一種柔性頂蓋總成自動焊拼臺設計

陳長

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

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一種柔性頂蓋總成自動焊拼臺設計

陳長

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

摘 要：頂蓋屬于白車身外部覆蓋件，具有面積大、造型復雜的特點，一般頂蓋總成的焊裝會放在單獨的拼臺生產，而在一個拼臺上實現兩種車型頂蓋總成的柔性焊接，并同時采用自動焊的設計難度很大。介紹了一種全新的拼臺設計理念，通過簡潔、模塊化和集成化的工裝和自動焊結構設計，結合簡單的氣控和電控程序，實現了在同一個拼臺工位對2種車型頂蓋總成進行柔性焊裝。

關鍵詞：頂蓋總成；自動焊；柔性焊裝

汽車工業作為一個國家的支柱產業，其水平的高度在一定程度上代表了一個國家工業水平的高度。汽車行業的競爭實際上就是汽車質量的競爭，汽車生產成本的競爭，汽車經濟效益的競爭。當前全球汽車企業之間的競爭越來越激烈，為了在激烈的市場競爭中贏得先機，各汽車廠家的新款車型推出周期越來越短，同時，隨著年輕的消費者對汽車產品個性化需求越來越高，傳統的單一大批量剛性生產方式正逐漸被小批量、多品種、個性化的柔性生產模式所代替。因此，快速的響應市場多元化的需求，建立柔性化的生產線，縮短新車型的推出周期對汽車企業至關重要。

汽車車身夾具作為汽車生產線的關鍵技術之一，其柔性水平很大程度上決定了生產線柔性的水平，傳統的汽車焊裝夾具一般只能滿足單一零件的工件裝夾，當工件更換時，夾具也隨之更換，這不斷浪費了大量的資源和生產成本，而且間接延長了整個生產線和新車型的研發周期。因此，研制柔性化的汽車焊裝夾具對于柔性生產線的實現和新車型的研發具有重要的意義［1］。所謂柔性焊裝線，是指通過自動切換夾具機構和電氣控制程序等手段實現多種車身拼裝焊接的焊裝線。其特點主要有自動化程度高、一次性投資大、夾具機構復雜、使用維護成本高、技術含量高等。柔性生產線一般需要采用大量的焊接機器人、搬運機器人、夾具切換裝置、自動焊接設備和PLC控制系統等。由于總成結構特點及投資的限制，沒有必要全部實現自動化或柔性化，大多數汽車主機廠只將地板線或主焊線規劃成為柔性焊裝線［2］。

本文針對一個單一的頂蓋分拼臺進行了研究，提出了一種針對2種車型頂蓋總成進行柔性化自動焊裝的新工藝，并在實際運用中取得了良好的效果。

1　設計目的

首先需要了解頂蓋分拼臺的設計目的，在車身線焊裝過程中，由于頂蓋是由薄型鋼板沖壓而成，屬于面積大、造型復雜的車身外部覆蓋件。其焊裝質量要求較高，因此工藝也較為復雜［3］。頂蓋總成一般包括頂蓋前橫梁、頂蓋后橫梁和頂蓋中間的支撐梁和頂蓋上的其他小零件。頂蓋橫梁位于頂蓋下部，主要起加強頂蓋強度和固定內部零件的作用［4］。一般頂蓋的前橫梁和后橫梁會放到主線上和左右側圍總成一起裝焊，而頂蓋中間的橫梁和頂蓋會放到單獨一個工位（頂蓋分拼臺）進行裝焊，在頂蓋分拼臺焊好后，再把頂蓋總成送到主線和白車身裝焊。有的時候，頂蓋分拼臺還會裝焊頂蓋上的小支架、頂蓋流水槽上的銷釘和粘貼減震膠等頂蓋上的其他部件。

2　設計內容

了解了頂蓋分拼臺的設計目的后，以一個實例來分析如何設計柔性的自動焊接頂蓋分拼臺。

首先要分析待共線的2種車型頂蓋總成的結構和型面，把兩個頂蓋總成按其汽車絕對坐標裝入UG數模，如圖1所示：頂蓋總成A和頂蓋總成B的外觀尺寸大致相近，可將分拼臺底板設計為長2 500 mm×寬1 200 mm×高400 mm，由圖可見兩頂蓋基本覆蓋在底板包絡范圍內，頂蓋總成距離地面的高度為900 mm，方便人工安裝頂蓋和頂蓋上的橫梁。

圖1　兩車型頂蓋外觀

如果按頂蓋的絕對坐標來設計工裝夾具和自動焊，要實現柔性共線的難點很大，兩個頂蓋在X、Y、Z三個方向都存在一定的偏差。從兩頂蓋外觀特征以及焊接橫梁的結構、數量和相對位置綜合考慮，把頂蓋總成A放在它的汽車坐標絕對位置，而把頂蓋B由其決定坐標a位置移到如圖2所示的b相對位置，這樣布置的好處是可以把兩頂蓋橫梁處的Z向坐標基本保持一致，頂蓋拼臺中線在兩頂蓋的中心，工裝和自動焊可以按左右對稱來設計加工。

圖2　兩車型頂蓋相對位置

工裝定位夾具是保證零件質量的基礎。對柔性頂蓋分拼臺的工裝設計，采用了模塊化和集成化的設計理念，盡量保證工裝的整體一致性和簡單實用性。

（1）工裝模塊1：流水槽的柔性定位

一般頂蓋流水槽的定位需要下部的定位面和上部的壓緊面，同時為了保證頂蓋總成在頂蓋分拼臺上Y向的尺寸，頂蓋還需要有Y向的限位。

由圖3可知，兩頂蓋的Y向差距大概是在20～25 mm左右，通過1個小型的導向缸1，控制限位塊和導向桿，限位塊作用是限制頂蓋的Y向（有調整墊片可調），導向桿是方便頂蓋能順暢地落入拼臺上。兩個頂蓋定位塊是固定在連接板上的，通過兩個普通夾緊缸2控制各自的壓頭，對應不同車型的頂蓋，用氣缸控制壓頭打開或夾緊。圖中點劃線狀態是壓頭打開的模擬狀態，氣缸行程的選型和壓頭的設計都需要模擬出打開狀態來避免和零件干涉。

圖3　流水槽定位

流水槽的柔性定位工裝整體布局如圖4所示，高亮顯示的壓頭是打開狀態，其他壓頭是夾緊狀態，此時顯示是頂蓋A的定位。切換到頂蓋B時，則壓頭工作狀態相反。

圖4　流水槽定位整體布局

（2）工裝模塊2：頂蓋后部定位

頂蓋后部因為有定位銷孔及后部型面較復雜的特點，定位結構與流水槽有所不同。如圖5，兩定位銷可做成固定結構互不干涉，頂蓋A的壓頭用鉸鏈式機構，保證壓頭打開的角度足夠大，可以避讓頂蓋B的升降，通過1個行程為80 mm的導向缸控制頂蓋后部的導向桿。同時頂蓋后部還增加了兩個感應開關，通過電控來識別不同車型頂蓋，繼而控制工工裝和自動焊進行焊接。

（續下圖）

圖5　頂蓋后部定位

（3）工裝模塊3：頂蓋橫梁柔性定位

頂蓋橫梁的定位采用如圖6所示的機構來完成。氣缸1對應頂蓋總成B的頂梁的焊接，它控制兩個定位塊和定位銷1的運動，氣缸2對應頂蓋總成A的頂梁的焊接，它對應兩個定位塊和定位銷2的運動。當焊裝頂蓋總成B時，氣缸1通氣，定位塊和定位銷1升起，氣缸2不通氣，對應的定位塊和定位銷2下降，可以裝焊B的橫梁。當焊裝頂蓋總成A時，兩氣缸的運動反過來。總之可以通過氣控來實現氣缸1和氣缸2的相對運動來實現柔性切換，對應的限位塊是控制氣缸的運動行程，避免工裝和工裝以及工裝和零件之間的相互干涉。

圖6　頂蓋橫梁定位

柔性分拼頂蓋上其他幾根橫梁的定位也采用類似的緊湊機構來集成設計。

（4）工裝模塊4：滑移焊鉗

因為兩頂蓋Z向的差別不大，滑移焊鉗結構的設計如下圖7，滑移焊鉗設計成X向和Y向可調，再采用兩端都可打開（可補償高度差）的焊鉗來補償Z向的高度差。

通過氣缸1帶到導軌滑塊滑動可實現焊鉗X向的滑移，通過氣缸2連接黃色的連接板來實現焊鉗Y向的滑移，同時為保證焊鉗的焊點位置，需加限位塊和調整墊片來控制X向和Y向的位置，避免邊緣焊點。

圖7　滑移焊鉗

圖8所示是焊鉗兩種狀態下焊接兩種車型橫梁的示意圖，當焊車型A的橫梁時，焊鉗是實線狀態，當焊車型B時，焊鉗通過雙向滑移移到雙點劃線表示的狀態，保證焊鉗不會與頂蓋及橫梁干涉。

圖8　滑移焊鉗焊接狀態

（5）工裝模塊5：自動貼膠托盤

由于車型A的頂蓋總成上還有四塊減震膠需要粘貼，為此還需在柔性頂蓋分拼臺上布置自動貼膠托盤，如圖9所示，由于貼膠面較大且不平整，減震托盤的的尺寸是300 mm×200 mm.貼膠托盤的高度需在現場根據實際情況來進行調整。從圖10中可以看出有四顆螺釘穿過過渡座頂住貼膠托盤，它們是通過螺紋的旋轉起到調整托盤高度的作用。另外四顆螺釘通過螺紋孔和托盤連接，它們起固定托盤的作用。為避免托盤頂住頂蓋，托盤上還可以貼一層海綿起緩沖作用。

圖9　貼膠托盤

圖10　螺釘調整示意圖

所有工裝集成模塊搭建好后，最后是布置自動焊變壓器、導流銅排和電纜。因為頂蓋分拼上集成的工裝數量和滑移焊鉗機構較多，銅排和電纜的布置也會相對復雜一點，因為連接焊鉗的電纜是軟電纜，可以充分發揮軟電纜的柔性，設計的難點是需綜合考慮銅排和電纜的布置來避免干涉。

柔性頂蓋分拼的整體布局如圖11所示。

圖11　柔性自動焊頂蓋分拼整體布局

最后是電氣控開關的控制和接線布置。所有的機械機構都是系統的執行系統，存在如何將這些執行系統按照工藝要求進行正常運轉并實現它們之間的互鎖關系，以保證運行中不因誤操作導致系統發生故障或損壞；如何識別車型信息以切換工裝夾具機構，為解決這些問題，還需要配備一個完整的電氣控制系統，通過PLC控制器及車型到位的感應開關即可實現兩種車型頂蓋的柔性自動化生產。

3　結束語

本柔性頂蓋分拼的設計提出了一種如何在分拼線實現柔性自動化生產的一種設計方案，目前已經在SGMW重慶分公司CN112/CN050V柔性生產線上得到了驗證，對比單一的頂蓋分拼線，此設計節約了大量場地成本和制造成本，且維修方便，提升了自動化率和生產節拍，為今后的頂蓋總成柔性線自動化設計提供借鑒。

參考文獻：

［1］王祖建.車身激光焊接夾具設計與入射角對焊接質量影響的研究［D］.長沙：湖南大學，2010.

［2］李占營，年雪山，魏迎旺.論轎車車身柔性焊裝線的規劃及應用［J］.汽車工藝與材料，2010，（9）：17-20.

［3］陸春偉.一種轎車頂蓋機器人柔性焊裝工藝的研究［J］.焊接技術，2012，41（11）：20-23.

［4］高云凱，程金山，于會濤.鎂合金轎車頂蓋橫梁結構設計與分析［J］.汽車技術，2008，（4）：9-12.

A Design of Flexible Welding Line about Roof Assemling

CHEN Zhang
（SAIC—GM—Wuling Automobile Co．，Ltd．，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Abstract：Roof belongs to out full of body in white.It has ability of big areas and complex molding.Roof assemble welding line is always put in sole platform to produce，it is hard to put two different car's roofs in a sole platform to automatic welding.The paper introduces a new design way which realizes two different car's roofs automatic welding flexible assemble by simple，modular and integrate tooling and automatic welding structure，also along with simple pneumatic and electric control procedure.

Key words：roof assembling；automatic welding；flexible welding

中圖分類號：TG42

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0069-04

收稿日期：2015-12-03

作者簡介：陳長（1979-），男，湖南衡山人，碩士研究生，主任工程師，主要研究車身焊裝線工裝夾具的設計開發。