覃永
摘 要:本文以汽車下車體總成自動化焊接生產(chǎn)為例,闡述了車身焊接自動化線的形成原因,以及柔性焊接生產(chǎn)線的應(yīng)用場合。從柔性焊接生產(chǎn)線的設(shè)計內(nèi)容出發(fā),分別從柔性焊接夾具的技術(shù)要求、抓手設(shè)計以及機器人布置規(guī)則等方面論述。通過對下車體柔性焊接生產(chǎn)線的分析,對其設(shè)計要點進行研究,為自動化生產(chǎn)中工業(yè)機器人的使用奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:柔性生產(chǎn)線 焊接工裝 機器人
1 引言
隨著工業(yè)技術(shù)的進步,汽車制造的自動化已不可逆轉(zhuǎn),尤其是在焊接方面,由于焊接質(zhì)量可靠、工作效率高、重復(fù)率高的特點得到各大制造廠商的認(rèn)可,應(yīng)用已經(jīng)非常普遍[1]。邱瑋杰[2]設(shè)計了汽車零部件點焊機器人工作站。張英華[3]以汽車地板前側(cè)板構(gòu)件總成為例,介紹了焊接機器人工作站的設(shè)計。傳統(tǒng)的大量重復(fù)生產(chǎn)的生產(chǎn)線已經(jīng)制約著汽車廠的更新速度,在這種情況下,規(guī)劃出一條既能提供焊接效率,同時又能加速迭代,保證焊接質(zhì)量的機器人作業(yè)路線就顯得十分重要[4]。李占營[5]闡述了柔性焊裝線的特點和設(shè)計規(guī)劃需要考慮的因素,詳細(xì)介紹了目前集中不同的車身總拼夾具形式、特點及應(yīng)用。羅琪等[6]闡述了原有的柔性線生產(chǎn)過程中節(jié)約維護成本,提高生產(chǎn)效率。汽車車身焊接車間,是整車框架完成的地點,其零部件多為超大、長、重的物件,這些物件的搬運與轉(zhuǎn)移工作是一項很繁重的任務(wù),工業(yè)機器人取代人工進行物料的上件及轉(zhuǎn)移,不僅降低了工人的勞動強度,也提高了生產(chǎn)線的效率[7]。
2 車身柔性焊接工裝設(shè)計原因
隨著工業(yè)4.0的到來,車企的生產(chǎn)線發(fā)生變化:手工焊裝線向機器人自動生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)變進而要求柔性生產(chǎn)。
傳統(tǒng)的手工焊裝線分布在低節(jié)拍的生產(chǎn)線和分拼工位上。主要由鋼結(jié)構(gòu)、水電氣、焊機、焊鉗、夾具、涂膠系統(tǒng)、螺柱焊系統(tǒng)、工位間轉(zhuǎn)運及輔助踏臺等組成。每個工位都需要定位單元,數(shù)量龐大。并且隨著車型增多,夾具數(shù)量巨大,需要有存放場地及倉庫,如圖1所示。自動化線采用機器人,伺服焊鉗,定位工裝,輸送設(shè)備,自動控制等設(shè)備組成。具有節(jié)拍高,焊接效率高等優(yōu)點,如圖2所示為自動化焊接車間。
3 柔性焊接生產(chǎn)線應(yīng)用場合
實現(xiàn)不同車型的混流生產(chǎn),減少設(shè)備投資,減少生產(chǎn)準(zhǔn)備階段,車身精度改善。概念性設(shè)備:采用具有高可靠性的自動化生產(chǎn)線,關(guān)鍵工位要用有品質(zhì)保證的設(shè)備??紤]應(yīng)付車型變更和車型追加設(shè)備的柔性化??紤]對重的部件和復(fù)雜工作的傳輸方法。對易引起偏差的部件考慮設(shè)備的穩(wěn)定性。通過采用新技術(shù),設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備維護性,品質(zhì)改善,部件精度和生產(chǎn)率等問題。
該工位需要實現(xiàn)功能:(1)三個零件的物料從供應(yīng)商送達(dá)現(xiàn)場后,放置在對中臺上,機器人從對中臺取件,放置到工位定位焊接拼臺。三個零件為車架在主要組成部件,分別為前車體(也稱前車架)、前地板(也稱中部地板)、后部下車體(也稱后車架);(2)拼臺定位夾具對三個零件進行定位、夾緊;(3)機器人攜帶焊鉗對零件搭接處進行焊接;(4)機器人攜帶抓手對焊接后的車架總成進行搬運轉(zhuǎn)移;(5)該工位要可柔性,實現(xiàn)多個車型的車架定位、焊接、搬運,同平臺車型不需要切換定位夾具、焊鉗、抓手等;(6)預(yù)留抓件、夾具切換功能,后續(xù)新車型因差異過大導(dǎo)致夾具、抓手不能兼容時,可進行快速切換。
4 柔性焊接工裝設(shè)計內(nèi)容
柔性車身合拼焊接工位包含內(nèi)容:焊裝夾具,輸送裝置(抓手),焊接設(shè)備(伺服焊鉗),修模裝置,控制設(shè)備,機器人,切換裝置,水電氣供給系統(tǒng),物流料箱、料架等等。
4.1 柔性夾具結(jié)構(gòu)
柔性夾具結(jié)構(gòu)大致與簡易夾具結(jié)構(gòu)相同,主要結(jié)構(gòu)包括定位夾緊機構(gòu)(如連接塊,銷座,定位銷,壓塊)、支座、限位塊等功能件。如圖3所示為柔性夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
柔性夾具不僅要滿足普通夾具的保證車身精度,減少裝夾誤差的要求,還能滿足不同零件的重復(fù)裝夾,達(dá)到減少項目投資成本,縮短項目周期的目的。
4.2 焊接機器人工位布置
根據(jù)經(jīng)驗機器人工位布置遵循以下幾條:(1)根據(jù)機器人6關(guān)節(jié)活動范圍及可達(dá)性,若機器人相互工作區(qū)域沒有共同區(qū)域,即工作期間不到達(dá)共同的空間,則以機器人活動可達(dá)范圍區(qū)分,將另外的機器人布置在可達(dá)范圍以外;(2)若機器人之間有交互區(qū)域,機器人相互間的距離不得小于1500mm,此時需要對機器人設(shè)置干涉區(qū);(3)若機器人工位與人工工位相鄰,則必須有安全隔離護欄,以提高安全性,機器人與圍欄的距離在機器人工作軌跡最接近圍欄的地方不得小于200mm。(4)機器人的站位不宜過高,根據(jù)車身廠房評估,不能與廠房上方設(shè)備干涉,且要人員可達(dá)便于維護;(5)控制柜要就近布置在機器人附近的圍欄外,便于機器人調(diào)試方便及減少機器人的通訊線長度。
4.3 定位銷設(shè)計
高精度薄板零件焊接前,需要對其進行裝夾定位,定位銷是其中一種定位元件。定位銷一般位于鈑金件定位孔內(nèi),要求耐磨。它屬于高精度零件,通常使用定位銷尺寸有8\10\13\16\18\20\25。設(shè)計定位時,根據(jù)零件定位孔的大小,從推薦的標(biāo)準(zhǔn)里選取即可。下車體安裝定位銷的位置,通常選擇如圖4定位點區(qū)域。車身合拼工位是主要定位拼臺,是完成整個車架定位的關(guān)鍵基礎(chǔ),其中主定位孔位于前后大梁上,零件(前地板)定位選取在零件與前后車架搭接處。
5 結(jié)語
汽車自動化焊裝生產(chǎn)線是在當(dāng)今汽車智能制造發(fā)展的強勁需求下形成的,而高節(jié)拍柔性化生產(chǎn)線是當(dāng)前自動化生產(chǎn)線的主流趨勢。高節(jié)拍柔性化生產(chǎn)線最顯著的優(yōu)勢就是適應(yīng)多種汽車車型、靈活度高、占地面積集中,能大大提高焊裝生產(chǎn)線工藝流程的節(jié)拍速度,降低人力資本的投入,更適應(yīng)了當(dāng)今汽車市場車型更新?lián)Q代迅速的客觀需求。本文通過對汽車焊接柔性生產(chǎn)線的設(shè)計,從柔性焊接生產(chǎn)線的設(shè)計內(nèi)容出發(fā),分別從柔性焊接夾具的技術(shù)要求、抓手設(shè)計以及機器人布置規(guī)則等方面論述。通過對下車體柔性焊接生產(chǎn)線的分析,對其設(shè)計要點進行研究,為自動化生產(chǎn)中工業(yè)機器人的使用奠定基礎(chǔ)。
6 展望
多品種、小批量是現(xiàn)階段汽車樣車開發(fā)的顯著特點。本文所開發(fā)的夾具結(jié)構(gòu),具備成本低、設(shè)計制造周期短、輕量化等特點,很好地實現(xiàn)了樣車車身的低成本、柔性化制造。但是柔性工作站的夾具目前只是同平臺的車型進行生產(chǎn),不同平臺功能做了預(yù)留,能否很好的實現(xiàn)多平臺的車型柔性生產(chǎn),還有待驗證。
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