淺析車身制造生產(chǎn)線輸送吊具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘 要：文章就車身制造過程中簡(jiǎn)易吊具的使用背景，分析了簡(jiǎn)易吊具存在必要性及其對(duì)輸送線的重要意義；介紹了簡(jiǎn)易吊具的結(jié)構(gòu)和分類，對(duì)簡(jiǎn)易吊具在設(shè)計(jì)過程中輸入條件和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析論證。

關(guān)鍵詞：車身制造；輸送線；簡(jiǎn)易吊具；設(shè)計(jì)分析

引言

汽車制造自福特公司在1905年采用流水線生產(chǎn)以來，經(jīng)過100多年的發(fā)展，流水線的制造模式已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并且自動(dòng)化也日漸融入其中。目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家流水線多采用自動(dòng)化方式，具體就是電氣控制輸送方式，更多的采用氣缸、液壓泵、電機(jī)等高成本設(shè)備，這提高了汽車的制造節(jié)拍。但是，針對(duì)我們國(guó)家的實(shí)際情況，絕大部分汽車制造廠家并未一味照搬國(guó)外的汽車生產(chǎn)模式，而更多考慮了制造成本和使用價(jià)值的平衡問題，在汽車四大傳統(tǒng)車間均相當(dāng)程度上采用電動(dòng)葫蘆或者氣動(dòng)葫蘆的生產(chǎn)線輸送方式，使用更多的人力進(jìn)行設(shè)備操作，比如電動(dòng)葫蘆、氣動(dòng)葫蘆和簡(jiǎn)易吊具配合，人力進(jìn)行輸送。這種制造策略是適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和制造能力的，我國(guó)的汽車制造業(yè)在這些年也得到了迅速發(fā)展，這與我們的低成本制造理念是密切相關(guān)的。

在流水線中，輸送方式是重中之重，它關(guān)系著該生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍、人機(jī)操作工程、安全等諸多方面。目前，人力吊運(yùn)方式在國(guó)內(nèi)采用普遍，在車身車間、總裝車間都有相當(dāng)數(shù)量的應(yīng)用。但是各公司工裝開發(fā)過程中對(duì)吊具設(shè)計(jì)流程介紹不多，對(duì)吊具設(shè)計(jì)涉及的廣度和深度沒有明確的認(rèn)識(shí)，這一定程度上影響到吊具設(shè)計(jì)開發(fā)質(zhì)量、制造和安裝調(diào)試進(jìn)度。文章就人力吊運(yùn)（通常有電動(dòng)葫蘆和氣動(dòng)葫蘆兩種）吊具的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，旨在從簡(jiǎn)易吊具的結(jié)構(gòu)、占用空間、重量、人機(jī)操作等方面進(jìn)行探討其設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以更好指導(dǎo)我們對(duì)吊具的設(shè)計(jì)，開發(fā)出實(shí)用、輕量化、易操作的吊具來滿足我們的生產(chǎn)制造需求。

1 簡(jiǎn)易吊具設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

1.1 簡(jiǎn)易吊具的一般結(jié)構(gòu)

圖1

按照工作原理來分，大致有下面幾個(gè)典型結(jié)構(gòu)：吊耳、吊具架、吊鉤三部分。吊耳用來安裝在電動(dòng)葫蘆、氣動(dòng)葫蘆上，接受動(dòng)力輸入（葫蘆中有升降電機(jī)和行走電機(jī)），通常用鏈條來連接，通過升降電機(jī)收放鏈條實(shí)現(xiàn)吊具上下動(dòng)作，同時(shí)葫蘆可以在工字鋼上直線滑移（移動(dòng)速度與行走電機(jī)參數(shù)有關(guān)，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)），實(shí)現(xiàn)上下、前后二維運(yùn)動(dòng)，從而吊運(yùn)產(chǎn)品零件。由于零件的特殊性，通常不同的吊具吊運(yùn)不同的零件，其專有性很強(qiáng)，這在一定程度上也說明了柔性吊具設(shè)計(jì)中會(huì)受到更多的輸入需求的約束，設(shè)計(jì)難度也更大。在此，為了分析方便，將所吊運(yùn)產(chǎn)品零件通常為吊重。

吊耳數(shù)量的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)吊具的平衡有很大的影響。當(dāng)?shù)蹙叩蹉^的連接方式為剛性連接時(shí)，一個(gè)吊耳進(jìn)行吊掛需要考慮吊重加吊具架兩者的重心與吊耳的位置保持豎直狀態(tài)，即要求兩者的重心在空間位置的X、Y汽車坐標(biāo)基本相同，這樣才能保證吊重保持水平起吊狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生太大的傾斜變化；兩個(gè)吊耳進(jìn)行吊掛則要求吊重加吊具架兩者的重心基本保持在兩個(gè)吊耳連線的豎直投影中，三個(gè)及以上吊耳進(jìn)行吊掛要求吊重加吊具架兩者的重心落在吊耳組成的區(qū)域Z向投影中即可。在此簡(jiǎn)單介紹一下汽車坐標(biāo)系，在汽車車身設(shè)計(jì)中采用右手定則確定坐標(biāo)系，X為汽車的長(zhǎng)度方向，Y為寬度方向，Z為高度方向。坐標(biāo)零平面按汽車滿載時(shí)確定，一般取沿車架縱梁上緣上表面平直且較長(zhǎng)一段所在平面作為高度方向坐標(biāo)的零平面，無車架的車輛可沿車身底板下表面平直且較長(zhǎng)一段所在平面作為高度方向坐標(biāo)的零平面；零平面上方為正，下方為負(fù)。將通過汽車前輪理論中心線并垂直于高度方向零平面的平面作為長(zhǎng)度方向坐標(biāo)的零平面。零平面前方為負(fù)，后方為正。把汽車的縱向?qū)ΨQ中心平面作為寬度方向坐標(biāo)的零平面，零平面左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正。以下坐標(biāo)均指上述汽車坐標(biāo)。從數(shù)學(xué)分析中顯知一個(gè)吊耳或者兩個(gè)吊耳的設(shè)計(jì)不利于現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試，因此通常都會(huì)增加剪刀叉機(jī)構(gòu)來進(jìn)行平衡吊具架。剪刀叉可以消除平面傾斜度，殘余力由機(jī)構(gòu)本身承擔(dān)。當(dāng)多吊耳進(jìn)行起吊時(shí)，容易保證吊具架的水平狀態(tài)，通常不會(huì)采用剪刀叉結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)蹙叩蹉^的連接方式為柔性連接，即通過鏈條進(jìn)行連接時(shí)，由于吊重通常體積比較大，吊鉤的數(shù)量通常都為多個(gè)，所以此時(shí)對(duì)吊耳的要求基本同上。基本上，少吊耳的吊具需要剪刀叉進(jìn)行吊具架的平衡，而多吊耳的吊具則不需要剪刀叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊具架的平衡。對(duì)剪刀叉結(jié)構(gòu)，如果吊重在70Kg以上都會(huì)設(shè)置安全防護(hù)裝置，放置在剪刀叉安裝基礎(chǔ)上。由于剪刀叉僅僅是保持吊具架的水平，所以其基本可以認(rèn)為不受力，僅僅是維持水平平衡的一個(gè)力矩差而已。剪刀叉的安裝基礎(chǔ)是和葫蘆剛性相連，剪刀叉下面連著吊具架，通過吊耳柔性鏈接到葫蘆上。吊具架的上升高度與剪刀叉的收縮高度有關(guān)，這需要在設(shè)計(jì)之初就明確的。

吊具架是吊具的主體，通常都是焊接件，材料為有良好焊接性能的低碳鋼，通常選Q235A。其承受吊重的重力作用，在其上按照各種性能要求添加剪刀叉、氣缸、吊鉤的剛性轉(zhuǎn)化零件等，以及鏈條放置位、安裝安全保護(hù)裝置，上面這些統(tǒng)屬于吊具的主體部分，是吊掛等結(jié)構(gòu)的安裝基礎(chǔ)，需要考慮強(qiáng)度和剛度要求。在吊具架上結(jié)構(gòu)布置通常有以下幾種形式：（1）吊鉤+剛性連接+手動(dòng)操作進(jìn)行打開和夾緊。（2）吊鉤+剛性連接+氣控，一般用氣缸控制吊鉤的收縮和打開，在空運(yùn)或者停放時(shí)通常打開，進(jìn)行吊運(yùn)時(shí)將吊鉤收縮到位，吊住零件進(jìn)行輸送。（3）吊鉤+柔性連接+手動(dòng)操作進(jìn)行吊勾和脫勾。這三種形式在車間使用都是非常普遍，通常根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行吊具吊勾方式的設(shè)計(jì)。

吊鉤是連接各部件和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，比如葫蘆的吊鉤是連接吊耳的，這里主要指吊掛產(chǎn)品零件的鉤子，通常針對(duì)汽車零件的吊掛位置進(jìn)行力學(xué)等分析，然后再確定吊鉤的形式為柔性連接抑或剛性連接。吊鉤有時(shí)吊掛A面，則需要增加尼龍墊塊，以防止吊掛時(shí)刮傷A面。吊鉤非標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)要注意強(qiáng)度校驗(yàn)，防止吊掛強(qiáng)度不足。

1.2 簡(jiǎn)易吊具的分類

按照吊具的動(dòng)力來源不同，可以分為電動(dòng)葫蘆吊具、氣動(dòng)葫蘆吊、助力吊掛；按照功能分類，可以分為上線吊具、下線吊具、拼臺(tái)間輸送吊具；按照吊掛形式來分，又可以分為自動(dòng)吊鉤、人力吊掛兩種。

1.3 簡(jiǎn)易吊具設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)

下面就簡(jiǎn)易吊具在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需要注意的幾點(diǎn)著重介紹如下。在進(jìn)行受力分析之前，我們需要明確一下吊具內(nèi)部各部件的相對(duì)位置關(guān)系。對(duì)簡(jiǎn)易吊具而言，吊具架是是連接吊重與葫蘆的部分，進(jìn)行吊運(yùn)時(shí)吊具架可以上下、前后移動(dòng)。至于吊鉤，可以人力輔助勾吊，也可自行定位勾吊，相對(duì)吊具架有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

1.3.1 平面傾斜度

首先明確我們的設(shè)計(jì)意圖：（1）當(dāng)?shù)蹙呖蛰d時(shí)，即沒有吊重時(shí)，要求吊具架在吊耳作用下保持水平狀態(tài)；（2）當(dāng)?shù)蹙叩跗鹆慵r(shí)，要求吊重保持水平狀態(tài)。這兩者中條件2必須滿足，條件1讓步滿足，最好都要盡量滿足。

當(dāng)采用一個(gè)吊耳時(shí)，首先葫蘆吊起吊具架，當(dāng)然吊具架上安裝有各種機(jī)構(gòu)，這時(shí)如果要保持吊具架為水平狀態(tài)，理論上要求吊具架的重心要在吊耳的豎直下方，即保持X、Y值相同。如果兩者相差太遠(yuǎn)，就會(huì)導(dǎo)致吊具架明顯的傾斜。當(dāng)X值偏差過大，會(huì)導(dǎo)致吊具架和吊重呈現(xiàn)前后傾斜的姿態(tài)，如果Y值偏差過大，會(huì)導(dǎo)致吊具架和吊重呈左右傾斜的姿態(tài)。下面就是單吊耳時(shí)吊具架與葫蘆在空載時(shí)的簡(jiǎn)單示意圖2，當(dāng)?shù)蹙咧匦奈恢迷邳c(diǎn)1處時(shí)吊具架保持水平；當(dāng)?shù)蹙呒艿闹匦脑谖恢?時(shí)，吊具架就會(huì)傾斜，傾斜角度為23連線與豎直方向的夾角，其中點(diǎn)3位吊耳的懸掛點(diǎn)。對(duì)于空載時(shí)吊具架的重心，我們可以控制其在Y向保持與吊耳的Y值相同，這樣即使吊具架發(fā)生傾斜，僅發(fā)生在XOZ平面，即吊具架呈前后傾斜狀態(tài)，同時(shí)可以優(yōu)化吊具架的結(jié)構(gòu)或者增加配重來調(diào)節(jié)重心位置，改善傾斜狀態(tài)。此時(shí)，吊具架的平面傾斜度就是23連線與13連線的夾角。

1、2-吊具架的重心位置，3-葫蘆懸掛點(diǎn)

圖2 空載時(shí)吊具架與葫蘆連接示意圖

當(dāng)?shù)蹙叩跗鹆慵螅覀優(yōu)楸３至慵诘跗饡r(shí)保持水平狀態(tài)，也要注意保持其重心符合一定的幾何條件。有三個(gè)理論重心需要關(guān)注：吊具架的重心1、吊重的重心2、吊具架和吊重兩者的合成重心3，這些都可以在設(shè)計(jì)過程或設(shè)計(jì)之初確定的。從數(shù)學(xué)分析，重心3必然是重心1和重心2的杠桿平衡點(diǎn)。當(dāng)?shù)蹙呒芎偷踔貏傂赃B接時(shí)，我們要求的是零件在吊起的狀態(tài)保持水平，所以我們最終要保證重心2與吊耳在同一條豎直直線上，即重心2的X、Y值要與吊具架的吊耳的X、Y值相同。實(shí)際上這很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿绻慵诘跗饡r(shí)保持水平，數(shù)學(xué)反求可知，重心2的X、Y值要與吊具架的吊耳的X、Y值相同；又知重心3的X、Y值要與吊具架的吊耳的X、Y值相同，且重心3重心1和重心2的杠桿平衡點(diǎn)，這就要求重心1的X、Y值要與吊具架的吊耳的X、Y值相同。設(shè)計(jì)很難滿足三者的重心恰好在同一條豎直線上。現(xiàn)在這點(diǎn)很多設(shè)計(jì)者并沒有注意到，很多的吊具設(shè)計(jì)存在著這樣的缺陷，到最后只能在安裝階段進(jìn)行彌補(bǔ)，增加了安裝調(diào)試的難度，這些問題其實(shí)是來源于設(shè)計(jì)階段沒有很好的控制實(shí)現(xiàn)保持水平的幾何條件。

在汽車車身設(shè)計(jì)中通常Y向基本對(duì)稱，所以在左右傾斜方面程度不大，可以接受略微傾斜。在X向需要我們重點(diǎn)關(guān)注，如果車身傾斜過大，一是不利于輸送，因?yàn)檐嚿碓谇斑M(jìn)過程中掃略面積增大，需要更大的空間通過，也需要吊具升起更高高度，客觀上影響到了鋼結(jié)構(gòu)的布置，這些都是先期輸入，不會(huì)因?yàn)榈蹙叩脑O(shè)計(jì)進(jìn)行更改；二是不利于產(chǎn)品定位，傾斜過大，使得車身進(jìn)工裝定位銷困難，很難放置產(chǎn)品，同時(shí)也會(huì)對(duì)定位銷造車損壞。對(duì)于吊具設(shè)計(jì)，吊重的重心2是輸入條件，吊具架是我們的設(shè)計(jì)對(duì)象，需要控制吊耳的安裝位置，除去結(jié)構(gòu)、力學(xué)、空間的考慮外，還要控制幾何條件。吊具的實(shí)際狀態(tài)為吊耳懸掛點(diǎn)與重心3在同一條豎直直線上，如果要保持吊重的水平狀態(tài)，就要求重心2和重心1兩者的質(zhì)心與吊耳有相同的X、Y值，這需要調(diào)整重心1的位置；這與空載時(shí)重心1的位置基本確定有一定的沖突，這需要在兩者之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，同時(shí)近似滿足兩者，優(yōu)先滿足條件2。

通過上述分析，可以知道當(dāng)采用一個(gè)吊耳吊掛吊具架，吊具架和吊鉤剛性連接時(shí)，吊重若保持理論水平狀態(tài)，可以通過增加配重來改變吊具架的重心進(jìn)而改變兩者重心的位置；這可能會(huì)影響空載時(shí)吊具的水平狀態(tài)，需要尋找一個(gè)平衡即要求吊重基本保持水平又要求空載吊具架傾斜角度不致過大。此時(shí)吊重的平面傾斜度為34連線與豎直方向的夾角，該角度需要控制在一定的范圍內(nèi)，保持吊重處于近似水平狀態(tài)。

下面再就多吊耳的平面傾斜度再分析一下，也即3個(gè)或以上的吊耳通過柔性鏈條與葫蘆連接。以3各吊耳設(shè)置為例，設(shè)計(jì)時(shí)吊具架重心可以大致確定，根據(jù)結(jié)構(gòu)可以微調(diào)；采用不同長(zhǎng)度的鏈條使得葫蘆懸掛點(diǎn)與吊具架的重心保持豎直，則基本保證空載時(shí)吊具架處于水平狀態(tài)。這個(gè)安裝調(diào)試的工作比較簡(jiǎn)單，鏈條長(zhǎng)度可以在設(shè)計(jì)初給出參考，以便于調(diào)整。

1為吊具架重心 2-葫蘆懸掛點(diǎn)

圖4空載時(shí)葫蘆與吊具架連接示意圖

當(dāng)?shù)蹙呒芟碌鯍飚a(chǎn)品零件時(shí)，吊重有一重心，該重心位置一般不能改變。這個(gè)重心的位置與圖三中空載的吊具架的重心可能不在一條豎直直線上，會(huì)導(dǎo)致吊重不能保持水平狀態(tài)。這個(gè)問題比較容易解決，通常設(shè)計(jì)時(shí)以吊重為輸入條件，很容易控制吊具架的重心位置，然后再通過柔性鏈條來控制葫蘆懸掛點(diǎn)的位置，理論和實(shí)踐都一致證明這個(gè)很容易實(shí)現(xiàn)三者同在一條豎直直線上，從而來保證吊重的水平狀態(tài)，來滿足輸送過程空間及人機(jī)工程的要求。其他情形的分析方法同上，不再一一贅述。

1.3.2 力學(xué)平衡分析。單吊耳時(shí)，吊重受有重力和吊鉤的拉力，兩者保持平衡。依據(jù)產(chǎn)品本身的剛度會(huì)在產(chǎn)品選擇合適的位置進(jìn)行吊掛，在產(chǎn)品本身較重的情況下還需要對(duì)吊鉤的柔性鏈條進(jìn)行強(qiáng)度方面的校驗(yàn)，保證吊掛不會(huì)發(fā)生斷裂失效。吊具架受有吊具本身的重力、柔性鏈條對(duì)吊具架的下拉力、葫蘆對(duì)吊具架的拉力（作用點(diǎn)在吊耳處）；此時(shí)，危險(xiǎn)截面應(yīng)為葫蘆吊耳的柔性鏈條處，應(yīng)該對(duì)鏈條規(guī)格如截面直徑加以限制，保證強(qiáng)度要求。

多吊耳時(shí)，吊具結(jié)構(gòu)的受力狀況得以好轉(zhuǎn)，鏈條受力被分散，安全系數(shù)增加。總體來說，在受力分析這方面，可以利用更多的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3.3 人工操作事項(xiàng)。簡(jiǎn)易吊具的輸送通常都有人工輔助，在吊重上升過程中，操作者人工輔助可以保證吊重基本處于水平狀態(tài)，還可以放置吊重在上升過程中的水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)到，使得吊重平穩(wěn)升降和前進(jìn)。這些都會(huì)存在一定的安全隱患，需要操作者注意操作規(guī)程，防止事故發(fā)生。

當(dāng)?shù)蹙哌\(yùn)動(dòng)部分出現(xiàn)卡滯時(shí)要及時(shí)檢修，更換新零件。由于吊具重量大，且屬高空工作，其危險(xiǎn)程度較高，所以必須注意日常保養(yǎng)工作，出現(xiàn)問題要馬上解決。

2 簡(jiǎn)易吊具的發(fā)展方向

2.1 缺點(diǎn)

體積大，重量也大，占用相當(dāng)?shù)目臻g，一定程度上影響輸送便利性和員工的操作性；簡(jiǎn)易吊具的動(dòng)力源選擇有限，電動(dòng)/氣動(dòng)葫蘆的縱向滑移速度有一定的限制，會(huì)對(duì)高節(jié)拍有所影響。

2.2 優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊接強(qiáng)度較好；型鋼下料，利于加工；安裝調(diào)試方便。

2.3 發(fā)展方向

現(xiàn)在的焊接吊具架一般都比較笨重，因此輕量化一直是汽車輸送吊具的改進(jìn)方向。可以改變使用材料，優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)等方法進(jìn)行減重，目前還處于探索狀態(tài)。另外，由于現(xiàn)在生產(chǎn)線都在追求柔性化和高節(jié)拍，所以對(duì)葫蘆的輸送速度要求提高，目前葫蘆的前進(jìn)速度略慢，在基于安全的前提下還有提速的空間，所以這應(yīng)該也算是簡(jiǎn)易吊具的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。最后，由于現(xiàn)在的簡(jiǎn)易吊具往往體積龐大，操作性比較差，考慮到人機(jī)工程，減小簡(jiǎn)易吊具的體積增加其操作性也應(yīng)是簡(jiǎn)易吊具的發(fā)展方向。以我們目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平來看，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)我們的制造業(yè)可能還會(huì)繼續(xù)使用簡(jiǎn)易吊具，因此也需要我們對(duì)簡(jiǎn)易吊具的設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試進(jìn)行一定關(guān)注，來保證汽車焊裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)水平。

3 結(jié)束語

針對(duì)簡(jiǎn)易吊具存在的生產(chǎn)現(xiàn)狀，分析簡(jiǎn)易吊具的優(yōu)缺點(diǎn)和今后的發(fā)展方向。重點(diǎn)關(guān)注簡(jiǎn)易吊具在設(shè)計(jì)過程中忽略的設(shè)計(jì)要求，明確吊具設(shè)計(jì)的兩大前提：（1）當(dāng)?shù)蹙呖蛰d時(shí)要求吊具架保持水平狀態(tài)；（2）當(dāng)?shù)蹙叩跗鹆慵r(shí)，要求吊重保持水平狀態(tài)。通過引入平面傾斜度分析單吊耳和多吊耳兩種情況下吊重的水平保持狀態(tài)，介紹了設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試過程中各個(gè)注意事項(xiàng)。當(dāng)然還有一些考慮不到或者不周全的地方，敬請(qǐng)指正。

作者簡(jiǎn)介：李飛（1981-），男，河南南陽，工程師，碩士，目前主要從事車身工裝夾具設(shè)計(jì)、汽車焊裝生產(chǎn)線的開發(fā)工作。