李磊 董雷 崔超 林增宇 畢愿江 宮正軍

（一汽模具制造有限公司，長春 130000）

1 前言

在當(dāng)前汽車制造行業(yè)，白車身焊裝已經(jīng)進(jìn)入到自動(dòng)化、柔性化生產(chǎn)的時(shí)代，并且隨著車型的種類不斷增加，車型更新?lián)Q代速度不斷加快，為降低生產(chǎn)成本，加快車型上市速度，各汽車生產(chǎn)廠要求生產(chǎn)系統(tǒng)具備多車型柔性的生產(chǎn)能力。白車身焊裝工藝相比汽車其它工藝，剛性更強(qiáng)，多車型柔性的難度更大，尤其主拼柔性技術(shù)，是整個(gè)焊裝生產(chǎn)線車型柔性能力能否提高的瓶頸，已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車制造業(yè)重點(diǎn)研究的課題。

2 目前主流主拼柔性技術(shù)及主拼形式

2.1 主拼技術(shù)及其柔性能力

2.1.1 滑臺(tái)式主拼技術(shù)

側(cè)圍抓具由滑臺(tái)帶動(dòng)，對白車身進(jìn)行定位，其車型柔性能力由與滑臺(tái)對接的側(cè)圍抓具庫存放的側(cè)圍抓具數(shù)量決定，一般在3～6種車型，并且線體工位寬度比較大，對生產(chǎn)線面積及布局要求高。

2.1.2 框架式主拼技術(shù)

機(jī)器人搬運(yùn)側(cè)圍框架夾具對白車身進(jìn)行定位，其車型柔性能力由機(jī)器人可達(dá)范圍內(nèi)能夠存儲(chǔ)的側(cè)圍抓具數(shù)量決定，受工藝面積的限制，一般在2～6種車型。

2.2 主拼形式

2.2.1 GATE主拼形式[1]

GATE主拼是一種目前廣泛應(yīng)用的主拼形式，核心部件為能夠沿X、Y方向移動(dòng)的滑軌臺(tái)車系統(tǒng)與主拼鎖緊機(jī)構(gòu)。GATE主拼通常與滾床輸送設(shè)備配合使用，滾床先將預(yù)裝好的白車身總成傳輸?shù)街髌垂の唬聤A具對地板總成進(jìn)行定位，之后GATE通過滑軌臺(tái)車移動(dòng)側(cè)圍定位夾具，通過鎖緊機(jī)構(gòu)對側(cè)圍及頂蓋梁進(jìn)行定位夾緊，最后機(jī)器人進(jìn)行焊接，完成主拼工藝。

GATE主拼的柔性通過側(cè)圍抓具庫實(shí)現(xiàn)，常見夾具庫形式有2種：一種為轉(zhuǎn)臺(tái)夾具庫形式，一般可實(shí)現(xiàn)4車型柔性切換（圖1）；另一種為滑臺(tái)夾具庫形式，根據(jù)工藝面積，一般可實(shí)現(xiàn)4～6車型柔性切換（圖2）。

圖1 GATE主拼形式一

圖2 GATE主拼形式二

2.2.2 飛行夾具主拼形式

飛行夾具主拼的地板總成定位方式與GATE主拼形式相同，不同處在于飛行夾具主拼是以機(jī)器人搬運(yùn)側(cè)圍、頂蓋梁等分總成框架夾具，在合拼位置使其定位后進(jìn)行焊接，完成主拼工藝的一種形式。充分利用了機(jī)器人的靈活性，使生產(chǎn)線布局緊湊，提高空間利用率。通過在機(jī)器人可達(dá)范圍內(nèi)布置抓具?？空荆瑑?chǔ)存不同車型的框架抓具實(shí)現(xiàn)車型柔性要求，一般可實(shí)現(xiàn)3～5種車型柔性切換。飛行夾具主拼根據(jù)合拼時(shí)鎖緊系統(tǒng)形式不同，可分為龍門框架飛行夾具（圖3）和無框架飛行夾具（圖4）。

圖3 龍門框架飛行夾具

圖4 無框架飛行夾具

2.2.3 其它主拼形式

除以上2種主拼形式外，根據(jù)主機(jī)廠習(xí)慣，日系車企常用內(nèi)置夾具主拼（圖5），德系車企常用康采恩框架主拼（圖6），這些主拼形式原理與GATE主拼形式類似，區(qū)別于內(nèi)置夾具與康采恩框架是利用空中立體布局，進(jìn)行主拼工位的柔性提升，內(nèi)置夾具在車身內(nèi)部對白車身定位夾緊，使焊接機(jī)器人有更好的作業(yè)空間，提升了主拼工位的焊接效率。

圖5 內(nèi)置夾具主拼[2]

圖6 康采恩框架主拼

2.3 限制柔性因素分析

2.3.1 地板下夾具車型混流能力的限制

上述主流主拼技術(shù)同時(shí)存在地板總成混流能力不足的問題，地板下夾具混流能力有限，主要以加強(qiáng)地板總成產(chǎn)品平臺(tái)化程度和使用柔性設(shè)備增加下夾具的柔性混流能力，柔性設(shè)備通常有NC柔性單元（圖7）和風(fēng)車柔性單元（圖8）。

圖7 NC柔性單元

圖8 風(fēng)車柔性單元

NC柔性單元可以實(shí)現(xiàn)X、Y方向在一定范圍內(nèi)位置移動(dòng)，但不同車型定位孔徑必須一致；風(fēng)車柔性單元可以實(shí)現(xiàn)地板定位孔徑不同的情況進(jìn)行混流，但不能進(jìn)行X、Y方向的位置移動(dòng)，要求定位孔坐標(biāo)接近，以保證風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡；所以傳統(tǒng)主拼技術(shù)中地板總成下夾具實(shí)現(xiàn)多車型混流，對白車身地板定位孔是否適合混流是有一定要求的。

2.3.2 工藝面積對車型柔性的限制

目前常見主拼形式，有一個(gè)共同特點(diǎn)，主拼工位占地面積大，工位寬度大。6車型GATE主拼需要線體寬度至少達(dá)到18 m；5車型飛行夾具主拼需要線體寬度也要達(dá)到17 m。主拼工位線體寬，但其它主焊線工位寬度較小，一般在10 m左右即可，工位間線寬差距過大不利于平面布局，易造成工藝面積的浪費(fèi)，如圖9所示為常見主焊線布局，所以工藝面積的限制及有效利用率成為高柔性主拼的制約條件。

圖9 主焊線布局

3 高柔性主拼技術(shù)方案與應(yīng)用

3.1 目的及路線

為解決夾具、產(chǎn)品及工藝面積等因素對白車身主拼柔性能力制約的問題，實(shí)現(xiàn)主拼柔性能力顯著提高的目的，下面介紹一種新型高柔性主拼系統(tǒng)。

新型高柔性主拼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先放棄了傳統(tǒng)主拼系統(tǒng)中，地板總成零件使用下夾具進(jìn)行車型混流的方式，改為可切換的車型專屬地板臺(tái)車，存儲(chǔ)在線外立體庫中，通過AGV進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，在不占用主拼工位工藝面積的情況下，實(shí)現(xiàn)地板總成零件無限車型切換的能力。其次，設(shè)計(jì)一種側(cè)圍框架抓具可與滑軌臺(tái)車脫離的主拼機(jī)構(gòu)，脫離后的側(cè)圍框架抓具使用同地板總成零件一樣的方法，通過AGV建立起工位內(nèi)與立體庫之間的轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)系，把不同車型的側(cè)圍框架抓具存儲(chǔ)到線外立體庫中，解決側(cè)圍總成無限車型切換問題。最后頂蓋前后橫梁，由于各車型橫梁結(jié)構(gòu)相似，利用柔性伺服抓具技術(shù)，進(jìn)行柔性抓取，最終實(shí)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，主拼無限柔性的設(shè)計(jì)。

3.2 主要結(jié)構(gòu)及作用

高柔性主拼系統(tǒng)主要核心機(jī)構(gòu)有地板臺(tái)車定位裝置和主拼機(jī)構(gòu)（圖10）。

圖10 高柔性主拼機(jī)構(gòu)主要組成和相對位置示意

3.2.1 地板臺(tái)車定位裝置

地板臺(tái)車定位裝置主要用于定位鎖緊不同車型的地板臺(tái)車，并且集成與側(cè)圍框架的互鎖機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 地板下夾具定位裝置結(jié)構(gòu)示意

3.2.2 主拼機(jī)構(gòu)

主拼機(jī)構(gòu)主要用于白車身側(cè)圍固定及實(shí)現(xiàn)側(cè)圍與地板總成合拼功能，確保白車身總成相對位置關(guān)系，是主拼系統(tǒng)中的核心機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 主拼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

3.3 主拼工位布局方案

圖13所示為高柔性主拼系統(tǒng)布局示意圖，工位上方搭建鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，地板總成與側(cè)圍總成零件在地面進(jìn)行上件，頂蓋橫梁總成零件在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行上件，最后由主拼機(jī)構(gòu)進(jìn)行合拼固定。

圖13 高柔性主拼工位布局示意

3.4 主要工作流程

由于白車身為對稱構(gòu)造，下面以一側(cè)為例敘述工作流程。

生產(chǎn)開始后，首先由AGV小車將某車型地板臺(tái)車和地板總成零件從滑移門7（圖13）運(yùn)到主拼工位，通過地板下夾具定位裝置1（圖13）進(jìn)行定位，檢測部件104（圖11）對地板總成零件車型進(jìn)行校對，判定正確后，進(jìn)行下一步工作。

同理，使用AGV小車將該車型側(cè)圍框架抓具通過轉(zhuǎn)運(yùn)臺(tái)車運(yùn)至側(cè)圍抓具轉(zhuǎn)運(yùn)臺(tái)車定位裝置6（圖13）處并進(jìn)行定位，側(cè)圍抓具搬運(yùn)機(jī)器人3（圖13）將側(cè)圍框架抓具拾起，側(cè)圍抓具導(dǎo)入完成。

側(cè)圍總成零件由料車推進(jìn)側(cè)圍上料口，通過側(cè)圍料車定位裝置4（圖13）進(jìn)行定位后，側(cè)圍抓具搬運(yùn)機(jī)器人3（圖13）從側(cè)圍總成料車中抓取側(cè)圍總成零件，將側(cè)圍抓具及側(cè)圍總成零件一同放入主拼機(jī)構(gòu)2（圖13）中，通過主拼機(jī)構(gòu)2上的側(cè)圍抓具互鎖裝置A端205（圖12）與側(cè)圍抓具上對應(yīng)的互鎖裝置B端進(jìn)行定位鎖緊，將側(cè)圍抓具固定到側(cè)圍抓具定位框架204（圖12）上，側(cè)圍抓具搬運(yùn)機(jī)器人3（圖13）脫離并返回等待位置，氣電快插206（圖12）接入，接替?zhèn)葒ゾ甙徇\(yùn)機(jī)器人3（圖12）對側(cè)圍抓具進(jìn)行控制，導(dǎo)入后狀態(tài)如圖14所示。

圖14 地板總成及側(cè)圍總成導(dǎo)入后工作站狀態(tài)

主拼機(jī)構(gòu)中臺(tái)車203（圖12）先在X向滑臺(tái)201（圖12）上滑動(dòng)一定距離，再在Y向滑臺(tái)202（圖12）上滑動(dòng)一定距離，最終將側(cè)圍總成合拼到地板總成上，工作位置如圖15所示。

圖15 地板、側(cè)圍合拼示意

頂蓋橫梁總成零件的合拼在二層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)9（圖13）上進(jìn)行，工作流程如下。

a.頂蓋梁抓件及焊接機(jī)器人11（圖13）將頂蓋橫梁伺服柔性抓具放到頂蓋橫梁伺服柔性抓具上件支架10（圖13）上，人工將頂蓋橫梁放到頂蓋橫梁伺服柔性抓具上并自動(dòng)夾緊，頂蓋梁抓件及焊接機(jī)器人11（圖13）將頂蓋橫梁伺服柔性抓具和頂蓋橫梁總成零件一起放到主拼機(jī)構(gòu)2（圖13）上，通過頂蓋梁伺服柔性抓具上與側(cè)圍框架夾具上的互鎖機(jī)構(gòu)裝置進(jìn)行鎖緊，頂蓋梁抓件及焊接機(jī)器人11（圖13）脫離，換焊槍準(zhǔn)備焊接。

b.到此主拼系統(tǒng)將白車身地板總成、側(cè)圍總成、頂蓋橫梁總成等零件合拼完成，焊接機(jī)器人5（圖13）與頂蓋梁抓件及焊接機(jī)器人11（圖13）共同完成白車身的點(diǎn)定焊接工藝。

c.焊接完成后主拼機(jī)構(gòu)反向依次打開，白車身總成由AGV地板臺(tái)車轉(zhuǎn)入下序工位。

3.5 主要特點(diǎn)

新型高柔性主拼系統(tǒng)功能特點(diǎn)如下。

a.地板總成零件使用專屬車型臺(tái)車切換，從而實(shí)現(xiàn)地板總成零件的無限車型柔性化；

b.側(cè)圍抓具與主拼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可完全脫離形式，由機(jī)器人搬運(yùn)側(cè)圍抓具進(jìn)行車型切換，提高工位靈活性；

c.不同車型的工裝夾具不存放在生產(chǎn)線內(nèi)，而由立體庫對夾具進(jìn)行集中存放，使用AGV切換至工位內(nèi)，解決了主拼工藝面積使用問題；

d.智能立體庫、AGV智能物流調(diào)度兩項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在焊裝工藝中，使焊裝生產(chǎn)線更加智能與高效。

4 各種主拼技術(shù)性能對比

每種主拼技術(shù)特點(diǎn)不同，工藝規(guī)劃需要根據(jù)自身需求選擇合適的主拼技術(shù)，本文所述幾種主拼技術(shù)的性能對比如表1所示。

表1 不同主拼技術(shù)性能對比

上表性能對比，由于新型高柔性主拼系統(tǒng)的夾具庫在線體外，AGV轉(zhuǎn)運(yùn)距離較長，所以切換時(shí)間較比其它主拼系統(tǒng)要長，其本質(zhì)是用切換時(shí)間，換取工藝面積的降低，并且實(shí)現(xiàn)無限車型的柔性生產(chǎn)，適用于批量生產(chǎn)，車型多，平臺(tái)多的生產(chǎn)項(xiàng)目，如高端定制車生產(chǎn)線。

5 技術(shù)成果應(yīng)用

本技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)了汽車生產(chǎn)線主拼工位無限車型柔性切換可能性，與先進(jìn)的調(diào)度系統(tǒng)、倉儲(chǔ)系統(tǒng)相結(jié)合，生產(chǎn)過程控制實(shí)現(xiàn)了程序化、數(shù)字化、遠(yuǎn)程遙控化。生產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)車型識別和傳送，打破了車型差異、工藝面積對主拼柔性能力的桎梏，形成具有自主特色的柔性主拼焊臺(tái)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了焊裝柔性切換技術(shù)的自主掌握，該技術(shù)成功應(yīng)用于轎車生產(chǎn)線上（圖16）。

圖16 高柔性主拼技術(shù)在轎車生產(chǎn)線示范應(yīng)用