廢舊小型汽車柔性拆解技術(shù)研究

戴國洪，周自強

（1.常熟理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500；2.蘇州市汽車綠色拆解回收利用智能裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇常熟 215500）

廢舊小型汽車柔性拆解技術(shù)研究

戴國洪1，2，周自強1，2

（1.常熟理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500；2.蘇州市汽車綠色拆解回收利用智能裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇常熟 215500）

設(shè)計了廢舊小型汽車的柔性拆解方案和車身柔性拆卸站，闡述了結(jié)合其他工作站和輸送線建立柔性化小型汽車拆解生產(chǎn)線的基本方案以及利用該設(shè)備的報廢汽車回收過程.使用這種方法處理報廢汽車，在提高效率的同時還可使其能耗大幅降低.

報廢汽車；回收；柔性拆解；工業(yè)機器人

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，民用汽車數(shù)量自2000年以來迅速增長，中國已成為世界第三大汽車制造國[1].根據(jù)國家交通運輸部報告，到目前我國汽車總量已超過九千萬.據(jù)統(tǒng)計，每年會有六百萬輛汽車達到使用壽命，如何處理報廢汽車是一項意義重大而又必須解決的事項[2].為了應(yīng)對報廢汽車日益增長所帶來的挑戰(zhàn)，從2001年起政府部門開始頒布了一些法律和法規(guī)，但報廢汽車回收利用的行業(yè)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展仍然受到限制.發(fā)達國家開發(fā)報廢汽車的回收利用技術(shù)已有很多年，但是他們的模式與我國相差甚遠(yuǎn)[3-8].雖然國內(nèi)報廢汽車回收工作進行了很多年，但大多數(shù)都是通過人工利用簡單的工具進行拆卸，而且回收過程也不盡合理.例如，對汽車中的廢液沒有進行收集和循環(huán)利用，結(jié)果是回收報廢汽車所引起的污染又成了一個問題.由于受到較高的人力成本限制，發(fā)達國家多采用粉碎、分選技術(shù).而我們應(yīng)該注意到，這些粉碎分選設(shè)備往往是非常耗能的，并且這些設(shè)備的體積巨大，會占用較多的空間.與之相反，我國的人力成本較低，所以粉碎前我們可以較多地采用人工拆卸方式，提高汽車的內(nèi)部材料和部件的再利用率，另一方面，大多數(shù)的汽車回收企業(yè)一般難以承受高價位的大型設(shè)備，因此研究開發(fā)一些具有廣泛適應(yīng)性的柔性化報廢汽車拆解技術(shù)具有十分重要的意義.

1 廢舊小型汽車車身的結(jié)構(gòu)分析

圖1 小型汽車車身結(jié)構(gòu)中的強度分布

為了確保車輛的安全，小型汽車車體的結(jié)構(gòu)由變形部分和形狀保持部分組成.形狀保持部分應(yīng)具有足夠的強度且不容易變形，以保護車內(nèi)乘客的安全.圖1中粗實線表示的區(qū)域是形狀保持區(qū).在車輛的前部和后部的易變形區(qū)用于發(fā)生交通事故時吸收碰撞能量.

車體是由支撐結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)組成的.如圖2所示，垂直方向的支撐結(jié)構(gòu)主要包括一些立柱和結(jié)構(gòu)件，用來支持車體的側(cè)部，并在上下部件之間形成一個安全空間.需要說明的是，用來制造垂直結(jié)構(gòu)所用的材料都是高強度鋼.因此，如果將所有垂直結(jié)構(gòu)的立柱切斷后再進行后續(xù)的拆卸，就能大大降低后續(xù)打包和破碎過程中的能耗.此外，在開放式的車身空間中拆卸座椅等內(nèi)部零件十分容易，也能大大提高勞動效率.如果進一步將車身上的非金屬材料如塑料、玻璃完全清除掉，甚至可以取消破碎和分選的工作.而且由于較大尺寸的廢鋼可以直接用于熔煉，因此在最后的破碎環(huán)節(jié)中，車體無需再粉碎成小塊.

圖2 車身結(jié)構(gòu)的主要布局形式

圖3 報廢小型汽車的拆解回收流程

圖4 柔性拆解單元的基本結(jié)構(gòu)

2 廢舊小型汽車柔性拆解方案

由于傳統(tǒng)的離散式拆解方法既耗時且不容易進行有序的管理，而生產(chǎn)線方式能夠在保證一定的生產(chǎn)效率的情況下降低工人的技術(shù)復(fù)雜度，因此是一種很有前景的拆解流程布局形式.圖3說明了基于生產(chǎn)線的報廢汽車拆解過程，其中包括預(yù)處理，預(yù)拆卸，拆解車身，分離車身與懸掛系統(tǒng)，處理汽車內(nèi)飾件、車體壓縮，然后將車體打包送到鋼鐵廠進行剪碎、廢鋼冶煉.預(yù)處理包括抽取車內(nèi)殘液（殘余汽油，機油，冷卻液等），取下電池和車輪.然后將報廢汽車放置在拆卸工作輸送線上.第一步工作是預(yù)拆卸，其中包括拆除發(fā)動機罩，車門，保險杠和后視鏡.之后，報廢小型汽車轉(zhuǎn)移到車身柔性拆解站.在拆解站內(nèi)擋風(fēng)玻璃和車身立柱將被切斷，然后由機械手拆掉車頂.這樣，在一個開放的操作空間，工人可以輕松地拆卸座椅，方向盤，儀表板和其他內(nèi)飾.最后，將汽車車身轉(zhuǎn)移到液壓打包機上壓縮成便于運輸?shù)慕饘賶K，最后被運輸?shù)戒撹F廠.

圖4是小型汽車車身柔性拆解單元的基本結(jié)構(gòu)，它是整個拆卸線上一個重要的工作站.報廢小型汽車通過托盤從一個工作位置轉(zhuǎn)換到另一個位置.當(dāng)車身進入柔性拆解工作站后，托盤將停止工作，并且由自動夾具進行定位.然后，工作人員調(diào)整剪切工具位置、夾緊機構(gòu)、擋風(fēng)玻璃切割的路線.隨后，拆解工作將由三個子系統(tǒng)進行：（1）擋風(fēng)玻璃切割系統(tǒng)；（2）立柱切割系統(tǒng)；（3）車頂轉(zhuǎn)移系統(tǒng).

2.1 擋風(fēng)玻璃切割系統(tǒng)

圖5所示的是擋風(fēng)玻璃切割系統(tǒng)，將6自由度工業(yè)機器人安裝在可以水平移動的滑臺上，滑臺可以在豎直方向上移動以調(diào)整工作高度.同時，通過沿軌道移動支架也可以沿縱向調(diào)整機器人的位置.為了切割報廢汽車的擋風(fēng)玻璃，考慮到報廢汽車的車型和規(guī)格差別很大，因此切割路徑必須要求能夠自動生成.為了達到這一目的，在支架上安裝了兩個專門設(shè)計的機器人末端執(zhí)行器.一個用來跟蹤擋風(fēng)玻璃的輪廓，另一個用來將擋風(fēng)玻璃從車身上切割下來.機器人能夠自動快速更換這兩種執(zhí)行器.為了提高效率，可以將常見車型的軌跡數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，如果進入柔性拆解單元的報廢汽車類型能夠在數(shù)據(jù)庫中找到，計算機就立即讀取該數(shù)據(jù)文件，并把它下傳給機器人控制器，機器人將根據(jù)數(shù)據(jù)切割擋風(fēng)玻璃.如果計算機中沒有保存該報廢汽車的類型，則應(yīng)啟動一個新的檢測程序.機器人首先將末端執(zhí)行器更換為輪廓檢測傳感器，然后帶動輪廓檢測器沿?fù)躏L(fēng)玻璃表面移動.如果輪廓探測器檢測到金屬邊緣則把該點的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)反饋到機器人控制器.需要說明的是，為了提高效率，并不對擋風(fēng)玻璃的輪廓進行逐點檢測，而是根據(jù)NURBS （Non-uniform rational B-spline）理論只對特征點數(shù)據(jù)進行檢測即可.最后根據(jù)這些特征點擬合出擋風(fēng)玻璃輪廓的三維空間曲線.當(dāng)然，這種新的軌跡和汽車型號應(yīng)立即保存在計算機中.因此，隨著擋風(fēng)窗切割系統(tǒng)的應(yīng)用，拆解效率將顯著提高.

2.2 立柱切割系統(tǒng)

與擋風(fēng)窗切割系統(tǒng)不同，立柱切割系統(tǒng)是手動操作的半自動化機電系統(tǒng).如圖4所示，傳送線的兩側(cè)有兩對液壓剪切工具，用來剪切車身兩側(cè)的立柱.工人只需要對一側(cè)的剪切工具進行操作即可，如調(diào)整高度和縱向位置，而另一側(cè)的剪切工具在隨動控制系統(tǒng)的作用下會進行對稱的動作，因此可以減少操作工人的數(shù)量.立柱被分為兩組，前立柱和后立柱.如圖2所示，對a類型車輛，A柱和B柱被定義為前立柱，C柱被定義為后立柱.對于b類型車輛，A柱被定義為前立柱，C柱定義為后立柱.然而對于c類型車輛A，B和C柱被定義為前立柱，D柱被定義為后立柱.因為后立柱較寬，對液壓剪切工具的尺寸要求較大，因此所采用的剪切方式和前立柱的剪切方式不同.

2.3 車頂轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

當(dāng)采用液壓剪切工具對車身立柱進行剪切時，必須通過安裝在縱向托架上的夾緊機構(gòu)固定車頂?shù)奈恢靡苑乐姑撀?夾緊機構(gòu)可以沿著縱向方向和垂直方向調(diào)整.夾緊機構(gòu)通過滑輪和電機來驅(qū)動.當(dāng)報廢汽車進入柔性拆解工作站后，工人沿縱向調(diào)整夾緊機構(gòu)的位置，以確保可以正確夾持車頂.當(dāng)所有立柱都被切斷后，托架將沿橫向梁運動到存儲架上方并將其存放到料箱中.

圖5 擋風(fēng)玻璃切割系統(tǒng)

3 結(jié)束語

從我國的基本國情出發(fā)，開發(fā)柔性化和適應(yīng)性強的拆解裝備能夠降低報廢汽車拆解企業(yè)的投資規(guī)模.這種模式能夠大大降低整個拆解流程中的能源消耗，提高材料利用率和拆解全過程的經(jīng)濟效益.另外，經(jīng)過這種相對精細(xì)的拆解過程后，最后進入破碎和分選階段的車體中所含的各種雜質(zhì)和廢料的比例也大大降低，對報廢汽車拆解回收過程中的環(huán)境保護工作也具有一定的幫助.

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A Research on Flexible Disassembly Technology for End-of-Life Vehicles

DAI Guo-hong1,2,ZHOU Zi-qiang1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China; 2.Suzhou Key Laboratory of Intelligent Equipment for ELV Recycling Technology,Changshu 215500,China)

According to the analysis of the structure of vehicle body,the scheme of flexible dismantling cell is illustrated.It is composed of a window shield cutting system,pillars cutting system and roof transforming system. By combining other work cell and conveyer line,a product line based on dismantling mode for ELV recycling is implemented.The recycling process that is based on this equipment is introduced.By this means,the energy consumed during the ELV recycling can be decreased considerably.

end-of-life vehicle;recycling;flexible dismantling;industrial robot

X76

A

1008-2794（2012）10-0005-04

2012-08-22

戴國洪（1966—），男，江蘇吳江人，教授，工學(xué)博士，研究方向：數(shù)字化制造技術(shù)與裝備．