謝寧　黎琪　胡偉敏

摘 要：為滿足多樣化、差異化的市場需求，推動公司制造能力向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型，提出混批式智能下車體生產(chǎn)線開發(fā)方案。該方案基于柔性生產(chǎn)理念，建立了車架調(diào)配中心;設(shè)計出“風(fēng)火輪”結(jié)構(gòu)式工裝夾具;又提出一種“三點法”虛擬仿真程序用于焊點定位，提高了現(xiàn)場仿形效率，最后設(shè)計了同平臺以及跨平臺夾具兼容與切換方案。結(jié)果表明該開發(fā)方案很好的實現(xiàn)了單一生產(chǎn)線生產(chǎn)多個車型需求。

關(guān)鍵詞：柔性生產(chǎn) 生產(chǎn)線 焊點軌跡仿形 工裝夾具

1 引言

隨著經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，市場的需求也在不斷發(fā)生變化，消費者需求越來越個性化、差異化，使當今的制造業(yè)正逐漸向多品種、小批量、用戶定制、能夠迅速響應(yīng)市場變化等方向發(fā)展[1]。又有“工業(yè)4.0”概念的提出，意味著對生產(chǎn)線進行改進、建立一個高度個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式已是制造業(yè)謀求發(fā)展的必經(jīng)之路[2]。如文獻[3]提到的日本豐田汽車公司的精益生產(chǎn)體系很好的滿足了多樣化的市場需求，國內(nèi)眾多企業(yè)對精益生產(chǎn)的應(yīng)用也越來越廣泛。柔性生產(chǎn)作為精益生產(chǎn)的新動向，是根據(jù)客戶訂單和市場需求預(yù)測組織生產(chǎn)的一種先進生產(chǎn)方式，這一生產(chǎn)方式能大大降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，增強企業(yè)的靈活性和應(yīng)變能力[4]。

目前已有許多學(xué)者對柔性生產(chǎn)進行了研究和應(yīng)用，文獻[5]研究了柔性生產(chǎn)下如何保持生產(chǎn)物流平衡的策略問題，文章指出使物流保持平衡是柔性生產(chǎn)物流管理中非常重要的工作。文獻[6]研究柔性生產(chǎn)中人員調(diào)度問題，提出一種有效遺傳算法得到最優(yōu)的人員調(diào)度方案。文獻[7]研究了飛機柔性裝配技術(shù)，應(yīng)對個性化生產(chǎn)帶來準備周期過長的問題，同時提高裝配效率。文獻[8]建設(shè)柔性橋殼生產(chǎn)線，滿足了生產(chǎn)過程中高質(zhì)量、高效率、低成本的要求。文獻[9]設(shè)計了一條生產(chǎn)汽車底盤零件的柔性生產(chǎn)線，以適應(yīng)汽車零件的更新速度。文獻[10]設(shè)計了汽車前軸焊接柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝，以提高產(chǎn)品的更新速度。

鑒于柔性生產(chǎn)理念在各制造領(lǐng)域應(yīng)用的成功，針對上汽通用五菱現(xiàn)場車身車間生產(chǎn)線的建設(shè)，為了推動公司制造能力向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型，打造“上汽通用五菱特色制造模式”，助力公司及汽車制造行業(yè)向智能制造發(fā)展，本文提出混批式智能下車體制造中心集成開發(fā)方案。

2 生產(chǎn)線的工藝流程設(shè)計

工藝流程指通過一定的生產(chǎn)設(shè)備或管道，從原材料投入到成品產(chǎn)出，按順序連續(xù)進行加工的全過程，本章將從生產(chǎn)線布局和生產(chǎn)線BOP兩方面介紹生產(chǎn)線的工藝流程。

2.1 生產(chǎn)線布局

車架中心的設(shè)計采用的是“回字型”的形式（見圖1），后續(xù)可以通過在預(yù)留的場地增加工位及相應(yīng)的機器人，可以將節(jié)拍進行提升。

A/B面布局是為了提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍，同時預(yù)留空間進行后續(xù)C/D面導(dǎo)入;A/B/C/D面不僅可以實現(xiàn)節(jié)拍提升，同時也可以進行多車型進行混流生產(chǎn)。

2.2 生產(chǎn)線BOP

根據(jù)不同車型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同車型標準化的BOP分塊（見圖2），按照工藝布局圖，建立標準化的開發(fā)規(guī)范，編制工藝規(guī)劃和工藝設(shè)計相關(guān)企業(yè)標準，可以極大地提高了車身焊裝線的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量。

3 基于柔性生產(chǎn)及自動化理念的技術(shù)開發(fā)

生產(chǎn)線的柔性主要通過建立車架調(diào)配中心和設(shè)計風(fēng)車輪夾具結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，通過這兩點可以實現(xiàn)同一車間不同生產(chǎn)線生產(chǎn)車型的任意匹配，又提出機器人軌跡虛擬仿真的自動校正，提高了焊接工序的自動化，縮短接近30%的開發(fā)周期。

3.1 車架調(diào)配中心的建立

實現(xiàn)車架中心的自動化及柔性化改造，主要是通過車架中心調(diào)配中心的建立，將所有車架中心總成全部集中到調(diào)配中心，針對不同車型的白車身代碼，通過掃碼設(shè)備進行掃碼確認條形碼，確認車架的相關(guān)配置及車型，通過FRID進行設(shè)備跟蹤，通過分配中心系統(tǒng)，確認車架的運動路線，與對應(yīng)的主線進行對接、匹配。從而完成車架中心與主線之間車型匹配的1對多或者多對1，實現(xiàn)同一車間不同生產(chǎn)線生產(chǎn)車型的任意匹配，如圖3所示。

3.2 機器人軌跡虛擬仿真的自動校正

機器人在進行現(xiàn)場軌跡仿形中（見圖4），會對虛擬軟件中對每臺機器人的焊點、運行軌跡或者抓取軌跡進行合理分配，保證焊槍選型的正確性，同時確認其運行軌跡不存在干涉、每個車架中心的焊點可達，確認整個設(shè)備以及配套設(shè)備的安裝點，而在設(shè)備安裝中，由于設(shè)備的安裝基準的誤差以及設(shè)備的累積安裝誤差，導(dǎo)致及設(shè)備與虛擬軟件中的設(shè)備存在一定的差異性，導(dǎo)致在現(xiàn)場仿形中，其焊點及運行軌跡需要再次優(yōu)化及確認，影響現(xiàn)場仿形的效率。

為了提高焊接的自動化效率，本文提出“三點法”仿真程序用于焊點的坐標定位，其基于在仿真環(huán)境內(nèi)統(tǒng)一機器人用戶坐標系至產(chǎn)品原點坐標系，使得焊點位置數(shù)據(jù)具有唯一性;通過robotguid進行仿真交付3點小程序和合格的車型離線程序，及三個工裝基準點截圖說明?，F(xiàn)場的機器人工程師示教3點小程序，偏移后把P[4]誤差輸入EXCEL公式計算表（見圖5），直接得出現(xiàn)場真實產(chǎn)品原點坐標系，覆蓋離線程序所使用的UserFrame，再次運行仿真交付的3點小程序驗證OK。機器人直接運行仿真車型離線程序，驗證軌跡。

同時離線程序高精度還原焊點位置及焊點間距，可以基本消除因人為畫點出現(xiàn)的位置誤差;大大降低因焊點位置問題導(dǎo)致的焊點質(zhì)量提升的頻次，避免人力、物流浪費、提升項目造車效率，縮短爬坡時間，對于后續(xù)新產(chǎn)品的導(dǎo)入也可以縮短時間。

3.3 風(fēng)火輪式夾具結(jié)構(gòu)的開發(fā)

“風(fēng)火輪”式夾具是一種新型旋轉(zhuǎn)夾具，集成多種夾具實現(xiàn)可旋轉(zhuǎn)式切換，相比國內(nèi)外常采用的線旁多夾具模式和滑臺式模式，雖然整體模塊較大，但投資成本較低，同時切換簡單。

圖6展示了線旁輔助切換機構(gòu)，它是對旋轉(zhuǎn)夾具進行定位單元切換的輔助機構(gòu)，放置車架制造中心切換工位兩側(cè)，主要包括推動氣缸、伺服電機、旋轉(zhuǎn)軸、鎖緊氣缸、解鎖氣缸。其中推動氣缸的作用是推動伺服電機與旋轉(zhuǎn)軸進與出，推動氣缸采用自鎖氣缸，自鎖氣缸可以保證氣缸前進或者后退到位后產(chǎn)生自鎖，從而避免機構(gòu)誤動作而產(chǎn)生的安全隱患;伺服電機的作用是可以利用程序精確控制旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)角度的精確控制;旋轉(zhuǎn)軸是帶動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn)運動的部件，端頭設(shè)計有嚙合塊是為了與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上的回轉(zhuǎn)盤嚙合，實現(xiàn)力的傳遞;鎖緊氣缸的作用是自鎖機構(gòu)在打開狀態(tài)且旋轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn)動作完成后使旋轉(zhuǎn)機構(gòu)鎖緊，氣缸頭處設(shè)計有撞塊，其與自鎖機構(gòu)鉸鏈直接發(fā)生碰撞;解鎖氣缸的作用是打開自鎖機構(gòu)，與鎖緊氣缸一樣氣缸頭處設(shè)計有撞塊，其與自鎖機構(gòu)鉸鏈直接發(fā)生碰撞。

“風(fēng)火輪”式夾具的夾具切換過程可分為8個步驟，如圖7所示。

3.4 同平臺以及跨平臺夾具兼容與切換方案

這一節(jié)將分別介紹不同平臺以及同平臺切換生產(chǎn)車型時切換夾具工裝的方式，指出柔性合拼工裝、輸送線的改進。

3.4.1 不同平臺的車型切換

MC10工位設(shè)計為滑臺形式（見圖8），分為地面滑軌機構(gòu)、滑臺機構(gòu)、滑臺上的工裝部分以及切換小車。工裝部分通過定位銷、快速夾緊器固定為滑臺機構(gòu)上。當需要切換車型時，將工裝部分與滑臺機構(gòu)脫離，并轉(zhuǎn)移至切換小車，然后推走，將另一車型的工裝部分推上滑臺機構(gòu)。

3.4.2 同平臺的不同車型切換

同平臺車型差異表現(xiàn)在前輪罩的差異，比如前懸單點安裝式與三點安裝式（見圖9）。對于整個工裝滑臺，只需要對輪罩定位的相關(guān)工裝進行柔性切換就可以了，采用杰根斯球鎖機構(gòu)進行快速定位與夾緊（見圖10）。球鎖機構(gòu)是為機床夾具開發(fā)的專用機構(gòu)，重復(fù)定位精度達±0.013mm，機床夾具板切換時間僅一兩分鐘。其重復(fù)定位精度、抗沖擊性能可以滿足焊接工裝需求。

3.4.3 柔性合拼工裝、輸送線

有圖11可以看出柔性合拼工裝、輸送線的基本結(jié)構(gòu)，它采用往復(fù)式輸送，與我們之前的往復(fù)桿輸送的區(qū)別在于：這種輸送方式車身零件的Z向零位移，即輸送的零件不被舉升，從而優(yōu)化了輸送的穩(wěn)定性，節(jié)省了往復(fù)輸送的掃掠空間。其中間輸送托架能獨立升降280mm，線旁主定位可獨立升降350mm，且合拼線采用前后平移車身坐標系的方式進行柔性切換：

1、在兩種車型主定位X向能相互錯開的情況下，直接增加線旁升降主定位;

2、當兩種車型主定位X向不能相互錯開時，前后平移車身坐標新350mm，再增加線旁升降主定位。

4 結(jié)語與展望

混批式智能下車體制造中心集成開發(fā)很好的實現(xiàn)了單一生產(chǎn)線生產(chǎn)多個車型需求，目前上汽通用五菱新建下車體制造中心線都采用此類結(jié)構(gòu)，不僅帶來了相應(yīng)的經(jīng)濟效益，也推動汽車行業(yè)的制造呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。

然而由于目前規(guī)劃車型越來越多，同時老車型退市后也要保持配件生產(chǎn)，風(fēng)火輪式夾具結(jié)構(gòu)兼容數(shù)量很快即將達到上限，需要考慮旋轉(zhuǎn)夾具臺的整體切換。并且由于到各車型的切換夾具種類較多，且占地較大，后續(xù)還需要優(yōu)化夾具切換種類，便于后續(xù)維修及車間管理，同時對夾具場地問題進行統(tǒng)一規(guī)劃。

基金項目：廣西科技重大專項（桂科AA18118040）;柳州市科技計劃（2018AD50301）。

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