雷彪，周林，張濤，張玉成，聶國成

（東風(fēng)小康汽車有限公司 汽車技術(shù)中心，重慶 400033）

引言

隨著工業(yè)革命4.0 的浪潮席卷，智能制造已成為工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)方向自動化程度的顯著提高。在汽車制造中，沖壓車間和焊裝車間漸趨無人化生產(chǎn)，隨著自動化程度提升，對工裝盛具要求也更高，其中，適宜于車身零件自動化生產(chǎn)的精度盛具應(yīng)運(yùn)而生。

1 精度盛具的應(yīng)用

精度盛具應(yīng)用于沖壓自動化生產(chǎn)線或焊裝自動化生產(chǎn)線上，包含沖壓專用精度盛具、焊裝專用精度盛具以及沖焊共用精度盛具。其中，沖焊共用精度盛具須同時滿足沖壓自動線和焊裝自動線的使用要求。

沖壓線尾裝有端拾器的機(jī)器人根據(jù)視覺系統(tǒng)傳輸過來的信號判斷板料位置，進(jìn)行成型件的抓取，并將成型件自動放入準(zhǔn)備就緒的精度盛具中。倉庫中滿載的盛具由AGV 小車運(yùn)至焊裝車間相應(yīng)工位，進(jìn)行后續(xù)工作。裝有抓手的機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)判斷盛具中零件的姿態(tài)和位置，調(diào)整機(jī)器人進(jìn)行零件的抓取，并將抓取的零件傳遞至焊接的下一工序。

2 方案設(shè)計(jì)

精度盛具需要同時滿足沖壓放件和焊裝取件的要求，盛具方案的設(shè)計(jì)就必須以沖壓庫位及機(jī)器人放件和焊裝庫位及機(jī)器人取件的定位要求作為輸入來進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，由于限制條件較多，需要盛具的結(jié)構(gòu)越簡單越好，以保證設(shè)計(jì)出來的盛具能滿足沖壓和焊裝使用要求。

現(xiàn)以側(cè)圍外板盛具為例，簡要介紹下精度盛具方案的設(shè)計(jì)思路。

圖1 側(cè)圍精度盛具

圖2 側(cè)圍普通盛具

2.1 零件的盛放方式的確定

側(cè)圍外板零件特點(diǎn)：尺寸大，零件偏軟，易劃傷，易變形，外觀質(zhì)量要求極高，零件型面變化位置多、翻邊位置多且角度不一，零件難以疊放。并且零件在盛具中的盛放方式必須考慮零件在生產(chǎn)過程中的流通方向，避免零件翻轉(zhuǎn)等復(fù)雜動作影響操作效率。

綜合上述因素，零件采用掛放的方式。同時由于零件偏軟且容易劃傷和磕碰，盛放時零件之間應(yīng)加以物理隔離，在限位處應(yīng)加軟質(zhì)材料進(jìn)行保護(hù)。

2.2 零件在盛具中的掛點(diǎn)、限位點(diǎn)的選擇

由于側(cè)圍外板零件尺寸、重量大的特點(diǎn)，要求盛具上的定位穩(wěn)定可靠，必須保證零件在運(yùn)行過程中穩(wěn)固無傾覆、無損傷和變形，故掛點(diǎn)和限位點(diǎn)布置必須均衡。布置原則：

（1）掛點(diǎn)為主要受力點(diǎn)也起限位作用，盡量選擇零件的非外觀面處；

（2）限位點(diǎn)僅限位，不受力，盡量選擇非外觀的直邊段；

（3）掛點(diǎn)和限位點(diǎn)須參考零件重心進(jìn)行均勻布置。

圖3 盛具掛點(diǎn)和限位點(diǎn)分布

綜合考慮，具體布置如上圖所示。由于該盛具用于沖壓機(jī)器人和焊裝機(jī)器人放件和取件，須在盛具方案完成后進(jìn)行干涉排查，到時掛點(diǎn)和限位點(diǎn)的位置可能會稍作調(diào)整。另，庫位中有感應(yīng)器和夾緊裝置，盛具上對應(yīng)位置須作相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 盛具具體方案確定

側(cè)圍外板盛具作為沖壓碼垛、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存、焊裝上線配送的載體，它必須為沖壓和焊裝以及物流的生產(chǎn)作業(yè)提供方便，提高作業(yè)人員的生產(chǎn)效率，使作業(yè)場地更加規(guī)范、整潔。從而實(shí)現(xiàn)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化、自動化。

在確定零件盛放方式和掛點(diǎn)及限位點(diǎn)后，基于該盛具的適用場地、存取操作便利等因素來確定盛具的具體方案，盛具主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下原則：

（1）滿足機(jī)器人及人工取件、放件簡單、便捷；

（2）盛具底座結(jié)構(gòu)滿足與沖壓AGV 和焊裝AGV 牽引機(jī)構(gòu)的高度匹配；

（3）滿足沖壓庫位和焊裝庫位的尺寸和定位、夾緊等要求；

（4）結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，控制制造成本。

盛具設(shè)計(jì)應(yīng)須滿足的具體要求如下：

（1）承載能力：含盛具重量，確保強(qiáng)度穩(wěn)定的前提下，盛具不變形，需出具受力強(qiáng)度分析報(bào)告，盛具能承受3 層貨物重量。

（2）盛具堆垛的四點(diǎn)應(yīng)在同一水平面上。堆垛腳樣式采用外插式，但是堆垛方式必須經(jīng)過叉車的實(shí)際操作驗(yàn)證并出具驗(yàn)證報(bào)告，不能影響叉車司機(jī)正常工作時的工作效率和判斷力。

（3）沖壓工位規(guī)劃為盛具放置在托盤上，這就要求叉車放置盛具時，能精確定位將盛具放在托盤上（單盛具采用定位銷方式定位）。盛具需要與現(xiàn)有托盤配合設(shè)計(jì)，須保證盛具上定位孔本身精度和孔的位置精度。

（4）盛具和AGV 的配合方式是AGV 牽引盛具運(yùn)行。盛具設(shè)計(jì)時，底部必須帶有滾輪，四個萬向輪，滾輪不超出盛具，要求：單個腳輪靜態(tài)承重≥800kg，動態(tài)承重≥500kg，帶減震和剎車，旋轉(zhuǎn)半徑小于200mm（含剎車）。所有盛具需加鋼網(wǎng)，方便踩踏，但定位銷及定位孔的位置必須清晰可見，方便叉車上下料觀察。

（1）AGV 托盤的尺寸大小是3800mm×2000mm，最大的盛具外形尺寸不得大于托盤尺寸。

（2）由于庫位限制條件，盛具加AGV 整體高度方向上尺寸不得超過3000mm。

（3）便于智能采集數(shù)據(jù)，每個盛具必須貼有RFID 標(biāo)簽，安裝位置滿足讀取。

綜合以上設(shè)計(jì)原則和要求，便可以完成側(cè)圍盛具具體方案的設(shè)計(jì)，如下圖：

圖4 側(cè)圍精度盛具

2.4 零件的盛放數(shù)量的確定

基于零件之間不能干涉，且機(jī)器人抓手在放件和取件時不干涉的前提下，綜合盛具的整體尺寸，通過在軟件中模擬分析，側(cè)圍零件盛放間距按150mm，為最優(yōu)方案，因此確定單個盛具可盛放8 件。

2.5 盛具方案的優(yōu)化和確定

在前面基礎(chǔ)上，盛具方案基本確定，但是還需要做進(jìn)一步優(yōu)化。具體如下：

（1）模擬機(jī)器人放件、取件軌跡排除干涉

綜合考慮機(jī)器人進(jìn)入盛具的位置和空間，在進(jìn)行數(shù)模設(shè)計(jì)時須導(dǎo)入機(jī)器人及其抓手?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬，避免干涉點(diǎn)。

圖5 放件和抓件模擬

如上圖所示，在模擬沖壓機(jī)器人放最里面一層零件時，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人臂和盛具后門掛點(diǎn)橫梁端部有干涉，這種情況可以從以下兩個方面進(jìn)行優(yōu)化：

1）在影響機(jī)器人節(jié)拍最少的前提下，優(yōu)化機(jī)器人進(jìn)入盛具放件的軌跡，以避開干涉點(diǎn)；

2）在保證零件盛放平衡的前提下，移動掛點(diǎn)橫梁的位置，以避開干涉點(diǎn)。

上述兩種途徑經(jīng)常需要綜合考慮，尋找平衡點(diǎn)。在優(yōu)化后，還需要將焊裝機(jī)器人數(shù)模導(dǎo)入進(jìn)行類似模擬分析，若焊裝機(jī)器人取件出現(xiàn)干涉，需要和沖壓一起討論確認(rèn)干涉點(diǎn)排除的最優(yōu)方案，有時甚至?xí)C(jī)器人抓手的數(shù)據(jù)進(jìn)行局部的優(yōu)化調(diào)整。只有同時滿足沖壓的放件和焊裝取件要求，方案才是可行的。

（2）受力分析

圖6 盛具靜態(tài)位移

由于側(cè)圍零件重量較重，且兩根掛點(diǎn)橫梁是唯一受力點(diǎn)，所以須對橫梁進(jìn)行受力分析，以確保盛具的設(shè)計(jì)是否滿足使用的強(qiáng)度和剛度，分析結(jié)果如圖6 所示。

上圖中可以看出盛具橫梁掛滿零件時變形峰值小于Q235 的屈服強(qiáng)度235MPa，最大位移量為3.17mm，變形量很小，滿足要求。同時通過上圖可以掌握強(qiáng)度、剛度變化趨勢，明確盛具設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)及后續(xù)的生產(chǎn)維護(hù)提供參考依據(jù)。

3 材料及加工工藝的選擇

3.1 材料選擇

（1）盛具主體：采用Q235，立柱管徑采用50mm×50mm，立柱管壁厚（≥3.0mm），底盤橫梁方鋼厚度≥3.0mm，加強(qiáng)柱采用?48 圓管，壁厚≥3mm，叉車孔中心距800mm，采用100mm×200mm 方鋼，壁厚5mm，Q235A 鋼材焊接采用E4315，E4303 焊條，也可采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。所有內(nèi)襯材質(zhì)尺寸厚度需滿足承重要求，不得出現(xiàn)變形斷裂等質(zhì)量問題。

（2）支撐卡槽：尼龍板材質(zhì)較硬，表面光滑不容易積水積塵容易清理，可以用鉚接或者插銷的方式進(jìn)行固定。

（3）限位卡槽：聚氨酯材質(zhì)偏軟，但耐切割，對鈑金件防護(hù)效果好，且不易損壞。

3.2 表面處理

（1）對盛具本體使用噴塑或者烤漆工藝，防護(hù)效果明顯，防護(hù)時間長，噴塑后的產(chǎn)品不容易腐蝕生銹，漆膜附著力強(qiáng)，表面清潔光滑，外觀精致好看。

（2）導(dǎo)向面、定位面、夾緊墊塊等部位采用發(fā)黑或者鍍鋅處理。

（3）支撐卡槽及限位卡槽采用材料本色。

3.3 加工工藝選擇

（1）盛具框架總體采用焊接工藝，必須輔以必要的工裝夾具，以避免焊接變形和人為誤差。

（2）盛具底座中的定位面、定位孔以及立柱安裝面，采用龍門銑工藝完成，以保證精度。

（3）支撐卡槽成型采用龍門銑工藝完成，以保證間距和精度，支撐卡槽與橫梁的連接采用螺接，螺接孔設(shè)計(jì)為長條孔，保證一定調(diào)整余量。

（4）限位卡槽成型采用龍門銑工藝完成，以保證間距和精度，支撐卡槽與橫梁的連接采用螺接，螺接孔設(shè)計(jì)為長條孔，保證一定調(diào)整余量。

（5）兩根掛點(diǎn)橫梁與盛具框架也采用螺接，螺接前，兩部分分別在銑床上加工一安裝面，以保證安裝后的垂直度，并配有調(diào)平螺絲，以便現(xiàn)場調(diào)平。

4 質(zhì)量和精度要求

4.1 精度要求

（1）沖壓機(jī)器人重復(fù)定位精度±0.5mm，視覺系統(tǒng)定位精度±0.5mm，放件允許偏差±5mm；

（2）焊裝機(jī)器人重復(fù)定位精度±0.5mm，視覺系統(tǒng)定位精度±0.5mm，抓件允許偏差±5mm；

（3）盛具底盤部位相關(guān)定位必須穩(wěn)定可靠，保證堅(jiān)實(shí)耐用，每個盛具與每個托盤匹配的重復(fù)定位精度為±0.5mm，盛具所有掛件部位精度為±0.5mm，機(jī)器人抓取零件的重復(fù)定位精度為±0.2mm；

（4）盛具本體上與焊裝工位定位用的定位板精度為±1mm，盛具上與托盤定位用的定位銷孔直徑為?65.4 mm～?65.6mm，孔的相對位置度精度與設(shè)計(jì)圖位置度誤差為±0.2mm；

（5）盛具底座定位面共面度：±0.5mm。

4.2 精度控制

普通盛具制造工藝主要為下料—焊接—表面處理—裝配—出廠檢測，精度盛具不同于普通盛具，由于精度要求較高，必須在制造過程中進(jìn)行嚴(yán)格的把控。精度盛具制造工藝流程一般如下：下料—底座焊接—底座機(jī)加—組合焊接—表面處理—裝配—出廠檢測—發(fā)貨。并且在每道工序完成后都必須進(jìn)行檢測，在底座機(jī)架完成后還需進(jìn)行三坐標(biāo)檢測，保證底座的尺寸滿足技術(shù)要求，以確保后續(xù)工序制作基準(zhǔn)。

由于側(cè)圍盛具整體尺寸太大，一般廠家無法進(jìn)行三坐標(biāo)檢測，但是可以在盛具底座機(jī)加工完成后對每個底座進(jìn)行檢測，底座上有定位孔及定位面，在設(shè)計(jì)階段時根據(jù)盛具底座設(shè)計(jì)一臺檢測底座的檢具，為了降低投入成本，可以盡量考慮幾類零件的盛具底座檢具設(shè)計(jì)成通用的如下圖。

每個階段完成后需要有相應(yīng)的檢測工具進(jìn)行檢測，確保每套部件尺寸都控制在公差范圍內(nèi)。這樣才能保證最終盛具的一致性。

4.3 一致性控制

由于精度盛具用于機(jī)器人自動抓件和取件，整個過程通過程序控制，所以對精度盛具的一致性要求很高。焊接開始前，須根據(jù)盛具數(shù)據(jù)及零件存放狀態(tài)，設(shè)計(jì)必要的工裝或者夾具來控制盛具的關(guān)鍵尺寸，以避免焊接過程中焊接變形或焊接人為帶來的誤差。對焊接易變形部位需進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，以確保焊接出來的產(chǎn)品在精度要求范圍內(nèi)。

另，盛具必須焊接牢固，成形均勻、平整、整潔，焊縫長度應(yīng)滿足盛具的使用要求；焊縫不能存在氣孔、虛焊、假焊、錯焊、咬邊、焊縫夾渣、焊縫裂紋、未熔合、嚴(yán)重飛濺等缺陷，全部焊縫均須除渣處理。

5 驗(yàn)證使用

5.1 打樣盛具驗(yàn)證

精度盛具批量制造前，必須進(jìn)行打樣確認(rèn)，打樣確認(rèn)包括靜態(tài)確認(rèn)和動態(tài)確認(rèn)。

（1）靜態(tài)確認(rèn)：盛具的外觀（油漆顏色和質(zhì)量）、盛具尺寸（底座定位孔位置度，平面度、卡槽的尺寸、間距是否滿足尺寸要求）、盛具底座與沖壓托盤及AGV 配合情況（牽引、堆垛是否滿足要求）、人工放件情況（零件的防護(hù)性、擺放方式、擺放數(shù)量是否合理）等。

（2）動態(tài)確認(rèn)：盛具與沖壓AGV 配合情況，盛具與焊裝AGV 配合情況，盛具在沖壓線庫位里進(jìn)行機(jī)器人放件驗(yàn)證，盛具在焊裝線庫位里進(jìn)行機(jī)器人取件驗(yàn)證。

5.2 批量盛具驗(yàn)證

由于盛具主體大部分是通過焊接和人工裝配完成的，不能確保每個盛具狀態(tài)與打樣盛具完全一致，所以批量盛具在使用之前，都必須進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證內(nèi)容和步驟和打樣盛具驗(yàn)證一致。

6 結(jié)束語

為適應(yīng)智能工廠更高自動化程度的要求，本文以側(cè)圍外板精度盛具為例，從設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證等幾個階段進(jìn)行闡述，精度盛具關(guān)鍵點(diǎn)在于制造過程中對于精度及一致性的控制，以及盛具在驗(yàn)證過程中可調(diào)整余量的設(shè)計(jì)，對精度盛具批量開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。