柯 晶，徐恢川，劉 羊，程 健，紀(jì)昌華，謝魁英，段 銳

(1.三豐智能裝備集團(tuán)股份有限公司，湖北 黃石 435000；2.湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；3.機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，吉林 長春 130000)

汽車制造是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其中，合裝工藝是汽車制造中最為復(fù)雜的核心部分，直接決定整車的制造效率和質(zhì)量[1-2]。隨著汽車行業(yè)的個(gè)性化及多樣化發(fā)展，現(xiàn)有的傳統(tǒng)人工輔助裝配模式已不能滿足其發(fā)展需求。汽車自動(dòng)柔性合裝工藝因在同一生產(chǎn)流水線上，通過更換托盤或工裝夾具就可完成不同系列車型的車身、底盤及發(fā)動(dòng)機(jī)的隨機(jī)混流裝配，可大大提高汽車總裝的效率，是智能制造和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的急需模式[3-4]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

汽車自動(dòng)柔性合裝的工藝流程如下：①端部升降機(jī)將合裝托盤從托盤庫里運(yùn)輸至合車工位；②對(duì)空中自行小車、吊裝車身、吊具以及車身定位；③將舉升合裝托盤升至設(shè)定位置后，底盤分總成與車身裝配，并將第一次裝配后的車身鎖止到合裝大拖盤上；④車身與吊具定位退回，合裝后的底盤帶著車身被輸送到下一個(gè)工位，完成車身與底盤的合裝工序，即為車身與底盤合裝[5]。

2 合裝設(shè)備模塊化布局

2.1 合裝托盤

合裝托盤由大托盤支架、前托盤、中托盤和后托盤4部分組成，其以不同車型的底盤前、中、后托盤為子托盤，按照順序安置在大托盤支架上，采用快速自鎖機(jī)構(gòu)，方便自動(dòng)分離與合并[6]。通常子托盤與主托盤之間采用浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，且配備有多個(gè)浮動(dòng)擰緊頭，方便擰緊工位的自動(dòng)擰緊槍從底部插入。大托盤支架的底部類似于撬體結(jié)構(gòu)，與高速鏈床配合，上部承載前、中、后托盤，運(yùn)送到各個(gè)擰緊工位。前托盤則對(duì)應(yīng)汽車零部件前懸總成和冷卻模塊。中托盤則對(duì)應(yīng)汽車零部件排氣管、油管、隔熱罩等。后托盤則對(duì)應(yīng)汽車零部件后懸、排氣管、油箱等。合裝托盤如圖1所示，合裝托盤控制精度見表1。

圖1 合裝托盤

表1 合裝托盤控制精度 mm

2.2 自行小車

自行小車由車身本體和四帶升降裝置組成，小車設(shè)計(jì)為雙驅(qū)動(dòng)。行走時(shí)，因小車上裝有安全讀碼器，結(jié)合軌道上安裝的安全二維碼，通過Movifit控制器可對(duì)車組進(jìn)行制動(dòng)力矩檢測、同步檢測、定位檢測，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)小車組的精確定位。

2.3 合車站

裝載車身的吊具由EMS(Electrical Monorail System，小車自動(dòng)輸送系統(tǒng))輸送到合裝工位，并下降到合裝高度，地面吊具定位支撐銷升起，對(duì)吊具進(jìn)行支撐定位，同時(shí)對(duì)車身定位。然后，車身后端的壓緊機(jī)構(gòu)舉升壓緊車身，再舉升底盤合裝大托盤。合裝大托盤上的定位銷要定位到車身，同時(shí)車身與合裝托盤間通過掛鉤執(zhí)行器進(jìn)行鎖死。系統(tǒng)檢測到鎖死信號(hào)，吊具定位支撐和車身后端壓緊機(jī)構(gòu)返回到原位，即完成車身與底盤部件的合裝。

3 擰緊裝備設(shè)計(jì)與布局

擰緊機(jī)器人可以在工況比較惡劣、工人無法到達(dá)的狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送釘并擰緊螺栓[7-8]。柔性裝配系統(tǒng)中的擰緊工藝包含整體式伺服擰緊站、分體式伺服擰緊站、六軸機(jī)器人擰緊站3個(gè)工位，具體功能及布局如下。

3.1 整體式伺服擰緊站

整體式伺服擰緊站由地軌和前、中、后3個(gè)滑動(dòng)擰緊臺(tái)組成，直接布置在高速鏈床或滾床的底部，每個(gè)擰緊臺(tái)安置多個(gè)擰緊槍組[9]。

3.2 分體式伺服擰緊站

分體式伺服擰緊站由一套或多套擰緊機(jī)構(gòu)組成，按需要布置在高速鏈床或滾床的底部。每把擰緊槍擰緊2～6個(gè)螺栓，擰緊軸上面都配置有浮動(dòng)結(jié)構(gòu)[10-11]，防止螺栓擰緊的實(shí)際位置和理論位置存在偏差，實(shí)現(xiàn)一定偏差范圍內(nèi)自動(dòng)認(rèn)帽功能。前橋和后橋擰緊結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

圖2 前橋擰緊結(jié)構(gòu)

3.3 六軸機(jī)器人擰緊站

六軸機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軌跡路徑[12-13]，在分體式或整體式伺服擰緊站不便擰緊螺栓及某些特定工況下，六軸機(jī)器人擰緊站可以進(jìn)行輔助補(bǔ)充，主要采用吹+吸的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)擰緊螺栓的自動(dòng)分揀、排序以及定位輸送等。其附屬機(jī)構(gòu)為機(jī)器人自動(dòng)擰緊提供配套螺栓，且可以實(shí)時(shí)顯示螺栓擰緊扭矩值。六軸機(jī)器人擰緊站如圖4所示。

圖4 六軸機(jī)器人擰緊站

4 智能信息化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多車型共線生產(chǎn)的智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由自動(dòng)裝配、物流系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等幾部分組成。利用信息技術(shù)，通過現(xiàn)場設(shè)備總線、現(xiàn)場控制總線、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場無線通信、數(shù)據(jù)識(shí)別處理以及其他數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，將多車型共線生產(chǎn)的各個(gè)子系統(tǒng)連接起來?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及擰緊狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示界面分別如圖5和圖6所示。

圖5 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖6 控制系統(tǒng)擰緊狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示界面

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過前期分析和設(shè)計(jì)，研制了可模擬真實(shí)裝配工藝的生產(chǎn)線，并在三豐智能裝備集團(tuán)股份有限公司測試車間進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，測試結(jié)果見表2。由表2可知，該自動(dòng)柔性合裝工藝的部分性能指標(biāo)與國內(nèi)同類水平相比，處于持平或者超越的狀態(tài)，如人工減少量提升了28.6%，最大輸送速度提升了14.29%，最大載重質(zhì)量提高了8.7%，重復(fù)定位精度、托盤以及夾具精度均大幅提高。與國外先進(jìn)技術(shù)相比，性能參數(shù)基本持平或者已經(jīng)超越，如最大輸送速度同比提高了14.29%。

表2 測試結(jié)果

6 結(jié)束語

針對(duì)目前汽車總裝過程中存在機(jī)器人少、工人多、效率低、裝配質(zhì)量不穩(wěn)定、安全事故高等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了自動(dòng)柔性合裝的生產(chǎn)工藝，可有效提升汽車制造質(zhì)量和企業(yè)競爭力。該工藝亦可拓展下放到商用車及工程機(jī)械領(lǐng)域，為促進(jìn)工業(yè)現(xiàn)代化起到較好的促進(jìn)作用。