牛正風(fēng)，洪愷，籍勝華，王燦紅，張穎迪

（安徽華菱汽車有限公司，安徽馬鞍山234061）

淺談卡車柔性自動化焊裝生產(chǎn)線設(shè)計開發(fā)

牛正風(fēng)，洪愷，籍勝華，王燦紅，張穎迪

（安徽華菱汽車有限公司，安徽馬鞍山234061）

結(jié)合卡車駕駛室的特有結(jié)構(gòu)形式及生產(chǎn)線的柔性自動化要求，設(shè)計開發(fā)了卡車駕駛室焊接生產(chǎn)線總拼結(jié)構(gòu)、機器人抓上件系統(tǒng)、柔性切換定位系統(tǒng)等獨特的關(guān)鍵技術(shù)，為柔性自動化卡車焊接生產(chǎn)線的設(shè)計開發(fā)提供了成熟的借鑒依據(jù)。

柔性焊裝線；機器人；夾具；自動化

汽車產(chǎn)業(yè)作為對社會經(jīng)濟有著引導(dǎo)和推動作用的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車裝備制造業(yè)作為汽車生產(chǎn)的載體，對整個汽車行業(yè)的發(fā)展有著重要支撐和推動作用。隨著客戶需求及市場劃分的不斷細化，需要開發(fā)不同承載噸位及尺寸大小的車身結(jié)構(gòu)。對于卡車而言，一個系列的駕駛室在寬度方向上分為寬體與窄體，長度方向上分長、中、短三種長度，高度方向一般也分為高頂、中頂、平頂三種狀態(tài)。如何使開發(fā)的焊接生產(chǎn)線滿足不同產(chǎn)品的共線生產(chǎn)需求［1］，減少投資是焊裝生產(chǎn)線設(shè)計人員需要仔細考慮的問題。本文針對卡車駕駛室焊裝生產(chǎn)線在柔性總拼方案、柔性定位切換系統(tǒng)、機器人及其抓具系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，以期形成典型的卡車駕駛室焊接生產(chǎn)線的關(guān)鍵成熟技術(shù)。

1　研究產(chǎn)品介紹

研究的產(chǎn)品為系列車型，寬度分為寬、窄體兩種，長度分為長、中、短三種，其中長、中車型有高、平頂之分，組合后共8種基本車型。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)線規(guī)劃需求，產(chǎn)品的工藝分塊為地板總成、前/后圍總成、左/右側(cè)圍骨架總成、頂蓋總成、左/右側(cè)圍外板總成八大塊。

2　生產(chǎn)線設(shè)備介紹簡介

焊裝的工藝裝備主要分為焊接夾具、輸送系統(tǒng)、焊接標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備等。白車身生產(chǎn)工藝以點焊為主，同時結(jié)合產(chǎn)品工藝要求，采用了CO2氣體保護焊、涂膠設(shè)備、螺柱焊機等。針對比較重要的部位采用了中頻伺服焊接技術(shù)。

為了保證焊接品質(zhì)及產(chǎn)品的一致性，生產(chǎn)線廣泛采用工業(yè)機器人，30臺焊接機器人完成主線的焊接和工件的搬運上件工作。對于焊接分總成及白車身總成的品質(zhì)控制分別開發(fā)了檢具及雙懸臂三坐標(biāo)測量系統(tǒng)。圖1為生產(chǎn)線現(xiàn)場。

圖1　主焊接線生產(chǎn)現(xiàn)場

3　關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

由于本條生產(chǎn)線所生產(chǎn)的車型產(chǎn)品較多，自動化要求較高，在生產(chǎn)線的開發(fā)過程，對相關(guān)重點要求裝備進行了專項開發(fā)。

3.1主線總拼工藝的方案開發(fā)

在汽車制造企業(yè)白車身焊接生產(chǎn)線建設(shè)過程中，總拼技術(shù)是生產(chǎn)線的關(guān)鍵所在。在乘用車柔性焊接生產(chǎn)線中，已基本形成了以O(shè)pen-Gate、ROBO GATE、四面體總拼等為代表的主流總拼工藝，很好地滿足了乘用車焊接生產(chǎn)線建設(shè)的需求。但在重卡行業(yè)，由于其車身結(jié)構(gòu)與乘用車的不同，目前重卡焊接的總拼工藝方式各種各樣，生產(chǎn)效率不高，沒有形成一種合理的、通用的、高效的總拼工藝方式。

重卡駕駛室主要由地板總成、前/后圍總成、左/右側(cè)圍總成、頂蓋總成等大總成構(gòu)成，且尺寸都比較大，重量比較大。且前/后圍與左/右側(cè)圍為90垂直面關(guān)系，本條生產(chǎn)線方案設(shè)計為先對前/后圍進行合圍，通過地板輸送線將工件輸送到旋轉(zhuǎn)工位，使車體90°旋轉(zhuǎn)，然后通過主線輸送系統(tǒng)，使工件輸送到下一工位，然后在后續(xù)工位實現(xiàn)側(cè)圍、頂蓋等工序的總拼。同時，通過電控系統(tǒng)實現(xiàn)地板線輸送與主線輸送的不干涉。圖2為生產(chǎn)線總體方案示意圖。

圖2　生產(chǎn)線總體方案示意圖

3.2地板共線系統(tǒng)開發(fā)

對生產(chǎn)線影響最大的是寬度與長度方向變化的地板定位系統(tǒng)共線問題。針對長短車型的定位孔設(shè)計，選取了X向絕對坐標(biāo)相同，所有車型共用。寬度方向Y向由于地板縱梁的位置不同，不能設(shè)計絕對位置統(tǒng)一的定位系統(tǒng)。結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實際，對縱梁前部的定位銷設(shè)計了固定不動的定位銷，寬車用外側(cè)兩個定位銷；窄車用內(nèi)側(cè)兩個定位銷；寬、窄車的梁都不會與夾具定位銷干涉。后部的定位銷采用了滑移式設(shè)計，寬車生產(chǎn)時，定位銷滑移到外側(cè)狀態(tài)，窄車生產(chǎn)時，滑移到內(nèi)側(cè)狀態(tài)，避免了定位銷與后橫梁工件的干涉。

3.3多種長度切換系統(tǒng)開發(fā)

由于前/后圍、側(cè)圍骨架、側(cè)圍外板的切換方式大同小異，下文僅以前/后圍得合圍工藝進行介紹。前圍僅在寬度方向即Y向上有變化以實現(xiàn)寬窄車的不同需求，在X向沒有變化。Y向只有寬窄兩個位置狀態(tài)，在Y向相差75 mm，只需要通過滑臺實現(xiàn)Y切換就可實現(xiàn)。后圍在寬度Y方向上有變化以實現(xiàn)寬車與窄車的不同位置需求。在X向要實現(xiàn)長、中、短三種車型，同時長車時，為了保證進氣道的安裝空間，右側(cè)后圍分平造型與內(nèi)凹造型之分，這樣在X向就存在四種狀態(tài)。Y向的切換通過氣缸的兩個位置狀態(tài)即可實現(xiàn)；X向四種狀態(tài)除了采用氣缸滑移與一組固定限位擋塊外，另外增加了三個位置的翻轉(zhuǎn)限位擋塊機構(gòu)，四組限位擋塊位置分別對應(yīng)四種長度的車型狀態(tài)。

3.4機器人抓具系統(tǒng)開發(fā)

機器人抓具一般通過快換機構(gòu)與機器人本體相連。機器人抓具一般配有定位銷與夾緊單元，保證抓取工件及運動過程中的穩(wěn)定。同時，對于頂蓋、側(cè)圍等一些大曲面外覆蓋件，由于其剛性較弱、易變形等特點，抓具本體除了配備有定位銷與夾緊單元外，還應(yīng)該增加吸盤。一般的抓件動作過程為工件放置在上件置臺上，機器人帶著抓具從上工件上表面抓取完成后，移動到放件位置，垂直放件。但在使用過程中會出現(xiàn)一些特殊情況，比如需要從工件的反面抓取工件，比如抓具不能直上直下運動等問題。針對這些問題設(shè)計了一些特殊的機構(gòu)。

3.4.1反面抓件機構(gòu)的設(shè)計

側(cè)圍外板生產(chǎn)線設(shè)計時，焊接狀態(tài)為側(cè)圍外板面朝下。而機器人抓具抓取時，需要抓取側(cè)圍外板的外表面，機器人帶著抓具從側(cè)圍外表面抓件時會與焊接夾具干涉，無法抓取工件。針對這個需求，設(shè)計了龍門機構(gòu)。側(cè)圍外板焊接完成，通過摩擦線輸送到位后，龍門架上的抓取機構(gòu)把外板抓取上升到位，機器人帶著抓具從側(cè)圍外表面下面進入抓取工件。頂蓋設(shè)計時，焊接完畢，機器人帶著抓具需要從工件下表面抓取工件，這樣就遇到了同樣的問題，機器人無法進入工位夾具下取件。同時由于此處的空間位置較小，不能設(shè)計龍門架上件置臺結(jié)構(gòu)。最終設(shè)計一角下懸空式的上件置臺結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時將置臺的一個支撐腿取消，設(shè)計了三腿的頂蓋上件置臺。這樣，滿足了機器人從底部抓件的要求，整體結(jié)構(gòu)也比較穩(wěn)定。

3.4.2抓具的旋轉(zhuǎn)定位機構(gòu)

一般的抓放件過程為機器人帶著抓具從上工件上表面抓取完成后，移動到放件位置，抓具帶著工件垂直上下運動，定位銷與定位孔配合后，固定夾具的壓緊機構(gòu)對抓具進行壓緊，保證工件位置的一致性。但有些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定了抓具不能垂直上下運動，需要繞著一定的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)一定角度后才能對其壓緊。如卡車頂蓋合圍上件時，如果機器人帶著抓具及工件垂直上件時，頂蓋下沿的前風(fēng)擋玻璃處下翻遍的內(nèi)凹造型將與前圍的外凸造型產(chǎn)生干涉。為了避免兩者的干涉，需要機器人抓具繞著前圍框旋轉(zhuǎn)一定角度后到達最終位置，然后進行定位夾緊。為了頂蓋的機器人上件問題，設(shè)計了一種機器人上件抓具定位裝置，利用兩組相互垂直的V型槽結(jié)構(gòu)，解決了抓具旋轉(zhuǎn)后的垂直定位問題，通過以上結(jié)構(gòu)設(shè)置，能夠使工裝胎具在定位閉合過程經(jīng)過翻轉(zhuǎn)、平移和下落的綜合軌跡連貫完成，從而提高了操作便捷性、生產(chǎn)效率和空間利用率。

3.5機器人系統(tǒng)在卡車的批量使用

白車身柔性焊裝生產(chǎn)線特別是智能化柔性焊裝生產(chǎn)線在國外乘用車生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)逐漸普及，國內(nèi)乘用車也陸續(xù)普及機器人自動化焊接生產(chǎn)線。但在國內(nèi)重卡行業(yè)，整線全自動生產(chǎn)線還不多。本條生產(chǎn)線采用了30臺機器人完成車身的焊接與工件搬運上件工作，主線完全實現(xiàn)無人化自動化生產(chǎn)，自動化率100%.為機器人在卡車焊接生產(chǎn)線中的批量應(yīng)用提供了經(jīng)驗。

3.6中頻伺服焊鉗批量使用

卡車焊接多采用氣動工頻焊鉗為主，中頻伺服焊鉗在焊接生產(chǎn)線中的批量采用不多。但中頻伺服焊鉗與普通的氣功工頻焊鉗相比，其節(jié)能環(huán)保、焊接效率、對工件較小沖擊性、焊接質(zhì)量等方面具有絕對的優(yōu)勢。當(dāng)然，伺服焊鉗的成本及對沖壓板件、夾具等方面的要求也大大提高，這也是導(dǎo)致卡車生產(chǎn)線沒有批量采用中頻伺服焊鉗的一個原因。經(jīng)過近2年的使用，相關(guān)現(xiàn)場條件滿足了中頻伺服焊鉗批量使用條件要求，整體焊接質(zhì)量比普通的氣動工頻焊鉗有很大的提高。

3.7兩面體旋轉(zhuǎn)上件置臺

生產(chǎn)線工藝規(guī)劃時，由于工件區(qū)域限制，前/后圍總成、左/右側(cè)圍骨架等總成不能布置在主線兩側(cè)焊接，需要在離主線較遠的區(qū)域焊接后，采用物流叉車搬運到主線兩側(cè)相應(yīng)的上件工位。為了不影響生產(chǎn)線節(jié)拍，同時考慮人工上件安全問題，設(shè)計了一款兩面體旋轉(zhuǎn)上件置臺［2］?？拷骶€內(nèi)一側(cè)機器人抓件時，靠外側(cè)的一面可以繼續(xù)上件。

3.8地板的補焊

卡車一般工作環(huán)境都比較差，為了保證車身的強度質(zhì)量，一般需要對地板梁等關(guān)鍵厚板件進行CO2氣體保護焊。由于焊接位置一般在地板下表面，人工操作空間較小，不易操作，影響了焊接質(zhì)量和工作效率。結(jié)合本條生產(chǎn)線及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種90°翻轉(zhuǎn)補焊結(jié)構(gòu)，焊接時夾具可以90°翻轉(zhuǎn)，使焊縫處于人工便于操作的位置，提高了操作性、安全性和生產(chǎn)效率。

3.9分裝摩擦線的廣泛使用

前圍總成、后圍總成、側(cè)圍外板總成等工件一般要幾個工位才能焊接完成，且這些工件都是尺寸大、重量重、易變形的。為了減輕工人勞動強度、提高工作效率、減少工件變形，對以上的幾個大總成的工位間輸送開發(fā)了摩擦線輸送系統(tǒng)。焊接完工后，自動輸送。

4　結(jié)束語

智能化白車身柔性焊裝生產(chǎn)線的最大特點是廣泛采用自動化設(shè)備，實現(xiàn)多種白車身混線生產(chǎn)，同時伴隨著以焊接夾具、自動輸送系統(tǒng)、焊接及搬運機器人及PLC電控系統(tǒng)等集成應(yīng)用為基礎(chǔ)的全自動生產(chǎn)線的應(yīng)用，又極大地提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)，提高單位勞動力創(chuàng)造的價值。本文記錄了一款高端重卡的工藝裝備開發(fā)過程，并結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)線的柔性自動化要求，對相關(guān)專用關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)進行了詳細描述。

［1］傅莉.柔性化在汽車焊裝生產(chǎn)線的應(yīng)用［J］.科技廣場，2013，（10）：94-97.

［2］齊慶祝，胡連碧.總拼技術(shù)在柔性焊裝線中的應(yīng)用［J］.汽車制造業(yè)，2011，（12）：74-76.

Discussion on the Design and Development of the Truck Flexible Automatic Welding Production Line

NIU Zheng-feng，HONG Kai，JI Sheng-hua，WANG Can-hong，ZHANG Yin-gdi
（Anhui Hualing Automobile Co.Ltd.，Maanshan City，Ma'anshan Anhui 243061，China）

Combined with the requirement of the cab of a truck special structure form and production line of flexible automation，design and development of the truck cab welding production line assembly structure，robot grasping system，soft positioning system，and so on the unique key technology.It provides a mature reference for the design and development of the flexible automated truck welding production line

flexible welding line；robot；fixture；automation

U468

A

1672-545X（2016）08-0049-03

2016-05-24

牛正風(fēng)（1981-），男，安徽宿州人，碩士，工程師，主要從事車身設(shè)計與焊裝工藝規(guī)劃管理；洪愷（1983-），男，安徽黃山人，碩士，工程師，主要從事底盤設(shè)計與四大工藝規(guī)劃管理。