徐川 魏雪飛

（1.浙江吉利新能源集團(tuán)有限公司商用車(chē)研究院，杭州310000；2.東風(fēng)華神汽車(chē)有限公司車(chē)身事業(yè)部，十堰442000）

1 前言

汽車(chē)車(chē)身裝焊是汽車(chē)車(chē)身制造的重要組成部分[1]，裝焊生產(chǎn)線相對(duì)于涂裝線和總裝線來(lái)說(shuō)，剛性強(qiáng)，多品種車(chē)型的通用性差，每更新?lián)Q代一類(lèi)車(chē)型均需要更新大量專(zhuān)用設(shè)備和生產(chǎn)工藝。焊裝線的設(shè)計(jì)涉及的專(zhuān)業(yè)知識(shí)較多，如機(jī)械化、電控、非標(biāo)設(shè)備、建筑、結(jié)構(gòu)、水道、暖通、動(dòng)力、電氣、計(jì)算機(jī)、環(huán)保和通訊等，從宏觀上決定了車(chē)間的工藝水平、物流、投資和預(yù)留發(fā)展，具體決定著生產(chǎn)線的工藝設(shè)備種類(lèi)和數(shù)量、夾具形式、物流工位器具形式、機(jī)械化輸送方式及控制模式等。因此，車(chē)身焊裝線的工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)于車(chē)身的裝焊質(zhì)量和產(chǎn)量具有很重要的意義[1]，是產(chǎn)生高性?xún)r(jià)比焊接生產(chǎn)線的關(guān)鍵。

2 T701駕駛室焊裝線的設(shè)計(jì)

2.1 承接產(chǎn)品的描述

T701系列車(chē)身是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程——門(mén)式管理模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，是歷時(shí)3年設(shè)計(jì)的高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)、覆蓋面廣的全系列車(chē)身，是CPB12駕駛室的升級(jí)換代產(chǎn)品，包含2.1 m窄車(chē)、2.3 m寬標(biāo)準(zhǔn)型、2.3 m高頂雙臥、2.3 mV車(chē)4個(gè)品種，寬窄變化為235 mm,長(zhǎng)短變化120 mm,產(chǎn)品寬窄變化方式為鼓包變窄,長(zhǎng)短變化方式為后橫梁變短。T701駕駛室產(chǎn)品外形圖如圖1所示，外形尺寸及特征如表1所示。

表1 駕駛室產(chǎn)品外形尺寸

圖1 駕駛室產(chǎn)品外形

2.2 產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)及生產(chǎn)綱領(lǐng)

T701駕駛室焊裝線分地板線、主線及分焊夾具（后圍、頂蓋、側(cè)圍）?？紤]4種車(chē)型的共線生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、短窄、高頂車(chē)和加長(zhǎng)車(chē)的柔性化生產(chǎn)；承擔(dān)東風(fēng)T701中重型載貨汽車(chē)駕駛室年綱領(lǐng)4萬(wàn)輛白車(chē)身裝焊任務(wù)；生產(chǎn)綱領(lǐng)為40000臺(tái)/年，工作班次為二班制，年工作日為251天，每日工作時(shí)間為16 h，生產(chǎn)節(jié)拍為4.8 min（設(shè)備開(kāi)動(dòng)率85%），柔性化方式為批量切換。

2.3 車(chē)身的結(jié)構(gòu)形式與柔性化共線設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

2.3.1 4個(gè)車(chē)身的通用分塊方案

T701標(biāo)準(zhǔn)型、加長(zhǎng)型、高頂雙臥、窄款駕駛室總成分塊方式為地板總成、頂蓋總成、左右側(cè)圍總成、后圍總成、前圍總成、左右車(chē)門(mén)總成。產(chǎn)品分塊如圖2所示。

圖2 駕駛室焊接總成分塊示意

2.3.2 通用定位基準(zhǔn)的設(shè)定

整個(gè)T701駕駛室的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)均建立在同一坐標(biāo)系上，在駕駛室設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到裝配、焊接、總裝配和搬運(yùn)過(guò)程中所需的基準(zhǔn)（孔、面），駕駛室裝焊的整個(gè)過(guò)程建立在同一基準(zhǔn)上，同時(shí)這些基準(zhǔn)也是夾具設(shè)計(jì)、制造、調(diào)整、檢測(cè)和維修的基準(zhǔn)，用于保證白車(chē)身總成的幾何形狀和尺寸。在確定基準(zhǔn)時(shí)按以下4個(gè)原則進(jìn)行建立。

a.基準(zhǔn)的統(tǒng)一性，在焊接過(guò)程中基準(zhǔn)是逐步傳遞的；

b.基準(zhǔn)應(yīng)便于測(cè)量；

c.基準(zhǔn)應(yīng)保證零件的準(zhǔn)確定位；

d.基準(zhǔn)應(yīng)考慮便于焊接操作。

T701駕駛室定位基準(zhǔn)的建議完全按照上述原則進(jìn)行建立，以側(cè)圍部分零件為例說(shuō)明定位基準(zhǔn)確認(rèn)情況，其余零件定位基準(zhǔn)確認(rèn)方法與之相同，圖3為T(mén)701白車(chē)身側(cè)圍定位基準(zhǔn)孔坐標(biāo)位置示意。

圖3 白車(chē)身左側(cè)圍定位基準(zhǔn)分布

2.3.3 定形焊點(diǎn)和焊點(diǎn)分組的通用規(guī)劃

在T701駕駛室相對(duì)復(fù)雜的工件之間的焊接，往往需經(jīng)過(guò)組裝、補(bǔ)焊的過(guò)程完成。由于生產(chǎn)節(jié)拍限制、設(shè)備數(shù)量布置空間需要和夾具有效空間占用等原因，在組裝工位不可能完成全部焊接工作，必須完成部分焊點(diǎn)，在T701駕駛室數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)期間，工藝人員提前介入對(duì)定型焊點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，充分優(yōu)化工藝實(shí)現(xiàn)步驟并對(duì)白車(chē)身每個(gè)總成上的焊點(diǎn)進(jìn)行分組，以保證在設(shè)計(jì)綱領(lǐng)任務(wù)下1把焊鉗在1個(gè)工作節(jié)拍內(nèi)完成的1個(gè)組焊工作任務(wù)。

2.4 焊裝線工藝設(shè)計(jì)

2.4.1 地板線柔性化設(shè)計(jì)方案

地板線設(shè)置5個(gè)工位，各工位夾具滿足標(biāo)準(zhǔn)、窄短、高頂和加長(zhǎng)車(chē)（標(biāo)準(zhǔn)與高頂?shù)匕褰Y(jié)構(gòu)相同）車(chē)型的柔性化共線生產(chǎn)，如圖4所示。

圖4 地板線布置

為保證在現(xiàn)有生產(chǎn)陣地條件下實(shí)現(xiàn)4.8 min/臺(tái)的生產(chǎn)節(jié)拍要求，采用突破以往傳統(tǒng)的焊裝線布置模式，將地板總成的拼焊納入白車(chē)身總成拼焊主線的前序進(jìn)行流水化作業(yè)。

根據(jù)白車(chē)身上線工藝流程需求，地板總成拼焊線共設(shè)置5個(gè)工位，第1序搭建地板縱梁骨架，第2序在第1序骨架基礎(chǔ)上搭建左/右地板和鼓包，第3序用于補(bǔ)焊完全焊點(diǎn)，起平衡節(jié)拍作用，第4序在已拼焊完成的地板總成上搭建前圍附件，第5序完成前圍總成和地板總成的拼焊搭接，從而實(shí)現(xiàn)在進(jìn)入主線前的基礎(chǔ)框架搭建。

較傳統(tǒng)焊裝線設(shè)計(jì)模式，T701焊裝線采用往復(fù)桿輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地板總成的流水化拼焊作業(yè)，將焊裝線的主體功能進(jìn)行了拓展，保證整個(gè)線體的生產(chǎn)節(jié)拍平衡。另外，通過(guò)搭建地板總成往復(fù)流水線，使原本擁堵的分焊工藝布置得以實(shí)現(xiàn)線性就近布置，對(duì)于今后線體的產(chǎn)能提升改造提供了充裕的條件。

2.4.2 主線柔性化設(shè)計(jì)方案

總裝線設(shè)置10個(gè)工位，滿足標(biāo)準(zhǔn)、窄短、高頂（標(biāo)準(zhǔn)與高頂?shù)匕褰Y(jié)構(gòu)相同）和加長(zhǎng)車(chē)駕駛室總成的柔性化共線生產(chǎn)，其中總拼工位夾具滿足4種車(chē)型共用，頂蓋焊接工位平頂和高頂混流生產(chǎn)，如圖5所示。

圖5 主焊線布置

為實(shí)現(xiàn)T7014種車(chē)型共線混流生產(chǎn)，保證＜4.8 min/臺(tái)的節(jié)拍時(shí)間要求，主線定義為自動(dòng)輸送，部分復(fù)雜工藝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。綜合考慮帶式傳輸、往復(fù)式傳輸、鏈條式傳輸、抓舉跳躍式傳輸方式，結(jié)合投資成本和線體可靠性考慮，選擇往復(fù)式輸送方案。在白車(chē)身總成拼焊工藝中側(cè)圍總成上線和頂蓋的補(bǔ)焊工序最為繁瑣，焊點(diǎn)最多，工藝最為復(fù)雜，考慮到4種車(chē)身側(cè)圍完全通用，對(duì)左右側(cè)圍拼焊到地板上時(shí)采用了夾具自帶自動(dòng)焊鉗的方案，考慮4種車(chē)型頂蓋各不一樣，對(duì)頂蓋的拼焊選用自動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)焊接。

根據(jù)T701白車(chē)身拼焊線平衡需求，T701白車(chē)身裝焊主線共布置10個(gè)工位，第1序?qū)⑶靶虻匕蹇偝缮洗罱雍髧偝?，?序?qū)⒆?右側(cè)圍從兩側(cè)推入，以自動(dòng)焊鉗的形式實(shí)現(xiàn)拼合，第3序作為前圍、后圍與地板的補(bǔ)焊工序，第4工序吊運(yùn)頂蓋上線，第5工序作為高頂車(chē)身中頂蓋的上線工位，第6工序作為高頂車(chē)身中頂蓋與前后頂蓋的連接工位，第7序以機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頂蓋的補(bǔ)焊作業(yè)，第8序作為側(cè)圍補(bǔ)焊和后圍包邊作業(yè)，第9序是剩余焊點(diǎn)的補(bǔ)焊工序，第10序?qū)④?chē)門(mén)上線并裝配完全。

通過(guò)上述操作，可實(shí)現(xiàn)4.8 min/臺(tái)的T701系列白車(chē)身任意混流生產(chǎn)，該主線布置方案既有效的降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，保證高效的生產(chǎn)效率，又節(jié)省生產(chǎn)陣地面積，方便物料配送和轉(zhuǎn)運(yùn)線程，在保證既定設(shè)計(jì)綱領(lǐng)的前提下控制住了投資成本，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化投資和較高性?xún)r(jià)比。

2.4.3 工藝流程

將整個(gè)白車(chē)身焊接總成的焊接工藝流程分成2部分，第1部分先完成地板分總成的拼焊，然后完成白車(chē)身6大分總成的拼焊，具體示意如圖6所示。

圖6 白車(chē)身焊接總成拼焊流程示意

2.4.4 平面布局

焊接線采取主線中間，兩側(cè)分焊線的布置方式，分焊的工序排布圍繞主線進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)作業(yè)和搬運(yùn)的最優(yōu)路徑，具體示意如圖7所示。

圖7 焊裝線平面布置

3 關(guān)鍵設(shè)備描述

3.1 線體

3.1.1 往復(fù)桿參數(shù)

工位數(shù)量：5+10個(gè)；工位間距：5000 mm；升降行程：800 mm；水平往返行程：5000 mm；傳輸機(jī)升起/下降800 mm時(shí)間：≤6 s；傳輸機(jī)水平往返5000 mm時(shí)間：前進(jìn)≤6 s，后退≤6 s；完成工藝動(dòng)作的總時(shí)間：≤24 s；往復(fù)桿輸送系統(tǒng)重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度：±0.5 mm。

3.1.2 往復(fù)桿結(jié)構(gòu)

a.往復(fù)桿輸送系統(tǒng)由垂直升降機(jī)構(gòu)和水平傳輸機(jī)構(gòu)2部分組成，垂直升降機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條同步結(jié)構(gòu)，水平傳輸機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條傳動(dòng)；

b.升降機(jī)構(gòu)主要構(gòu)成包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)、齒輪齒條同步機(jī)構(gòu)總成、蓄能器和液壓缸組成的重量平衡系統(tǒng)，具體示意見(jiàn)圖8、圖9，齒輪齒條同步結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)各工位同步啟動(dòng)，蓄能器和液壓缸組成的重量平衡系統(tǒng)在升起時(shí)釋放蓄能器儲(chǔ)存的能量，下降時(shí)負(fù)載的勢(shì)能儲(chǔ)存在蓄能器中，可以保證升降機(jī)構(gòu)平穩(wěn)無(wú)沖擊運(yùn)行；

圖8 垂直升降驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖9 齒輪齒條同步及平衡機(jī)構(gòu)

c.水平傳輸機(jī)構(gòu)主要構(gòu)成包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)總成、傳輸小車(chē)，傳輸機(jī)構(gòu)運(yùn)行采用變頻調(diào)速，即低速啟動(dòng)、快速運(yùn)行、低速停止，具體示意見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 齒輪齒條水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖11 水平到位鎖機(jī)構(gòu)

3.1.3 往復(fù)桿電控系統(tǒng)

往復(fù)桿輸送系統(tǒng)采用集散控制的工作方式，PLC為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心控制系統(tǒng)的正常工作。工件通過(guò)往復(fù)桿舉升后進(jìn)行傳送，往復(fù)桿落下后返回原位，工件定位在裝配位置進(jìn)行工藝裝配等工作，往復(fù)桿往復(fù)輸送運(yùn)行的速度可通過(guò)變頻器調(diào)整，輸送平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，啟動(dòng)和停止平滑，無(wú)機(jī)械沖擊和抖動(dòng)，運(yùn)行噪音＜55 dB，在線體各部都設(shè)有車(chē)體到位檢測(cè)裝置進(jìn)行精確地定位，在工位兩側(cè)都設(shè)有急停按鈕裝置，可以在緊急情況時(shí)及時(shí)停止線體運(yùn)行，設(shè)備設(shè)有人機(jī)界面（觸摸屏），可以監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況和現(xiàn)實(shí)故障位置，在線體兩側(cè)安裝有安全光柵(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式)和安全門(mén)等安全裝置，防止人員進(jìn)入后線體對(duì)人身的傷害，往復(fù)桿與焊接夾具都預(yù)留了通訊接口。

3.2 機(jī)器人系統(tǒng)

為解決瓶頸工序節(jié)拍較長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題（尤其是高頂），特對(duì)焊接線裝備一套龍門(mén)式機(jī)器人焊接系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 龍門(mén)式機(jī)器人焊接系統(tǒng)

該套系統(tǒng)附帶車(chē)型識(shí)別系統(tǒng)接收來(lái)自線體的車(chē)型信號(hào)，輸入到機(jī)器人控制系統(tǒng)，給出焊接指令；隨機(jī)附帶電極修磨器，按焊點(diǎn)數(shù)和完成當(dāng)前工作2個(gè)條件對(duì)上下電極進(jìn)行修磨。

機(jī)器人車(chē)型識(shí)別信號(hào)與線體同步，根據(jù)車(chē)型選擇焊鉗大小，G車(chē)型、V車(chē)型、J車(chē)型選用小焊鉗焊接頂蓋與左右側(cè)圍搭接處焊點(diǎn)，分別焊接50點(diǎn)、54點(diǎn)、50點(diǎn)，用時(shí)180 s，W車(chē)型依次選用2把焊鉗焊接中頂蓋四周焊點(diǎn)，共計(jì)109點(diǎn)，用時(shí)300 s。

4 投產(chǎn)效果及改進(jìn)方向

4.1 投產(chǎn)效果

T701駕駛室焊裝線自2013年5月正式投產(chǎn)至今，已累計(jì)生產(chǎn)合格下線G車(chē)型、V車(chē)型、W車(chē)型、J車(chē)型合計(jì)120000余臺(tái)白車(chē)身，平均每小時(shí)可下線12～15臺(tái)白車(chē)身，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的4.8 min/臺(tái)的節(jié)拍要求和4種車(chē)型任意混流生產(chǎn)的能力。對(duì)于T701系列駕駛室的擴(kuò)展車(chē)型，如單排、雙排、加高頂?shù)茸冃诬?chē)，T701焊裝線通過(guò)進(jìn)一步的適應(yīng)性改進(jìn)，具備全部納入進(jìn)行共線生產(chǎn)能力。

4.2 改進(jìn)方向

4.2.1 二次轉(zhuǎn)運(yùn)方案的優(yōu)化

要進(jìn)一步提升T701駕駛室混流柔性化焊裝線的生產(chǎn)節(jié)拍，現(xiàn)階段地板線、主線除高頂外（機(jī)器人涉及換槍?zhuān)┖附訒r(shí)間均滿足。分裝線現(xiàn)左右側(cè)圍焊接涉及零件多，需二次轉(zhuǎn)運(yùn)，時(shí)間不滿足，因此需在該方向上進(jìn)一步更改優(yōu)化。

4.2.2 后圍包邊工藝的改進(jìn)

主線八工位后圍包邊工藝復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大。在現(xiàn)有焊裝線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上需先人工預(yù)彎，再氣動(dòng)包邊。該工位的改進(jìn)將是下一步工藝優(yōu)化提升的重點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

T701駕駛室焊裝線項(xiàng)目采用了先進(jìn)的工藝布置、制造技術(shù)及生產(chǎn)設(shè)備，較傳統(tǒng)焊裝線生產(chǎn)模式有了跨越式的突破，對(duì)比公司已定型生產(chǎn)十余年的CPB12焊裝線，無(wú)論從主線工位布置、線體結(jié)構(gòu)和組織形式，分焊線的工藝布局，物料的物流方案等均進(jìn)行了顛覆式的改變。

T701駕駛室焊裝線工藝布局可同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)型、加長(zhǎng)型、高頂雙臥、窄款、單排等系列車(chē)型的任意混流共線生產(chǎn)，在瓶頸工序布置自動(dòng)焊鉗系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)完成左/右側(cè)圍拼焊和頂蓋的拼焊，單臺(tái)白車(chē)身生產(chǎn)節(jié)拍保證＜4.8 min，焊裝線工藝設(shè)計(jì)合理，自動(dòng)化及柔性化水平居行業(yè)內(nèi)先進(jìn)水平。