楊志源，代 巍，劉國斌，程芝群

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

多自由度定位裝置及系統(tǒng)

楊志源，代 巍，劉國斌，程芝群

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

針對現(xiàn)有車身主定位工裝缺乏柔性的特點，通過自動化控制，絲杠和滑軌組合，設(shè)計了多軸自由精確滑動的定位裝置，較大提高工裝的柔性，實現(xiàn)車型快速切換和新車型快速導(dǎo)入。介紹了多自由度定位裝置的設(shè)計原理、設(shè)計過程、結(jié)構(gòu)特點和實際應(yīng)用效果。

車身；工裝；柔性；主定位；補焊線

我國汽車行業(yè)快速發(fā)展，行業(yè)競爭漸趨白熱化，從轎車到SUV，小型車到中型車，市場不斷細分，各種平臺不斷豐富，新車型更是層出不窮。車型多意味著需要建設(shè)較多的生產(chǎn)線，傳統(tǒng)專線生產(chǎn)要求每個車型有一條生產(chǎn)線，有一定柔性的生產(chǎn)線也只能做到有限柔性，即傳統(tǒng)的生產(chǎn)專線存在資源浪費和產(chǎn)能布置不靈活的缺點，低銷車型產(chǎn)能浪費而熱銷車型的產(chǎn)能不足。是否能夠具有柔性，很大程度上依賴于生產(chǎn)線的工藝裝備、夾具的柔性。本文為實現(xiàn)白車身公共補焊線定位工裝的柔性，針對現(xiàn)有車身主定位工裝缺乏柔性的特點，通過自動化控制，絲杠和滑軌組合，設(shè)計了多軸自由精確滑動的定位裝置。

1 目前車身定位工裝存在的問題

傳統(tǒng)的生產(chǎn)專線的車身定位工裝只能定位一個車型，一條線只能生產(chǎn)一個車型，這是經(jīng)濟型最差的一種。目前稍微改進一些的則是公共補焊線，但本質(zhì)上跟普通專線是一樣的原理。

目前公共補焊線多車型切換定位夾具，每個車型都需要設(shè)計一套定位單元。有新車型導(dǎo)入時，在原有拼臺基礎(chǔ)上再增加一套新的定位單元。此結(jié)構(gòu)和工藝布局存在以下問題：①工裝加工及采購成本增加，整個拼臺定位工裝密集、繁瑣；②對各車型產(chǎn)品型面及定位孔要求比較高，要求各車型定位孔間距必須足夠放置一套夾具；③柔性車型數(shù)量受到限制，現(xiàn)有生產(chǎn)線實際情況最多只能生產(chǎn)4種車型，夾具就已經(jīng)沒有空間布置；④此結(jié)構(gòu)定位銷固定，需要靠輸送滑撬升降實現(xiàn)零件定位，增加了滑撬設(shè)計難度和加工成本。

目前的多車型切換夾具定位單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，4個車型主定位勾銷和定位單元集成在一個支座上，根據(jù)不同車型定位孔的輸入設(shè)計。

圖1 現(xiàn)有多車型柔性定位裝置

公共補焊線柔性拼臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，前、中、后部各4套定位單元，通過前中后的組合實現(xiàn)4個車型的柔性共線。

圖2 公共補焊線柔性拼臺結(jié)構(gòu)

2 新型大柔性工裝的設(shè)計

針對當前多車型柔性工裝繁瑣，成本較高，且后續(xù)車型導(dǎo)入時間較長等問題，通過研究，開發(fā)了多自由度柔性定位裝置及系統(tǒng)[1]，來解決目前公共補焊線柔性夾具存在的問題。

多自由度柔性定位裝置實物圖見圖3，結(jié)構(gòu)原理見圖4.

圖3 多自由度柔性定位裝置實物圖

圖4 多自由度柔性定位裝置結(jié)構(gòu)原理圖

車身柔性定位裝置結(jié)構(gòu)圖如附圖5所示，主要由X、Y、Z三個方向伺服電機、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、導(dǎo)向桿、汽缸和定位銷組成。

圖5 后前部柔性定位裝置結(jié)構(gòu)圖

為了保證X、Y、Z軸三軸均可自由調(diào)整，且滿足主定位精度（±0.15 mm）要求，結(jié)構(gòu)采用伺服電機帶動滾珠絲杠的方式來實現(xiàn)自動切換。通過對公司現(xiàn)有車型及將來車型的研究，要滿足所有車型的切換，機構(gòu)只要滿足如下調(diào)整量即能達到全柔性切換，各車型定位孔坐標如表1所示。前定位：X∈（0，200），Y∈（0，110），Z∈（0，80）后定位：X∈（0，500），Y∈（0，110），Z∈（0，140）.

表1 各車型定位孔坐標

多自由度柔性拼臺工裝見圖6.

圖6 多自由度柔性拼臺工裝

柔性拼臺以GP50車身坐標作為基準，加入各個車型，考慮焊接和輸送的可行性等條件調(diào)整其它車型的位置，達到車型共線。由前、中、后部定位三類6套左右對稱工裝組成[2]。

前部主定位：設(shè)計移動量：X：200，Y：120，Z：100.現(xiàn)有車型移動量：X：193，Y：102，Z：77.7.有覫′16與覫′20兩種定位銷選擇，X、Y、Z靠伺服電ф機驅(qū)動，外部增加直線位移傳感器進行反饋，保證機構(gòu)到達理論位置[3]。

中部定位：中部支撐靠托住車身側(cè)圍翻邊支撐，只有Z方向的運動，設(shè)計運動高度：100.

后部主定位：設(shè)計移動量：X：460，Y：50，Z：145.現(xiàn)有車型移動量：X：449，Y：43，Z：129.7.有覫′16覫′20定位銷，X、Y、Z靠伺服電機驅(qū)動，外部增加直線位移傳感器進行反饋，保證機構(gòu)到達理論位置。

多自由度柔性工裝開發(fā)，主要應(yīng)用于公共補焊線，可實現(xiàn)任意車型的柔性共線生產(chǎn)。系統(tǒng)以軸為單元，采用模塊化、系統(tǒng)化、集成設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，具有人機交互界面的標準控制程序，可實現(xiàn)14軸同時控制，且Z方向6軸同步升降定位，保證車型間夾具切換的一致性[4]。

在車型切換方面，可以將定位裝置切換時間控制在2.5 s以內(nèi)，大大提高了車型切換的時間。

3 新型大柔性車身定位工裝的應(yīng)用

目前已完成了一個大柔性工裝的試制，并進行機械、控制集成等調(diào)試工作，實現(xiàn)小批量驗證。效果符合設(shè)計預(yù)期。

（1）機械部分：滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌組合設(shè)計，保證了各定位單元在X、Y、Z三個方向穩(wěn)定、順暢的移動，可以有效實現(xiàn)多車型順利快速切換，節(jié)約了新線定位工裝設(shè)計、加工成本。拼臺負載達到280 kg，超過了進口的FRES、FANUC、ABB等品牌。實測定位精度在±0.1 mm以內(nèi)，完全滿足設(shè)計需求，達到市場競品的精度等級。單套多自由度定位裝置僅重140 kg.

（2）控制部分：形成一套具有人機交互界面的可修改的標準控制程序（如圖7），只要輸入車身定位信息，即可完成新車型的導(dǎo)入。14個伺服電機驅(qū)動14根軸同時動作，實現(xiàn)6軸同步升降，快速完成車型定位切換。

圖7 操作箱和觸摸屏

4 技術(shù)創(chuàng)新點

本裝置具有以下創(chuàng)新點：

（1）可實現(xiàn)多車型的柔性切換，解決現(xiàn)有公共補焊線只能滿足4種車型共線生產(chǎn)的困狀。

（2）在Z方向可以滿足6軸同步升降定位，保證了夾具定位的一致性。

（3）14軸同時控制，可以準確、快速地實現(xiàn)任意車型定位裝置的切換，切換速度在2.5 s以內(nèi)，車型切換幾近無縫切換，節(jié)約了生產(chǎn)線車型切換的等待時間。

（4）滾珠絲杠副可進行預(yù)緊并消除間隙，軸向剛度高，反向時無空行程（死區(qū)），定位精度高，可實現(xiàn)X、Y、Z三方向任意精確位置定位。定位銷位置精度可以控制在±0.1 mm.

（5）采用直線導(dǎo)軌和直線軸承結(jié)合的導(dǎo)向方式，保證各方向運動的穩(wěn)定性。

（6）該結(jié)構(gòu)不僅能用在夾具定位，還可以擴展成3軸、4軸、5軸的自動焊機。

（7）磨損小，壽命長，維護簡單。

5 結(jié)束語

本文重點介紹了多自由度定位系統(tǒng)的設(shè)計原理、設(shè)計過程、結(jié)構(gòu)特點，該定位系統(tǒng)的核心內(nèi)容是多個運動軸的組合，滿足一定的運動范圍，還要同步運行和精確到位，最后是實現(xiàn)人機交互的自動化控制。實物的運行達到了預(yù)期的精度要求。

根據(jù)該多自由度定位系統(tǒng)的參數(shù)特點和廠內(nèi)車型規(guī)劃，該系統(tǒng)完全可以兼容廠內(nèi)未來車型，包括中大型的MPV和SUV，對于后期生產(chǎn)線的車身主定位夾具設(shè)計，可以使用模塊化的多自由度定位裝置進行組合設(shè)計，快速實現(xiàn)工裝的高柔性，也可根據(jù)實際需要，加大機構(gòu)強度，增加電機功率，從而提高拼臺的負載，進一步擴大多自由度定位裝置的適用范圍。

[1]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]鄧仕珍，范淼海.汽車車身制造工藝學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1997.

[3]楊握銓.汽車焊接技術(shù)及夾具設(shè)計[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[4]機械工程師手冊編委會.機械工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

Multi-degree Freedom Locating System

YANG Zhi-yuan，DAIWei，LIU Guo-bin，CHENG Zhi-qun
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

The paper deigns a multispindle locating system with accurate sliding freely by automatic control and combining screw rod and sliding together since body master location lacks of flexibility now.The system can improve tooling flexibility and fulfill quick switch of vehiclemodels and quick leading-in of new models.It also introduces the design theory，process，structural features and application effect.

body closure；tooling；flexibility；master location；respot line

U466

A

1672-545X（2017）04-0212-03

2017-01-01

楊志源（1986-），男，廣西柳州人，本科，工程師，主要從事汽車制造的研究。