李磊 畢愿江 馬立新 林增宇 戚才人

摘要：為適應(yīng)汽車快速更新?lián)Q代，提高生產(chǎn)線柔性制造能力，設(shè)計了一種基于4種車型，可擴展?jié)M足多車型線上線下隨機切換焊接夾具的快速柔性切換系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合物流轉(zhuǎn)運和線外夾具庫自動存取技術(shù)，解決了汽車焊裝多車型柔性、快速切換、精準(zhǔn)定位、夾具存儲問題，突破了多種車型隨機切換的技術(shù)難題，提升了焊裝生產(chǎn)線柔性及利用率。

關(guān)鍵詞：汽車焊裝 多種車型 快速切換 柔性能力 夾具存儲

中圖分類號：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220203

Abstract： A fast and flexible switching system based on four models was designed， which could be extended to meet the requirements of random switching welding fixtures online and offline for multiple models， to adapt to the rapid upgrading of automobiles and improve the flexible manufacturing ability of production line. Combined with logistics transfer and automatic access technology of offline jig library， the system solved the problems of flexibility， fast switching， precise positioning， jig storage， made breakthrough in the knotty technical problems of random switching of multiple models， and improved the flexibility and utilization rate of welding production line.

Key words： Automotive welding， Multiple model， Quick switching， Flexibility， Fixture storage

1 前言

隨著社會進(jìn)步和生產(chǎn)力水平逐步提高，全球汽車市場發(fā)生了巨大變化，車企競爭加劇，車型消費呈現(xiàn)多樣化、個性化、差異化、扁平化。傳統(tǒng)汽車批量生產(chǎn)模式無法適應(yīng)當(dāng)下及未來發(fā)展，一種可適應(yīng)市場動態(tài)變化與車型換代頻率增加的生產(chǎn)模式應(yīng)運而生，即高柔性生產(chǎn)模式。

高柔性生產(chǎn)模式區(qū)別于一般柔性生產(chǎn)模式，不僅需要適應(yīng)車型數(shù)量大幅增加，同時能夠做到車型快速導(dǎo)入導(dǎo)出，在車型數(shù)量及新車型導(dǎo)入時間2個維度上都有質(zhì)的提升。符合要求的高柔性生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車制造業(yè)重點研究的課題。

2 傳統(tǒng)柔性技術(shù)

2.1 柔性夾具技術(shù)

柔性夾具技術(shù)是指通過夾具自身柔性部件的使用，使夾具具備一定的柔性能力，在產(chǎn)品尺寸、形狀發(fā)生一定變化時，夾具還能適應(yīng)這種變化并繼續(xù)使用。常見夾具柔性機構(gòu)如下[1]。

a.氣缸切換機構(gòu)。通過氣缸開閉位置，進(jìn)行定位部件切換，滿足不同產(chǎn)品定位位置差異性需求，具備躲避產(chǎn)品及焊接工具操作空間的功能，但受空間布置限制，柔性能力一般為2種車型，如圖1所示。

b.滑臺切換機構(gòu)。通過滑臺，使整個定位部件位置移動，多用在寬窄、長短等系列車型柔性生產(chǎn)中，柔性能力為2～3種車型，如圖2所示。

c.風(fēng)車切換機構(gòu)。多用于地板定位夾具，風(fēng)車沿Y軸90°擋位旋轉(zhuǎn)，切換定位銷部件，實現(xiàn)定位孔徑不同的車型產(chǎn)品混流，為保證風(fēng)車轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，要求定位孔坐標(biāo)接近，柔性能力為4種車型，如圖3所示[2]。

d.NC切換機構(gòu)。可以實現(xiàn)X、Y、Z方向在一定范圍內(nèi)位置移動，但要求不同車型的定位孔徑必須一致，如圖4所示。

2.2 夾具切換柔性技術(shù)

夾具切換柔性技術(shù)是指通過外部設(shè)備，對夾具進(jìn)行整體切換，提高生產(chǎn)線生產(chǎn)車型數(shù)量，由于受工藝面積、節(jié)拍因素影響，傳統(tǒng)切換模式的柔性能力一般在6種車型以內(nèi)。

汽車焊裝生產(chǎn)線發(fā)展過程中，創(chuàng)造了許多種切換夾具的機構(gòu)和設(shè)備，原理均為在線體內(nèi)存放夾具，需要時通過機構(gòu)快速對夾具切換，讓正確的夾具移動到工作位置，以下列舉3種常見且有代表性機構(gòu)或設(shè)備。

a.轉(zhuǎn)臺（圖5）、轉(zhuǎn)轂（圖6）設(shè)備。通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)夾具快速導(dǎo)入、導(dǎo)出，可以實現(xiàn)2～4種車型柔性。優(yōu)點為切換速度快、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、占用空間小，缺點為無法進(jìn)行車型拓展。

b.線內(nèi)夾具庫自動切換機構(gòu)。該機構(gòu)本質(zhì)為在線體內(nèi)建立夾具存儲庫，需要時從庫內(nèi)調(diào)出夾具到工作位固定，可適用于大型夾具，典型機構(gòu)為主拼OPENGATE及其各種衍生機構(gòu)。該類型機構(gòu)優(yōu)點為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、定位精度高，缺點為占地面積大、切換時間長、受工藝面積約束，常見柔性為6種車型，如圖7所示。

c.機器人搬運切換?？蚣軍A具擺放在線體機器人工作范圍內(nèi)，依靠機器人的靈活性進(jìn)行抓取切換，典型結(jié)構(gòu)為主拼龍門框架飛行夾具，如圖8所示。

以上柔性方式均受外部因素影響，導(dǎo)致汽車焊裝生產(chǎn)線柔性能力有限，一般在6種車型以內(nèi)，這也是導(dǎo)致焊裝生產(chǎn)線線體柔性無法拓展的主要原因。

3 高柔性4+N車型自適應(yīng)切換系統(tǒng)

3.1 開發(fā)目的及路線

為解決焊裝線體柔性能力不足問題，實現(xiàn)生產(chǎn)線柔性能力質(zhì)的突破，從而適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)向車型多樣化、個性化、差異化、扁平化發(fā)展，需要開發(fā)一種切換快速、定位精準(zhǔn)、車型柔性數(shù)量更多、車型導(dǎo)入時間短的焊裝車型柔性系統(tǒng)。

高柔性4+N車型自適應(yīng)切換系統(tǒng)是在這種背景下進(jìn)行開發(fā)，即基于夾具切換柔性技術(shù)，使用4面轉(zhuǎn)臺和4庫位滑臺為基礎(chǔ)，沿用其定位準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、切換快的優(yōu)勢，實現(xiàn)生產(chǎn)線內(nèi)車型切換快速準(zhǔn)確。同時放棄了傳統(tǒng)夾具切換形式依賴生產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行全部夾具存儲的思路，改為線內(nèi)存儲4個車型，4個以上的車型夾具存儲在線外夾具庫中，在生產(chǎn)間隙，使用AGV或人工進(jìn)行轉(zhuǎn)運，依據(jù)生產(chǎn)計劃自適應(yīng)切換夾具。理論上線外夾具庫容量足夠大，在不占用線體工藝面積情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)N種（無限）車型切換，基于該原理開發(fā)了高柔性4+N車型自適應(yīng)切換系統(tǒng)。

3.2 轉(zhuǎn)臺4+N柔性切換系統(tǒng)

轉(zhuǎn)臺4+N柔性切換系統(tǒng)以轉(zhuǎn)臺為主體，創(chuàng)新設(shè)計切換機構(gòu)，進(jìn)行不同車型夾具切換。主要適用于門蓋或尺寸相近產(chǎn)品焊接夾具的柔性切換。該柔性切換系統(tǒng)線內(nèi)產(chǎn)品切換時間為6～8 s，線外切換可通過物流提前調(diào)度，轉(zhuǎn)臺切換機構(gòu)切換夾具時間為36～40 s，應(yīng)用布局如圖9所示。

3.2.1 轉(zhuǎn)臺4+N柔性切換系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及作用

轉(zhuǎn)臺4+N柔性切換系統(tǒng)主要核心機構(gòu)有四面轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)臺框架、夾具托架、切換小車，如圖10所示。

該系統(tǒng)對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)臺框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在轉(zhuǎn)臺框架與車型夾具之間增加了夾具托架，通過夾具托架與轉(zhuǎn)臺框架銜接、脫離進(jìn)行夾具切換。通過夾具鎖緊機構(gòu)中的伸縮氣缸和定位銷與車型夾具的定位孔配合，實現(xiàn)車型夾具的精準(zhǔn)定位。轉(zhuǎn)臺框架結(jié)構(gòu)如圖11所示。

該系統(tǒng)設(shè)計了能與轉(zhuǎn)臺框架進(jìn)行對接的切換小車，使其能夠順利接收夾具托架，并在生產(chǎn)線與夾具存儲庫之間轉(zhuǎn)運，進(jìn)行自適應(yīng)切換夾具，如圖12所示。

切換小車通過楔形對接塊實現(xiàn)切換小車與轉(zhuǎn)臺準(zhǔn)確對接，關(guān)閉手動鎖緊機構(gòu)，保證對接時切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用手動夾緊機構(gòu)對夾具托架進(jìn)行固定，保持夾具轉(zhuǎn)運過程穩(wěn)定。

3.2.2 轉(zhuǎn)臺4+N柔性切換系統(tǒng)工作流程

4+N柔性切換系統(tǒng)可實現(xiàn)線內(nèi)切換車型與線外切換車型：線內(nèi)切換速度快，適應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)，線外切換時間相對較長，需要在生產(chǎn)間隙進(jìn)行。增加線體柔性能力，實現(xiàn)車型快速導(dǎo)入導(dǎo)出，同時保證定位精準(zhǔn)，滿足焊裝夾具精度要求，根本性解決夾具存儲問題，在產(chǎn)能匹配時，可以隨機進(jìn)行多種車型柔性生產(chǎn)。

線體內(nèi)，夾具通過四面轉(zhuǎn)臺帶動轉(zhuǎn)臺框架及焊裝夾具進(jìn)行90°擋位切換，從而將工裝快速切換到工作位，滿足車型匹配功能。

線體外，需要進(jìn)行夾具導(dǎo)入導(dǎo)出時，先將夾具框架上的氣電快插設(shè)備斷開，鎖緊裝置打開，通過切換小車將夾具托架帶著焊裝夾具快速從轉(zhuǎn)臺框架上切出，人工轉(zhuǎn)運到夾具庫內(nèi)存儲，同時將夾具庫內(nèi)的夾具導(dǎo)到該切換小車上，再轉(zhuǎn)運回線體內(nèi)，夾具托架帶著焊裝夾具用同樣方式反向切回到轉(zhuǎn)臺框架上，進(jìn)行鎖緊，最后將氣電快插設(shè)備接通。

3.3 滑臺4+N柔性切換系統(tǒng)

滑臺4+N柔性切換系統(tǒng)以滑臺為主體，創(chuàng)新設(shè)計切換機構(gòu)，進(jìn)行不同車型夾具的切換。主要適用于門蓋滾邊和大尺寸夾具的柔性切換。該柔性切換系統(tǒng)線內(nèi)產(chǎn)品切換時間為25～30 s，線外切換可通過物流提前調(diào)度，轉(zhuǎn)臺切換機構(gòu)切換夾具時間為30～35 s，應(yīng)用布局如圖13所示。

3.3.1 主要結(jié)構(gòu)及作用

滑臺4+N柔性切換系統(tǒng)主要包括夾具轉(zhuǎn)接機構(gòu)、滑臺驅(qū)動傳動機構(gòu)、快速切換機構(gòu)、氣電快插機構(gòu)，如圖14所示。

該系統(tǒng)對傳統(tǒng)十字滑臺結(jié)構(gòu)中夾具轉(zhuǎn)運托盤進(jìn)行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，設(shè)計了雙層滑臺軌道，可實現(xiàn)夾具X、Y雙向進(jìn)行滑動，同時夾具可脫離滑臺到快速切換機構(gòu)上進(jìn)行轉(zhuǎn)運。在工作位置，使用鎖死氣缸、限位塊以及圓柱定位銷對夾具進(jìn)行精定位。夾具轉(zhuǎn)接機構(gòu)如圖15所示，快速切換機構(gòu)如圖16所示。

夾具轉(zhuǎn)接機構(gòu)設(shè)計上、下2套滾輪組，下滾輪組與滑臺驅(qū)動傳動機構(gòu)配合，在驅(qū)動單元驅(qū)動下，可以將夾具沿X向轉(zhuǎn)運到工作位。上滾輪組與夾具配合，在庫位驅(qū)動單元驅(qū)動下，將夾具進(jìn)入庫位，進(jìn)而進(jìn)入到快速切換機構(gòu)上。

由于滑臺柔性設(shè)備可以進(jìn)行大型重載夾具切換，所以該場景設(shè)計取消了人工轉(zhuǎn)運形式，使用電動叉車或AGV自動設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)運，當(dāng)夾具進(jìn)入快速切換機構(gòu)，自動轉(zhuǎn)運設(shè)備將快速切換機構(gòu)及上面的夾具一同轉(zhuǎn)運到線外夾具庫進(jìn)行儲存。

3.3.2 工作流程

滑臺4+N柔性切換系統(tǒng)實現(xiàn)功能與轉(zhuǎn)臺4+N柔性切換系統(tǒng)一致，工作流程相近。

線體內(nèi)，夾具通過夾具轉(zhuǎn)接機構(gòu)將夾具從庫位轉(zhuǎn)運至工作位，氣電快插設(shè)備接入后即可開始工作。

線體外，需要進(jìn)行夾具導(dǎo)入導(dǎo)出時，先將夾具通過滑臺驅(qū)動傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)運至快速切換機構(gòu)，使用定位鎖緊機構(gòu)將夾具固定。通過PLC控制電動叉車或者AGV將快速切換機構(gòu)整體轉(zhuǎn)運至夾具庫內(nèi)存儲，同時將夾具庫內(nèi)的夾具導(dǎo)入到該快速切換機構(gòu)上，再轉(zhuǎn)運回線體內(nèi)，反向?qū)A具用同樣方式切回到滑庫位中。

3.4 夾具存儲庫

夾具存儲庫用于車型夾具出入庫、緩存，并獲取和管理夾具信息。存儲庫由多層貨架、堆垛機、出入庫夾具定位裝置組成，如圖17所示。

夾具出入庫流程如下。

a.夾具入庫前，經(jīng)過人工檢驗工位，操作人員通過掃碼槍掃碼，顯示屏顯示夾具對應(yīng)屬性信息。

b.人工確認(rèn)后將對應(yīng)夾具放入出入庫夾具定位裝置，完成工作后按下確認(rèn)完成按鈕。隨后將轉(zhuǎn)運小車移動至出料口處。

c.夾具庫得到出庫請求，堆垛機先進(jìn)入庫內(nèi)，將對應(yīng)夾具取出，放置出庫口，然后將入庫夾具送至空出位置，同時倉儲系統(tǒng)記錄物料信息。

d.夾具存儲庫倉儲管理系統(tǒng)具備智能選擇同類庫位功能，能夠以優(yōu)路徑完成夾具切換。

4 柔性技術(shù)性能對比

本文所述3種柔性技術(shù)的性能對比如表1所示。

上表性能對比，4+N柔性系統(tǒng)可極大拓展車型柔性數(shù)量。由于需要建立夾具庫，增加物流轉(zhuǎn)運工作，建設(shè)一次投入成本增高，但夾具庫建設(shè)完成后，后續(xù)車型導(dǎo)入成本會大幅度降低。同時該系統(tǒng)可以縮短車型導(dǎo)入周期，也可以適時對線體進(jìn)行分段調(diào)試，最大限度降低了新車型融入對原有車型生產(chǎn)的影響，所以4+N車型自適應(yīng)切換系統(tǒng)各項性能優(yōu)勢突出，適應(yīng)當(dāng)前汽車行業(yè)發(fā)展趨勢。

本技術(shù)成果實現(xiàn)了汽車焊裝生產(chǎn)線無限車型柔性切換可能性，同時保留了快速切換、精準(zhǔn)定位的優(yōu)勢，與先進(jìn)的倉儲系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)夾具集中存儲及調(diào)度。模具公司獨自研發(fā)的4+N柔性切換系統(tǒng)，形成具有自主特色的柔性結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了焊裝柔性切換技術(shù)的自主掌握，突破多種車型隨機切換的技術(shù)難題，該技術(shù)成功應(yīng)用于繁榮新能源項目焊裝生產(chǎn)線，如圖18、圖19所示。

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