高柔性滾邊島的規劃布局設計

2017-02-10 09:49:55周天劍劉敦敦逯志浩曾鋒利

制造業自動化 2017年1期

關鍵詞：規劃

周天劍，劉敦敦，逯志浩，范懿，曾鋒利

（東風汽車公司技術中心，武漢 430058）

高柔性滾邊島的規劃布局設計

周天劍，劉敦敦，逯志浩，范懿，曾鋒利

（東風汽車公司技術中心，武漢 430058）

總結了高柔性滾邊島的主要組成單元，研究了高柔性滾邊島的布局形式，最后結合實際對比分析了高柔性滾邊島的布局設計實例，為今后高柔性滾邊島的布局設計提供了技術參考。

高柔性；滾邊島；布局設計

0 引言

機器人滾邊主要用于車身覆蓋件的邊緣包合，是一種特殊的包邊方式，具有成型美觀、柔性化制造、調試周期短、設備一次性投入小及維護成本低、作業面積小等顯著特點，在國內外各大車企中逐步推廣并得到廣泛應用[1]。隨著市場需求多樣化，各車廠的制造規劃要求也更加復雜，因此對高柔性滾邊島的需求更加明顯，如何快速有效進行布局設計是需要面對的問題。

1 高柔性滾邊島主要組成單元

1.1 滾邊機器人

滾邊機器人是執行滾邊操作的主體。通過控制機器人操縱滾邊工具，使其按照編制的程序執行指定的軌跡路線，從而完成整個滾邊操作[2]。選擇滾邊機器人時應滿足如下要求：

1）精度。相較點焊機器人而言，滾邊機器人應具有更高的精度要求。根據個人工作經驗，建議選擇重復精度在±0.2mm以內的機器人，以便保證滾邊總成件輪廓精度的穩定性。

2）工作范圍。通過規劃仿真，分析滾邊過程中機器人運動空間范圍，據此選擇恰當的機器人型號，以實現滾邊操作的可達性。滾邊機器人應只做程序調整，即可適應不同板件的滾邊任務。

3）軸數。決定了機器人滾邊過程中所具有的自由度數量，也決定了機器人的靈活程度和空間可達性，滾邊軌跡越復雜，選擇的機器人軸數也越多。在滾邊操作中，機器人需要實現復雜的運動軌跡，因此一般選擇6軸關節式球面坐標機器人。當然，特殊情況下還要求機器人帶外部軸控制。

4）安裝方式。根據安裝方式的不同，可將機器人分為地面機器人、頂吊機器人、掛壁機器人、高臺機器人。機器人選型時應謹慎考慮滾邊的工作現場環境。

5）承載能力。同一系列機器人的型號不同，承載能力一般也不同。要保證機器人滾邊操作正常進行，需要合理地確定機器人的承載能力。一般來說，乘用車滾邊作業選擇承載能力200kg左右的機器人，能滿足絕大多數場合的滾邊需求。

此外，機器人的運行速度、防護等級也應根據滾邊工作實際充分考慮，以優化生產節拍，保證安全生產。

1.2 滾邊工具

滾邊工具是指安裝在機器人末端，負責滾壓板件的設備，需要有足夠的硬度和耐磨性，因此對其表面進行硬化和拋光處理，使其表面硬度一般達HRC62以上，并降低滾壓過程中滾輪和板件的摩擦，保證滾輪能夠繞其軸線順滑滾動。

滾邊工具按結構特點可分為普通滾邊工具、壓力調節滾邊工具、伺服滾邊工具三種，如圖1所示。

圖1 各類滾邊工具

普通滾邊工具是通過機器人直接對滾輪的位置進行控制，滾輪和機器人法蘭盤之間為剛性連接，滾輪施加給板件的是位移載荷，由機器人程序決定的滾輪運動軌跡直接影響滾邊質量。這種滾邊工具結構簡單，成本低，但是對機器人運動軌跡要求高，滾邊過程中容易產生剛性沖擊，滾邊質量難以得到保證。

壓力調節滾邊工具是在普通滾邊工具基礎上改進形成，在滾輪和機器人法蘭盤之間裝有彈簧、氣缸或液壓缸之類的壓力緩沖裝置，可以減小滾邊過程中產生的剛性沖擊，能有效提高滾邊質量，保護機器人。其中，彈簧制造簡單，成本低，在滾邊工具中被廣泛使用。對彈簧進行標定，可以控制彈簧壓力在一定范圍內變化，從而確保滾邊有較高的質量。通過在彈簧處設置壓力傳感器能很好地監測滾邊過程中壓力變化，避免機器人過載的發生，給機器人的安全使用多提供了一層保障。

伺服滾邊工具通過機器人外部軸伺服電機驅動滾輪的轉動，實現滾輪滾壓時板件和滾輪之間的純滾動，這種滾邊工具提高了控制精度和滾邊效率，但由于結構復雜，對控制也有更高要求。

一套滾邊工具通常安裝2～4個滾輪，也有選擇雙滾輪組進行滾邊操作，將部分區域滾邊減少一道工序，生產節拍比單滾輪組高出30%左右，但控制更復雜，調試時間更長，對板件結構要求更高，如圖2所示。

圖2 雙滾輪組

與門蓋普通滾邊不同，還有一種天窗的飛行滾邊。機器人末端裝有天窗簡易胎具，抓取天窗扣合件沿著4組對輪（如圖3所示）移動進行滾邊，其中固定輪用于塑形，活動輪用于浮動滾邊，最終完成180°滾邊任務。此方式使得胎模簡易化，節省生產空間，減低投資成本。

1.3 滾邊胎模

滾邊胎模主要由胎模型面、胎模支架、加強筋及輔助支撐塊組成，如圖4所示，作用是給滾邊板件提供支撐，保證其輪廓精度。胎模型面是最重要組成環節，在滾邊過程中必須和滾邊板件準確貼合，其加工精度直接影響滾邊成型質量和調試難度，耐磨性也會影響整個胎模的使用壽命，一般需進行激光高頻淬火及油石精細研拋處理。為節約成本，減小重量，方便加工制造、安裝調試和維護，一般會在胎模內部設計較大的空腔，在胎模支架上設計減重孔。內部會設計加強筋連接周邊胎模支架以增加整體剛性，在合理位置會設計尼龍材質的輔助支撐塊以加強對板件的支撐作用，避免板件損傷。整個胎模要求有均勻的密度，足夠的強度。

圖3 飛行滾邊工具

圖4 滾邊胎模

1.4 滾邊夾具

滾邊夾具包括外板定位夾緊和內板定位夾緊，作用是保證滾邊板件的準確定位和可靠夾緊，是保證滾邊質量的重要組成環節。定位方式有基準孔定位和外形定位，外板上若無定位孔則選用外形定位，需合理設計外形定位機構的數量和位置，不得妨礙滾邊的進行，并保證滾邊過程板件不發生竄動。內板定位優先選擇孔定位，內板上若有專門的滾邊定位孔則優先選用，若無則優先選用內板總成焊接定位孔以保證基準傳遞，其次選擇尺寸較大的、結構剛性強的定位孔。

定位夾緊機構主要有以下三種形式：定位抓具夾緊、擺臂式夾緊和胎模夾具夾緊，如圖5所示。

圖5 各類滾邊夾具

定位抓具是由機器人抓持，并對內外板件進行壓緊。需要配合機器人使用，柔性高。板件的邊緣留有的空間相對較大，便于進行滾邊操作。擺臂式夾緊是將夾具整體固定在擺臂上，通過氣缸控制擺臂的翻轉來實現夾具夾緊內外板件。此形式控制簡單，擺臂動作幅度較大，翻轉夾緊較緩慢，影響裝卸件時間。胎模夾具夾緊是將夾爪分別安裝在下胎模或底板（BASE）上，通過程序控制夾爪根據滾邊工具所經位置順次開合，實現滾壓和夾緊動作的匹配。夾爪開合過程不能與機器人和滾邊工具發生干涉，且不得影響滾邊的進行。該形式夾具對控制要求較高。

一般來說，滾邊夾具設計應滿足以下要求：

1）定位夾緊可靠。既保證滾邊過程中板件表面和胎模型面之間無相對位移，又保證板件不會因壓緊力過大而變形。

2）強度足夠。夾具有足夠的強度和剛度，以承受機器人施加的滾邊力。

3）板件裝卸方便。夾具的設計應便于板件的拆卸，保證效率。

4）良好的可控性。能夠配合機器人滾邊動作實現可靠開合。

5）足夠的空間。夾具應留有足夠的空間以避讓滾邊工具，方便機器人進行滾邊。

1.5 滾邊切換單元

滾邊切換單元承載滾邊胎模，通過平移或轉動使其位置發生變化，實現安全隔離，以及多臺滾邊機器人和多種滾邊胎模之間滾邊任務的匹配，從而提高滾邊島柔性，滿足不同需求。

目前滾邊切換單元的形式有轉臺和滑臺兩種。圖6是不同轉臺應用形式示意圖，左圖轉臺上僅承載滾邊胎模A，轉臺只起到安全隔離作用，胎模轉出裝卸件時，機器人閑置，效率較低；右圖轉臺上對稱分布滾邊胎模A和B，轉臺使得兩個胎模反復在手工裝卸件區及機器人滾邊區切換，機器人基本處于滿負荷工作狀態，能有效提高機器人利用率，胎模A和B可以是相同復制形式以提高生產節拍，也可以是不同胎模形式以提高滾邊島擴展性。按照此理，還可擴展至3工位或4工位。

圖6 不同轉臺應用形式

滑臺應用形式主要有直線、T型及十字切換滑臺，如圖7所示，實際應用可能是一種滑臺的單獨使用，也可能是多種滑臺的組合使用。

設計或選擇切換單元時應注意以下幾項參數：

圖7 不同滑臺應用形式

1）外形尺寸。需根據規劃方案、實施區域大小及產品結構尺寸等因素確定。

2）承載。主要依據規劃方案、胎模與夾具、產品及其它附件重量決定。

3）精度。該指標參數決定了板件到位準確率，并影響最終滾邊質量。

4）運動速度。該指標參數決定了多套胎模與夾具的切換速度，直接影響生產節拍。

5）其他方面。還需注意切換單元的防塵性、潤滑方式、耐久性以及維修便利性等。

1.6 滾邊島控制系統

滾邊島控制系統用于控制、協調島內所有組成單元間的動作及順序，實現機器人與滾邊夾具、切換單元、安全控制系統等之間的通信，可以根據不同的滾邊任務，調用相應的機器人程序來完成，并對滾邊過程實施故障檢測及報警監視，如圖8所示。

圖8 滾邊島控制系統架構圖

在最近的二、三十年中，為了更好地控制及協調控制系統中各組成單元的邏輯和動作，處理各控制系統之間的通信，滿足監控及管理要求，應用了不同的通信網絡技術。其中，Ethernet是最為流行的通信網絡技術，工業中應用也最廣泛，稱為“工業以太網”[3]。應用在滾邊島中，能簡化島內設備網絡，保證機器人、配套機電設備及安全防護設施等的信息實時互通，使得各設備之間分工明確、互不干涉、保護安全，實現復雜的邏輯和程序動作，并能快捷集成至工廠級別的管理網絡，保持“滾邊島-車間-工廠”三個層級間的信息高速有效傳輸，如圖9所示。

圖9 基于工業以太網技術的自動化信息網絡層級圖

2 高柔性滾邊島的布局形式

高柔性滾邊島需要在綜合考慮場地大小、車型數量、生產模式及節拍快慢等因素的基礎上，根據不同的規劃要求，系統、合理地設計有針對性的布局形式。因此，布局形式設計是高柔性滾邊島規劃中的重點內容之一。

2.1 適于多車型混線

平臺化是汽車制造的發展趨勢之一，在一個平臺上實現多車型的混線制造是很普遍的規劃要求。通過一次規劃完成整個平臺框架化、模塊化設計，初步實現一款車型制造，再根據車型計劃采取分批投資、逐步實施的辦法完善整個平臺構建，最終實現多車型混線制造。

本公司焊裝車間采取的布局形式，是將切換單元——4工位回轉臺滾邊島不斷組合、演變，形成一個有機整體進行聯合工作，通過逐步投資及建設，最終完成從1款車型單獨制造向4款車型混線制造的升級，如圖10所示。在每次演變過程中總是最大程度利用前一階段布局形式，進行有限發展，形成一個新的有機整體，達到制造能力與本階段的規劃綱領相互平衡。

2.2 適于多節拍生產

產能提升也是汽車生產制造中很普遍的規劃要求。實際應用中，滾邊工位一般由多工位多機器人協同完成滾邊任務，布局形式多種多樣，如圖11所示，當然也可根據實際情況采取其他布局形式。在4工位6機器人滾邊島布局形式中，以2個機器人為一組，島內分布有3組，每組機器人分時間段地完成同一個總成件上的一道滾邊程序，3組機器人形成流水化作業，共同完成滾邊工作。

以AX7車型的前蓋滾邊為例，整體需要三次滾邊，前端水滴狀滾邊需實施四次滾邊，整體滾邊總長不到16000mm。按照平均滾邊速度150mm/s進行保守估算，并考慮輔助時間10s，覆蓋件備件率5%，設備開動率90%，若采用圖11最后一種布局形式，其最高理論節拍甚至可達輛/h。

2.3 適于多品種組合

相對于全新車型而言，年度或改款車型只更新部分覆蓋件，因此存在新、舊車型多品種覆蓋件成套組合生產的規劃要求。

圖10 基于4工位回轉臺的滾邊工位布局形式

圖11 多工位多機器人滾邊工位布局形式

如圖12所示，車型Ⅰ和Ⅱ的前、后蓋造型均不相同，車型Ⅲ是車型Ⅰ的改款車，僅前蓋造型變化，車型Ⅳ是車型Ⅱ的改款車，僅后蓋造型變化。滾邊島內4工位回轉臺上裝有車型Ⅰ和Ⅱ的前、后蓋胎模，兩側設有胎模庫，存放有車型Ⅲ前蓋胎模M5和車型Ⅳ后蓋的胎模M6，胎模庫與滾邊島內的承載框架之間鋪設有滑軌，方便4工位回轉臺上現有胎模的彈出和胎模庫中胎模的載入。當收到切換車型Ⅳ的指令，只需將M4拆卸后，通過滑軌推入右側胎模庫，再將M6快速推進承載框架定位，迅速安裝，即可與胎模M3成套生產，完成車型切換。

與圖10布局形式不同，圖12不是將滾邊胎模一直固定在切換單元上，而是通過設置快換裝置及胎模庫，實現切換單元上滾邊胎模的動態管理，將原來需要的2個滾邊島精簡至1個滾邊島，減少占地面積，降低投資成本，滿足多品種成套組合生產的規劃要求。

圖12 具備胎模切換功能的滾邊工位布局形式

3 高柔性滾邊島規劃布局設計實例

本公司欲規劃一條8車型的生產線，設計節拍45 JPH，一期實施30 JPH，現對滾邊島進行規劃布局。因面積有限，盡量考慮采用單工位多機器人滾邊方式。下面以前蓋滾邊島為例進行分析，初步估算時暫不考慮輔助時間，按照2.2節中所述公式估算所需機器人臺數：

3.1 方案一

方案一規劃布局如圖13所示，切換單元采用4工位回轉臺形式，通過滑臺與右側胎模庫相連，胎模庫存放4個胎模及2個倒庫空工位。一期布置2臺滾邊機器人，最終增加至3臺，均通過基座墊高。裝、卸件全部由人工完成。極限切換情況是胎模M4彈出，胎模M8載入。

圖13 方案一規劃布局圖

按上述切換情況，計算胎模切換耗時約為36.9s，同時每個滾邊循環中輔助時間約為33s，如表1所示。

現進行核算：

一期節拍：規劃合理。

表1 方案一胎模切換及滾邊輔助時間計算表

最終節拍：

規劃合理。

實時切換節拍：

不能實現。

批量切換時，可將胎模切換時間平攤至每輛車的輔助時間中，設每批生產N輛，則按公式：

可解得N=2325。

由計算結果可知，該規劃布局可以實現8種車型滾邊胎模的切換，各階段機器人數量規劃合理，不能滿足實時切換生產模式，可以滿足批量切換生產模式，但每批次需要生產2325輛（含2325輛）以上同款車，該規劃布局才可以保證45 JPH的生產節拍。

3.2 方案二

方案二規劃布局如圖14所示，切換單元采用工字型滑臺形式，中間為滾邊工位，兩側為胎模庫，整體共有8個胎模及3個倒庫空工位。一期布置2臺滾邊機器人，最終增加至3臺，均直接安裝在地面。簡易支架S上放置扣合好的前蓋內外板，裝、卸件由7軸搬運機器人R-t完成，總成件最終由皮帶輸送機傳送出滾邊島。極限切換情況是胎模M4彈出，胎模M5載入。

圖14 方案二規劃布局圖

按上述切換情況，計算胎模切換耗時約為59.6s，每個滾邊循環中輔助時間約為24.7s，如表2所示。經核算可知，結論與方案一類似，但由于輔助滾邊時間減少，批量切換生產模式中只需要每批次生產8輛（含8輛）以上同款車，該規劃布局就可以保證45 JPH的生產節拍。

表2 方案二胎模切換及滾邊輔助時間計算表

3.3 方案三

方案三規劃布局如圖15所示，切換單元采用日字型滑臺形式，底部中間為滾邊工位，兩側為等待區，上部為胎模庫，整體共有8個胎模及5個倒庫空工位。與方案二不同的是，在滾邊工位進行工作的同時，胎模庫可以根據生產指令進行倒庫，將需切換的胎模提前輸送至等待區，極大縮短實際切換時間。一期布置2臺滾邊機器人，最終增加至3臺，均直接安裝在地面。簡易支架S上放置扣合好的前蓋內外板，裝、卸件由搬運機器人R-t完成，總成件最終由皮帶輸送機傳送出滾邊島。極限切換情況是胎模M1在滾邊，M2剛彈出準備進入胎模庫，需將M6切換至底部左側等待區。

圖15 方案三規劃布局圖

按上述切換情況，計算胎模切換耗時約為10.7s，每個滾邊循環中輔助時間約為24s，如表3所示。經核算可知，一期生產時能實現實時切換，最終生產時則需采用批量切換生產模式，每批次只要生產2輛（含2輛）以上同款車，該規劃布局就可以保證45 JPH的生產節拍。

3.4 方案對比

綜上所述，三種方案對比結果如表4所示。從對比結果可知，方案一是時間換空間，犧牲了設備利用率，使得整個滾邊島結構最緊湊，成本最低；方案二雖然最貴，但在物流、維護、生產節拍、勞動強度等方面較均衡；方案三通過復雜的胎模倒庫程序和滾邊工位兩側胎模切換等待區的布局形式，使得切換效率最高，設備利用率最高。綜合考慮場地、成本、物流規劃等各方面因素，推薦方案三。