一種車身柔性線多種車型頂蓋運送裝置

霍炳武　肖春燕　劉浩　曾顯政

摘要：國內部分汽車制造廠車身柔性線上多種車型頂蓋的運送由人工操作，這樣會存在車型開發速度快與輔助設備開發緩慢之間的矛盾、人機工程及安全隱患等問題。文章運用軌道機構和吸盤原理，開發一種多種車型頂蓋運送裝置，達到符合簡易自動運送技術的生產要求，滿足單個生產線多種車型的頂蓋上線及轉運要求。

關鍵詞：頂蓋；軌道機構；吸盤；運送裝置；汽車車身 文獻標識碼：A

中圖分類號：U223 文章編號：1009-2374（2016）21-0008-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.004

1 研究背景

隨著國內汽車工業的快速發展和人力成本的逐漸上升，車身工藝自動化已經成為時代發展的必然趨勢。然而現今國內部分汽車廠制造白車身時，車身頂蓋的拼裝運送依舊是人工操作，而人工操作存在以下問題：車型開發速度快與輔助設備開發緩慢之間的矛盾、人機工程及安全隱患等問題。以某公司某車身車間為例，車身頂蓋的運送需要兩名操作工將其安裝到拼臺，同樣也存在類似問題：（1）零件過大不方便取拿，每次拿取零件都會浪費不必要的時間，如果每班次生產計劃350臺，累計時間將很可觀；（2）需要2人操作步行時間浪費共達到10秒；（3）在轉移過程中，容易碰凹或掉落，每班次10臺，需要返修15分鐘，每班次需要返修2.5小時。為解決企業生產中的實際問題，本研究采用一種車身柔性線多種車型頂蓋運送裝置代替人工運送。

2 車身柔性線多種車型頂蓋運送裝置的設計

2.1 結構設計

本機構的工作場所位于頂蓋分拼區域，其設計思路為通過料框-焊接拼臺-機器人取料拼臺中心線，設計吊運中心線，運用吸盤抓取車身頂蓋，并且根據拼臺與轉接臺弧度變化，在地面上增加滑移導軌，實現運送裝置落料后，在不同位置自動達到精準放置。

根據軌道機構和真空吸盤加載技術工作原理，該運送裝置采用氣控升降裝置、氣控防護裝置、獨立吸盤裝置、軌道轉向等結構，組成一種物料吸取、物料運送、物料防護的結構形式，代替傳統人工運送的模式，減少勞動力，提高工作效率，避免零件損壞，保證員工不受傷害等安全問題。

在實際工作區域中，有兩個該運送機構實現車身頂蓋的運送裝配，以下便以前運送機構為例來進行說明。圖1為該機構工作示意圖，本文將重點介紹軌道機構與吸盤的結構設計。表1為機構部件明細表：

2.1.1 軌道機構的設計。本運送裝置的移動機構由到導軌完成，因此軌道機構的設計十分重要。軌道機構的大致分布可從圖1看出，根據拼臺結構形式，在拼臺地面上左右增加一條軌道，實現吊運機構根據軌道軌跡移動，避免偏移。在外框結構的底部增加3個滑輪連接（右側2個滑輪，左側1個滑輪位于右側2個滑輪之間的中心線，滿足左轉彎條件），滑輪與外框連接處增加圓錐滾子軸承，使滑輪水平面360°可旋轉，達到整個框式機構可根據軌道弧形轉彎。由于焊接拼臺線與機器人焊接線不在同一條直線上，因此運送裝置在導軌上需要偏移一定角度，經過計算，設計導軌轉角為135°，實現運送裝置轉彎之后到達指定終點，頂蓋定位沒有偏差，自動達到精準效果。

2.1.2 吸盤機構的設計。在外框結構的頂部上增加氣動葫蘆吊，作為動力裝備，通過氣控元件控制系統，由人工控制、調節控制器實現取料機構在Z方向精確移動。在吊裝框式結構與外框結構，使用配套的導向桿2根，防止被吊取零件在XY方向隨意轉動，在導向桿和外框結構之間增加墊片，使導向桿在XY方向起微調作用。外框結構的連接件為：GB6728-86冷彎矩空心型鋼50X50，并在外框結構上部增加相同材料形成三角結構，加強外框結構的牢固性。吊裝框式結構的連接件為：GB6728-86冷彎矩空心型鋼25X25，結構輕巧，并在吊裝框式結構連接處放置6個吸盤。

實際工作時，拼臺上有兩個10mm的定位銷與頂蓋后部的定位孔配合，每次操作時，為防止拼臺上的定位銷可能會導致零件變形或者是頂蓋定位銷孔變形，必須保證頂蓋落位準確，因此在結構設計時，采用滑移導軌的精確限位和吸盤導向桿的精確固定雙重定位方式，保證了頂蓋在前后輸送及上下升降過程中能夠精確定位。

2.2 優化設計

考慮到生產線的柔性與該機構的推廣性，該機構應該滿足多種車型頂蓋的運送，同時也可以應用到其他工作區域，在此就對吸盤機構做以下五點優化設計：

2.2.1 針對不同尺寸零件同一吊點問題，使用外框結構作為物料料架參考點/停止點，不同物料切換時，可實現不需手動調節吊點，對不同車型的零件同時吊裝轉運，進而配合主線完成柔性生產不同車型的需求。

2.2.2 使用吊裝框式結構的鏈接件材料換成強度高、耐磨性好的鋁合鋼材料，從而使結構輕巧，同時，鏈接方式也由開始的焊接方式改為螺桿鏈接方式，這樣便于吊裝框式結構安裝、調節以及更換零部件。

2.2.3 頂蓋的吸取采用6個可在Z向做升降的彈簧式套桿進行定位，用以彌補不同車型在Z方向的差異，吸盤選擇獨立式吸盤，可避免某個吸盤吸失效，其他吸盤也能吸住零件，同時因為不同頂蓋，吸取面的弧面不一致，所以頂蓋吸盤在X/Y方向不能是固定不動的，必須是可自動活動的，這樣才能更好地與不同頂蓋型面貼合，防止吸盤漏氣導致零件墜落，造成零件損壞及安全風險，現場設計時，每個吸盤上方都采用了一個萬向機構與吸盤連接。吸盤結構實際圖如圖2所示：

2.2.4 考慮到頂蓋有天窗和非天窗之分，天窗框架會讓整個頂蓋的重心偏向天窗一側，因此吊取吸盤數量及吸取位置必須在設計上解決可能出現的吊取不平衡問題，在設計上，吸盤采用三對（6個）雙列布置；針對分拼臺焊接后頂蓋總成，吊裝方式的吊裝框式結構為：一對吸盤靠近天窗型頂蓋側，另外兩對遠離天窗的非對稱式布置。

2.2.5 在吊裝框式結構上增加防落機構，通過氣缸與轉軸連接，推動防落裝置，當吸盤失效時，防落機構也能保護零件，使零件無法掉落。

2.3 輸送裝置運作

該運送裝置的正常工作循環可以分為以下四個動作：

2.3.1 吸取頂蓋：人工通過控制氣動葫蘆升、降開關按鈕進行分導氣源，使氣動葫蘆內部運轉工作，氣動葫蘆的鋼絲繩連接外框機構，使外框機構整體下降，使吸盤貼近頂蓋，然后吸盤接入高壓氣源，人工操作氣動元件導氣開關按鈕，控制主導氣主閥的氣源至氣動元件真空發生器，連接吸盤，吸盤產生吸力，從而吸住頂蓋。然后控制外框機構整體吸住頂蓋上升到指定高度，動作結束，準備下一個動作。

2.3.2 運送頂蓋：人工控制運送裝置吸住頂蓋，按照指定的軌道（設計好的導軌），平穩準確地將頂蓋運送到下一個工位，動作結束，準備下一個動作。

2.3.3 釋放頂蓋：人工控制外框機構整體吸住頂蓋下降，吸盤內充入空氣，釋放吸力，從而使吸盤與頂蓋分離，然后外框機構整體上升，動作結束，準備下一個動作。

2.3.4 復位：人工控制運送裝置，按照指定的軌道（設計好的導軌），平穩準確地回到原點，動作結束，準備下一個循環。

2.4 關鍵技術難題

在設計該運送機構時，遇到以下四個關鍵技術

難題：

2.4.1 在吊裝框式結構與外框結構連接處，使用配套的兩根導向桿，通過夾板夾住導向桿撐套，加墊片控制X方向的相對穩定，防止被吊取零件在XY方向隨意轉動，并保正導向桿在Z方向能夠正常移動。

2.4.2 在外框結構的底部增加滑輪機構，滑輪與外框結構連接處增加圓錐滾子軸承，使滑輪水平面360°可旋轉，并在拼臺地面增加軌道，實現外框結構可在軌道上正確移動，確保被吊裝零件在X方向正常移動，Y方向的定位以鋪設導軌為參照物。

2.4.3 在吊裝框式結構上增加防落機構，通過氣缸與轉軸連接，推動防落裝置，當吸盤失效時，防落機構也能保護零件無法掉落。

2.4.4 由于焊接拼臺線與機器人焊接線不在同一條直線上，因此運送裝置在導軌上需要偏移一定角度，經過計算，設計導軌轉角為135°，實現運送裝置轉彎之后到達指定終點，頂蓋定位沒有偏差，自動達到精準效果。

3 實際生產效果

作為一條生產多種車型的柔性線，頂蓋分拼拼臺可實現兼容多種車型的切換，使得不同車型將使用同一吊運設備，配合主線生產，可達到生產要求，其產生的經濟效益（包括提高生產效率，降低生產成本，節能降耗）如下：

操作步驟優化獲得的節約值Vn為：

Vn=

假定：s=50600元，表示年人均工資；JPH=60元，表示車間的節拍；T=3600秒，表示一小時的時間；t=15秒，表示節約時間；F=3，表示班次，算得Vn=37590。

節約的報廢成本C1為：

C1=n1×m1×v

假定：n1=13，表示報廢部件的件數；m1=12，表示月的個數；v=180元，表示部件的商品價值；算得C1=30420。

節約的返修浪費費用C2為：

假定：t′=14小時，C2=t′×m2×P1×2表示返修耗時；m2=12，表示月的個數；P1=26.77元/小時，表示每小時所需返修花費的資金；算得C2=8994。

減少吊具節約的成本C3為：

C3=St×Pn×P2

假定：St=2，表示工位數；n2=12，表示吊具個數；P2=20000元，表示吊具單價；算得C3=480000元。

則累計節約總額C=Vn+C1+C2+C3=55.7萬元。

4 結語

經過結構設計與實際生產，本文針對頂蓋運送裝置的實際需求，設計了一種車身柔性線多種車型頂蓋運送裝置，來解決人工操作所出現的問題以及多種車型頂蓋運送無需切換裝備的問題，滿足了實際生產需求，并且提高了生產效率，給公司帶了巨大效益。本文按發現問題→查閱文獻→動手操作→解決問題→優化設計的路線，實際問題通過建立模型、受力分析、再計算、校核數據得以理論解決。

然而本文以及該研究還有許多不足之處，如有發現，還望指出。該研究還有待改進，有些地方仍需加強完善：（1）軌道機構的精確性還有待改進。滑輪使用圓錐滾子軸承在軌道上運動存在晃動，難以保證運送機構的精確性；（2）外框結構、吊裝框式結構、氣控升降裝置這三者之間的連接配合有待改進；（3）新型多種車型頂蓋運送裝置的開發。現今的頂蓋運送裝置仍需一名員工操作，隨著機器人技術的發展，一種無人操作的車型頂蓋運送裝置將會產生，來滿足多種車型頂蓋的運送。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）