǎn)品圖，對于這類對稱結(jié)構(gòu)的焊接件，設(shè)計(jì)對稱料口式焊接工作站（圖2、圖3），機(jī)器人焊接左右對稱的零件，焊槍等通用性更強(qiáng)，焊接軌跡對稱導(dǎo)入即可，在節(jié)省設(shè)計(jì)成本的同時(shí)，生產(chǎn)也更好管理。

圖1 左右前縱梁產(chǎn)品示意

圖2 對稱零件點(diǎn)焊工作站

圖3 對稱零件點(diǎn)焊工作站

2.1.2 非對稱零件點(diǎn)焊工作站

例如前圍、包裹架、中通道等零部件為單一零件，圖4 所示為前圍檔板總成產(chǎn)品示意，對于這類非對稱結(jié)構(gòu)的焊接件，焊接工作站可以設(shè)計(jì)成如圖5 形式，單側(cè)上下序進(jìn)行焊接，方便零件在工序間的傳導(dǎo)及物流管理。

圖4 前圍檔板總成

圖5 非對稱零件點(diǎn)焊工作站

2.1.3 隨行點(diǎn)焊工作站

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)的“良好生態(tài)環(huán)境是最公平的公共產(chǎn)品，是最普惠的民生福祉”這一重要論斷表明我國生態(tài)文明建設(shè)必須堅(jiān)持“以人為本”的價(jià)值取向，決定了我們黨一切工作都是為了造福人民，把人民利益作為一切工作的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。良好的生態(tài)環(huán)境是人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的根本基礎(chǔ)，是衡量人民生活是否幸福的重要指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)民族振興的生態(tài)條件，是廣大人民的根本利益之所在。因此，建設(shè)生態(tài)文明就是改善民生。

例如三角窗、門檻以及層級(jí)更深的零部件，由于焊點(diǎn)少，機(jī)器人如果焊接單一種類零件，利用率低，因此設(shè)計(jì)隨行點(diǎn)焊工作站（圖6），利用機(jī)器人七軸增加機(jī)器人工作范圍的方式，使一臺(tái)機(jī)器人對應(yīng)多個(gè)料口，多個(gè)零部件的焊接，提高機(jī)器人的利用率。

圖6 隨行點(diǎn)焊工作站

2.2 柔性二氧化碳焊接工作站

除電阻焊之外，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊也是使用較多的連接工藝，而且由于氣體排放的嚴(yán)格要求，一般需要建設(shè)二氧化碳焊房工作站，配備獨(dú)立的排風(fēng)系統(tǒng)（圖7）。

圖7 二氧化碳焊接工作站

二氧化碳焊接工作站需要設(shè)置變位機(jī)，適應(yīng)二氧化碳焊道分布不均衡現(xiàn)象，同時(shí)提高不同產(chǎn)品二氧化碳焊接工藝的柔性化。

圖8 所示為常見零件二氧化碳焊道位置圖，圖中標(biāo)識(shí)圓圈內(nèi)分布數(shù)量不等的二氧化碳焊道，可見該縱梁端面360°內(nèi)4 個(gè)面均有焊道，為保證機(jī)器人二氧化碳焊接可達(dá)性及焊接角度可選擇性，最終達(dá)到優(yōu)質(zhì)的二氧化碳焊接質(zhì)量，需要變位機(jī)設(shè)備，在機(jī)器人姿態(tài)不可達(dá)時(shí)，機(jī)器人控制變位機(jī)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)品角度位置，實(shí)現(xiàn)焊接，并且變位機(jī)的非工作面可預(yù)留后續(xù)產(chǎn)品的夾具位置，在不同產(chǎn)品工裝混流性差的時(shí)候，變位機(jī)的存在提高了工作站不同產(chǎn)品柔性的可能性。

圖8 二氧化碳焊道位置

對于白車身零部件連接工藝，多數(shù)由點(diǎn)焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、膠粘、凸焊等組成，膠粘、凸焊目前在白車身零部件供應(yīng)中使用較少或多為人工手動(dòng)形式。

上述模塊進(jìn)行尺寸約束，以工作島式的形態(tài)建設(shè)，同時(shí)可以連接成線，隨意組合，由同一套控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)控制管理。如圖9、圖10 所示，自由組合拼接而成的生產(chǎn)線，多見于前后縱梁、前圍檔板等多工序完成的產(chǎn)品總成，設(shè)計(jì)者只需合理分序，組合工作站，即可快速搭建生產(chǎn)線。

圖9 對稱結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)線

圖10 非對稱結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)線

3 夾具切換技術(shù)

區(qū)別于主機(jī)廠生產(chǎn)線，夾具切換多采用轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)鼓、滑臺(tái)等設(shè)備，切換柔性化能力有限，而且設(shè)備價(jià)格昂貴。為使模塊化工作站適應(yīng)不同產(chǎn)品，打破產(chǎn)品平臺(tái)化限制的需求，零部件焊接需要使用柔性化更高，性價(jià)比更高的夾具切換形式。

下列夾具切換形式，可與零部件焊接工作站配合使用，快速切換夾具。同時(shí)焊接工作站的料口標(biāo)準(zhǔn)化及夾具庫的使用，可實(shí)現(xiàn)零部件生產(chǎn)無車型限制的目標(biāo)。

3.1 夾具快速切換形式1

圖11 夾具快速切換形式1結(jié)構(gòu)

由于該機(jī)構(gòu)需要Z方向垂直落位，將夾具落到料口定位機(jī)構(gòu)里，所以夾具切換時(shí)需要設(shè)備將夾具舉升及落下，一般生產(chǎn)中可以使用手動(dòng)液壓搬運(yùn)車進(jìn)行夾具切換和轉(zhuǎn)運(yùn)，如圖12 所示。

圖12 利用手動(dòng)液壓搬運(yùn)車切換夾具示意

此夾具切換形式結(jié)構(gòu)簡單，料口標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本較低。但同時(shí)定位精度及切換夾具操作性不高，只適合應(yīng)用于零部件點(diǎn)焊工作站使用。

3.2 夾具快速切換形式2

如圖13 所示，定位原理與夾具快速切換形式1相同，區(qū)別為形式2 由料口定位裝置自動(dòng)對接夾具定位孔，并舉升夾具，在Z方向進(jìn)行定位。

圖13 夾具快速切換形式2結(jié)構(gòu)

此夾具切換形式操作簡單，人工直接將夾具推到料口位置，信號(hào)確認(rèn)后由料口舉升機(jī)構(gòu)自動(dòng)對夾具定位；缺點(diǎn)是料口機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，舉升機(jī)構(gòu)需要定期校準(zhǔn)維護(hù)，保證夾具位置精度。同樣只適合應(yīng)用于零部件點(diǎn)焊工作站使用。

3.3 夾具快速切換形式3

使用滾珠與導(dǎo)輪定位形式保證夾具切換后的位置精度。如圖14 所示，水平滾珠支撐夾具，在Z向起到定位作用；夾具導(dǎo)入過程中，依靠側(cè)向滾輪與側(cè)頂氣缸保證X向準(zhǔn)確定位；在工作位置，料口內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)兩組夾緊氣缸固定夾具，同時(shí)進(jìn)行Y向定位。這樣X、Y、Z3 個(gè)方向都完成準(zhǔn)確定位[1]。

圖14 夾具快速切換形式3結(jié)構(gòu)

此夾具切換形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。但夾具的X、Y、Z3 個(gè)方向都進(jìn)行了精準(zhǔn)定位，位置精度高，適用于點(diǎn)焊、二氧化碳焊、螺柱焊等所有工作島使用。

上述3 種夾具切換形式均可由AGV 替代人工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換夾具，形式1 需要與潛伏式AGV配合使用，形式2、3 與一般牽引式AGV 配合即可。使用AGV 切換自動(dòng)化程度更高，配合夾具庫按生產(chǎn)計(jì)劃切換夾具及生產(chǎn)車型，線體可升級(jí)為自動(dòng)化高柔性零部件供應(yīng)生產(chǎn)線。

4 焊裝工藝模塊化優(yōu)勢

開發(fā)設(shè)計(jì)多種焊接工藝模塊工作站，只關(guān)注工藝內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)，打破傳統(tǒng)生產(chǎn)線以車型平臺(tái)建線思路，可以更好地融入不同車型零件的生產(chǎn)，時(shí)刻保持生產(chǎn)線設(shè)備的利用率，同時(shí)可以更便捷地增產(chǎn)提速，快速響應(yīng)產(chǎn)能變化需求。

a.可增可減，適應(yīng)性強(qiáng)。工作站的生產(chǎn)方式，可以快速適應(yīng)產(chǎn)能變化及解決空間對生產(chǎn)的限制。當(dāng)產(chǎn)能增加或減少時(shí)，可以通過關(guān)閉或快速復(fù)制工作站方式快速應(yīng)變，關(guān)閉的工作站安排其它零部件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。如果場地面積受限，可以將工作站建立在不同位置，利用一切可利用的空間，通過物流轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)現(xiàn)工藝的連續(xù)性，規(guī)避了整線建設(shè)對大空間的硬性需求。

b.模塊設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)快捷。將上述工作站進(jìn)行模塊化，當(dāng)需要建設(shè)生產(chǎn)島時(shí)，直接調(diào)入工作站模型，進(jìn)行必要的產(chǎn)品分析、焊點(diǎn)分配及仿真驗(yàn)證，即可完成全部的開發(fā)設(shè)計(jì)工作，其它設(shè)備數(shù)量、選型、平面設(shè)計(jì)等直接調(diào)入模塊內(nèi)容，大大提升了設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

著重介紹了模塊化設(shè)計(jì)理念在汽車零部件焊接工藝中的應(yīng)用，結(jié)合零部件廠商的生產(chǎn)模式特點(diǎn)，提出幾種實(shí)用的焊裝工藝模型，通過模塊化工藝，配合柔性化的夾具切換技術(shù)，可以很好的實(shí)現(xiàn)當(dāng)前自動(dòng)化、柔性化的生產(chǎn)要求。同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，縮短了焊裝生產(chǎn)線的開發(fā)設(shè)計(jì)周期，利用工藝模塊化的有利條件，可以開發(fā)更多的汽車焊裝工藝功能模塊，將模塊系列化，應(yīng)用于更廣泛的場景中，發(fā)揮工藝模塊化設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢。