柔性焊裝線的規劃及應用

何道聰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

柔性焊裝線的規劃及應用

何道聰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

論述了目前汽車生產制造模式的轉變，即從過去的單品種大批量生產模式到目前的多品種小批量生產模式的轉變，闡述了柔性焊裝線的特點和設計規劃需要考慮的因素，詳細介紹了適用于公司產品結構及廠房空間要求的多車型柔性線規劃設計及應用。

柔性；焊裝線；工藝規劃

目前，工業用地資源緊缺，汽車企業需在有限的工廠空間進行多品種車型的生產制造；另一方面，汽車車型的多樣化及更新換代的速度需不斷滿足市場需求。傳統的單車型專用焊接生產線在用地成本、固定資產投資成本方面造成極大的浪費。因此各汽車主機廠逐漸開始引進柔性焊裝生產線，即一條焊裝線可以實現多個車身的焊接生產，這樣不但減少了工裝夾具的投入，還縮短了生產線的開發周期。其廠房、公用動力設施和通用設備只需一次性投入即可，每次開發新車型，只需要增加專用車型的設備工裝。在開發新車型時，不需要新建或拆遷現有的焊裝線之后重建新的生產線，廠房、設備、公用動力設施等都不需重復投資。本文主要闡述了柔性焊裝線的特點和設計規劃需要考慮的因素，詳細介紹了適用于公司產品結構及廠房空間要求的多車型柔性線規劃設計及應用。

1　柔性焊裝線的概念及特點

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［1］。

2　多車型柔性焊裝線的規劃

2.1柔性焊裝線規劃需考慮的因素

規劃一條高水平的柔性焊裝線，需要考慮諸多方面的因素，包括產品、節拍、自動化程度、輸送方式、關鍵工位構造形式、物流、廠房結構、場地空間、安全、環保、成本，質量及效率等要求［1］。其關鍵的因素是柔性線需要共線生產車型種類，柔性生產方式（混批還是混流）。以下通過一個實例闡述柔性生產性的規劃過程。

2.2前期策略性輸入

為使規劃設計順利進行并取得良好效果，必須輸入前期策略信息，主要包括：生產節拍、投資策略、自動化率、可生產車型種類及最大車身尺寸、自制或采購策略、場地選址等。

新建柔性焊裝線前期策略輸入如下：

（1）可生產產品：A、B和C兩種車型，其中A車型為非承載式車身，B、C車型為承載式車身結構，預留將來D平臺車型全車型柔性能力；

（2）生產節拍為40JPH，自動化率大于70%；

（3）以混批方式實現小批量品種車型柔性共線生產，生產線體設計考慮與公司內其他柔性線具備互換、移植性；

（4）通過最大白車身尺寸（長×寬×高）：4 800mm ×1 800 mm×1 600 mm；

（5）生產線組成：前車體線、左右側圍線、頂蓋線及主線（含下車體及總拼線），不包括門蓋線。

（6）場地：拆除原老產品線D線，在原址新建柔性生產線。

2.3產品工藝性分析

根據前期制造策略輸入可確定需要共線生產的A、B、C三種車型，以及預留的未來D車型，焊裝生產線的最初規劃決定了它的柔性制造能力，因此規劃初期就需要對產品結構進行工藝性分析，分析產品的分塊模式、結構型式、零件上件流程等，評估幾種產品共線生產的可行性及實現共線生產的難易程度，據此選擇最合適、最經濟的柔性焊接裝線方案。對于未來車型D，在前期開發階段就要輸入MR（制造要求），對產品開發過程進行SE（同步工程）分析，約束產品設計需根據焊裝線的工藝規劃和柔性能力進行設計，滿足柔性制造要求。否則，當零件分塊差異較大，零件上線流程的差異性超出生產線的柔性能力時，后續導入車型將無法共線生產，因此產品工藝性分析數據對于柔性線前期工藝規劃非常重要。生產線規劃前期對可能導入車型的零件上線流程樹進行共性和差異性充分分析后，可以制定柔性線的工藝預留方案，從而確保焊裝線能夠滿足后續車型柔性生產需求。

通過產品工藝性分析，結合制造策略及以往經驗編制柔性生產線的BOP（building of process產品工藝流程圖），BOP主要表達完成一個車身的焊接，是通過什么工序來完成。主要目的是確定焊接工藝路線，確定需要拼焊的焊接總成及上件數量，差異化零件的上線流程，初步確定生產線的工位數量，每個工位工藝內容劃分等，為焊裝線線體規劃設計提供依據。圖1為實例的柔性焊裝線的BOP.

圖1　柔性線BOP

2.4柔性焊裝線的線體設計及布置

柔性焊裝線的規劃首先需要根據BOP及前期策略確定線體的工位數量、工位節距及線體長度，然后，再根據廠房結構、尺寸、物流路線、上下工序的搬運要求等要素確定柔性焊裝線在車間的位置及方向。

柔性焊裝線線體設計關鍵工裝、工藝技術方案確定主要包括：柔性輸送系統技術方案，關鍵工位方案（包含柔性夾具切換技術方案、總拼技術方案、零件上件方案），機器人的應用等，確定了以上關鍵技術方案，柔性焊裝線體結構模式及整體方案也就確定了。

2.4.1柔性輸送系統技術方案

柔性輸送系統主要分線體內輸送系統和線體間輸送系統，線體內輸送指的是主線或分拼線工位間的輸送，線體外輸送指的是分拼線到主線的輸送。

主線輸送線常見有往復式輸送線和輥床加隨行夾具輸送線兩種，往復式輸送線由于臺車定位及線旁夾具的限制，其柔性能力較差，一般能柔性2～3種車型，應用NC柔性夾具可以柔性5～6種車型，但NC柔性夾具成本高，由于受結構限制，后續導入車型差異較大時，將無法實現柔性生產；輸送速度慢，一般需要20 s左右，效率不高。

輥床加隨行夾具輸送線，車身定位由隨行夾具進行定位，通過切換夾具可以實現柔性生產，車型柔性擴展性好，理論上可柔性無限車型。輸送速度快，且速度可調，目前高速輥床能實現工位輸送（工位間距5～6 m）節拍不超過10 s，其中傳輸時間不超過6 s，上升、下降均不超過2 s，快速的輸送不僅縮短了工位之間的傳輸時間，更為后續的焊接或上件留出了更多的時間，提高了機器人或其它設備的利用率。

公司新建柔性線主線采用高速輥床加滑撬加隨行夾具的創新模式，輥床和滑撬作為公共基礎架構不變，車型切換時只需通過機器人插拔切換隨行夾具單元（共六組）即可，不需整體切換滑撬和隨行夾具，大大節省了夾具存儲空間及夾具開發成本，既實現了高速輸送，高節拍生產，又實現了全車型柔性的制造策略，滿足柔性線之間互換、移植性要求。根據側圍加主線布局區域面積（120 m×22m）、廠房鋼構形式及標高、車間物流路線和分拼線的搭配等因素，輸送線選擇直線布局，雙層結構，上層輸送車身，下層空撬返回，輸送線截面如圖2所示。

圖2　輸送線截面

輥床結構見下圖3.

圖3　輥床

線體間的輸送方式主要采用EMS自行小車直線往復或環線輸送，七軸機器往復輸送和機器人直接搬運分總成的輸送方式，根據分拼線與主線的搭配情況及場地布局，前車體總成到主線采用EMS自行小車往復輸送方式，側圍到主線采用EMS小車環線輸送方式。

2.4.2關鍵工位方案

關鍵工位方案主要包含柔性夾具切換技術方案、總拼技術方案、零件上件方案等。公司新建柔性線關鍵工位有：下車體三大總成（前車體、后部下車體及前地板）合拼工位、隨行夾具機器人切換工位、門檻內板及前側板上件工位、前艙上邊梁上件工位、頂蓋上件工位及總拼工位。

（1）下車體三大總成UB10上件工位，前地板和后部下車體由人工推送至線旁，人工吊運至對中臺，對中臺滑移至機器人抓取區域，由機器人抓取上線。前車體由機器人從空中EMS小車抓取上線。工藝布局見下圖4所示。

圖4　下車體三大總成合拼工位布局

三大件的定位夾具的柔性切換方案，使用小車人工進行切換，氣電能源通過快插拔的方式進行切換。夾具基座不動，只切換上部的夾具，如下圖5所示。

圖5　夾具切換示意圖

前地板、后部下車體對中臺及機器人抓手的切換方案：對中臺的夾具結構與三大總成合拼夾具類似，車型切換時，機器人抓手放置到對中臺夾具上跟隨對中臺夾具一起切換出來，如下圖6所示。

圖6　對中臺切換示意圖

由于場地受限，該工位沒有設計夾具存儲庫，不能實現夾具快速自動切換，需手工切換三大總成的合拼夾具，這種方式切換時間較長，效率不高，只能利用停產時間切換，只能滿足混批生產方式，不能滿足混流生產模式。在場地允許的情況下，今后應設計兩個以上的夾具存儲位，通過伺服電機及地面軌導實現線體內夾具自動切換。當需將其中一套夾具切換到線外時，可實現邊生產邊切換，不需停產，減少產能損失。對中臺目前也只有一個，同理，今后設計也應考慮兩個對中臺。

（2）隨行夾具機器人切換工位（見圖7）：UB10工位焊接機器人焊接完成后，由搬運機器人通過第七軸移動將車體搬運至UB20工位，在此之前，空撬移至低位，能源接入，車體由搬運機器人放至隨行夾具上，隨行夾具定位鉤銷夾緊，能源脫離，滑撬脫起車體至輸送機構上層工作位，準備進入UB30工位。該工位左右各一臺機器人，當現有隨行夾具無法實現兼容下一車型時，通過隨行夾具快插拔取下夾具，放至隨行夾具存儲區，并切換新車型隨行夾具放至滑撬上實現柔性生產。該方式理論上可以實現全車型柔性能力。

圖7　隨行夾具機器人切換工位布局

（3）門檻內板、前艙上邊梁、頂蓋等零件上件工位方案：采用精確料框分裝零件并進行定位，機器人抓取上件方式，上件工位內一般設計兩個以上的抓手存放架，當車型超出抓手存放架，無法實現抓手共用時，需將抓手切換出來，導入新車型抓手。目前采用專用切換小車推到精確料位置，機器人將抓取方式進行切換。上件工位的上料口也要至少兩個上料口，以提高上件效率，滿足高節拍要求，同時便于抓手切換，減少車型切換時間，減少產能損失。

（4）柔性化總拼技術

總拼技術是汽車焊接生產線的核心，總拼工位的結構精度直接關系到整車的拼焊質量和精度。采用不同形式的總拼技術，對車型種類、生產節拍、占地面積、平面布置及投資成本，以及今后的車型切換、產品升級都起著決定性的作用［2］。

目前，多車型車身總拼形式有多面翻轉體總拼夾具、OPEN GATE總拼夾具、GBL總拼夾具、機器人切換式總拼夾具等。

多面翻轉體總拼夾具結構示意圖如下圖8所示，這種結構剛性較強，車型切換方式簡單，無需機器人輔助，但結構龐大，占用空間較大，而且作業空間狹窄，因此可以焊接的焊點數量較少。這種夾具方式最多能柔性4種車型，后續擴展車型難度較大［1］。

圖8　多面翻轉體總拼結構

OPEN GATE總拼夾具結構示意圖見下圖9，這種結構具有夾具切換智能化，可實現混流模式生產，生產節拍大、車型柔性化好、幾何尺寸穩定以及后期車型導入對現生產影響較小的特點，但占用空間場地較大，前期投資成本高。

圖9　OPEN GATE總拼夾具結構

GBL總拼夾具結構示意圖如圖10所示，夾具從車身頂部伸入，按車身內部定位基準點在車身內部對車身定位夾緊。這種方式柔性水平高，通用性和互換性最好，投資相對較小，由于夾具存儲在空中，地面占地面積小，可實現混流模式生產，其缺點是生產節拍提升受限，50以上節拍建議不要考慮這種結構。

圖10　GBL總拼夾具結構

機器人切換式總拼夾具見下圖11，主要用機器人抓取不同車型的定位夾具進行裝配和切換，從而實現不同車型的夾具切換和對車身的定位夾緊。根據車身結構可把車身成形夾具分為3可4部分。由機器人抓舉定位夾具進行裝配定位成形，夾緊焊接。其主要特點是結構簡單緊湊，可滿足多車型混流柔性生產，投資成本低，缺點是定位夾具剛性不佳、夾具容變形，難修復。

圖11　機器人切換式總拼

各種結構的總拼夾具各具特點，設計者需要根據車型數量、車身結構特點等具體要求選擇最合適、最經濟的總拼方式。由于場地寬度受限，公司柔性線主要采用GBL的總拼方式，拼臺夾具存儲在空中二層，設計6種車型的夾具存放，當第7種車型導入時，只需替換夾具庫中的1種車型夾具出來即可，車型柔性擴展能力好，可實現全車型的柔性生產?？偲垂の徊季秩缦聢D12所示。

圖12　總拼工位工藝布局

2.4.3柔性線平面布局圖（LAYOUT）

輸送線、定位夾具、總拼柔性及上件方案確定后，根據BOP，車身焊點分配、工位時序分析，機器人仿真分析，確定生產線的工位數，機器人布局及數量，工藝設備，最后確定柔性線的平面布局圖，主線直線布置長寬120 m×12 m，前車體及側圍布在主線兩側，前車體長寬40 m×14 m，左右側圍在主線同側對稱布置，詳見下圖13.

圖13　柔性線平面布局圖

2.5柔性焊裝線電控系統

所有的機械機構都是系統的執行系統，需要解決：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機器人程序及工裝夾具機構。為解決這些問題，需要配備一個完整的電氣控制系統，這些控制系統基本由上位PC機、PLC控制器、通訊模塊、現場總線、觸摸屏、MOBY讀寫裝置、車型載碼體、安全裝置及各種輔助電氣元件構成［1］。通過電控系統可以控制機器人切換程序或控制夾具機構的切換，這樣即可保證每種車型均可匹配一個與之相對應的機器人程序或夾具機構，從而實現柔性自動化生產。

4　結束語

車身制造是汽車制造的重要環節之一，車身焊接是對車身性能起決定性因素的制造環節，隨著全球汽車工業及國內汽車工業的不斷發展，多車型、變批量的汽車生產將成為必然趨勢，多車型柔性焊裝生產線的研究應成為各車企焊裝工程技術人員的重點研究課題，如何結合公司的產品、廠房條件及投資策略等，規劃一條最合適、最經濟的車身柔性焊裝線，減少后續產品工裝夾具開發的投資，同時也可以游刃有余地應變千變萬化的市場需求變得尤為重要。

［1］李占營.論轎車車身柔性焊裝線的規劃及應用［J］.汽車工藝與材料，2010，32（9）：17-20.

［2］杜坤.柔性化焊接制造技術在江淮汽車上的應用［J］.汽車工藝與材料，2014，33（3）：9-13.

The Planning and Application ofMultitype Flexible Welding Line

HE Dao-cong
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

The paper discusses the change of automobilemanufacturning mode，that is，the transformation from the previous single variety to the currentmulti variety and small batch production mode.Describes the characteristics and design planning of flexible welding line needs to comsider the factors，introduces in detail the applicable to the company'smodels aremore flexilble line planning，design and application of.

flexilble；welding line；process planning

TG391

A

1672-545X（2016）05-0236-05

2016-02-13

何道聰（1981-），男，廣西柳州人，學士，工程師，主要研究方向：汽車車身工藝性分析、工藝規劃設計、先進車身焊接技術研發。