汽車門蓋柔性化滾邊島的規劃與應用

楊朝隆 王剛 萬維

上汽大眾汽車有限公司 上海市 201805

1 引言

制造業是國民經濟的主體，隨著科技革命和產業革命發展，德國提出了工業4.0，為應對競爭，中國也提出了“中國制造2025”，其中五大工程之一的智能制造工程尤為重要，而智能制造離不開機器人的大量運用。

汽車行業作為制造業支柱產業之一，更是在智能制造方面走在各種行業前沿。對于汽車行業，工業機器人大量應用于各種車間，完成焊接、搬運、涂膠、噴漆、裝配等各種工藝。工業機器人最直接的目的是取代人力，降低生產成本、提高生產效率，更重要是使生產的產品更趨于標準化、合格化，因此，工業機器人大大推動了工業的發展進程。

在汽車零部件生產過程中，機器人滾邊技術是一種汽車制造過程中特殊的板材連接工藝，通常用于門蓋（發動機蓋、后備箱蓋、前后車門）、側圍以及天窗車頂區域。相對于點焊工藝，滾邊工藝成形美觀、投入及維護成本低、作業占地面積小（相對于折邊工藝）、包邊質量穩定，且容易實現柔性化生產。

當今汽車市場競爭激烈，各廠商都推出了多款車型來覆蓋不同級別細分市場，需要投資更多的生產線來滿足不同車型零件的生產，因此生產成本隨之提高。各大廠商都在研究措施用以降本，而生產線柔性化正是降本點之一，特別是自動工位的柔性化程度提升，例如柔性自動焊接島、柔性車身總拼區域等等。

關于柔性化滾邊島布局，已有文獻進行相關探討，其應用場景是量產車型車間等。本文基于已有文獻和實際應用，進行了更深入的探討，基于滾邊柔性整合了其他工藝的柔性方案，研究了多種柔性化思路，探討了多種新型滾邊島柔性化布局方案，專門用于多類型、小批量的零件柔性生產。

2 汽車門蓋自動滾邊島主要構成部分

根據上件方式的不同，可以有兩種模式：一是無專用上件臺，操作工直接上件至滾邊胎膜中，為開放式滾邊島，不安全；一種是有專門的上件臺和安全隔離，操作工上件至上件臺，然后機器人抓取零件至胎膜中完成滾邊，是為封閉式滾邊島，安全性高。本方案基于后一種模式。

封閉式滾邊島主要構成包括五大系統：

機器人及其控制系統。本系統主要是通過執行程序來抓取零件、抓手、滾邊頭并控制其運動軌跡，從而完成滾邊任務，整個滾邊過程一般分2~4次完成。對于機器人選用要求包括：線性重復精度＜0.2mm，機器人的負載在200kg左右，保證相關操作可達性。常見工業機器人如：KUKA VKR210-C2）。

滾邊胎膜系統，主要由下胎膜和上壓膜構成。滾邊下胎膜一班采用鑄鋼GP3M進行整體鑄造、數控加工而成，表面進行激光硬化，硬度一般在50~54HRC，且其型面要求與零件外板表面相吻合，從而保證表面質量及滾邊壓合質量。滾邊上壓膜采用連貫式結構，鑄鋼或者鑄鋁。上壓膜及下胎膜還兼具定位夾緊作用：以車門為例，下胎膜與外板優先選用孔定位，其次采用型面定位，并布置一定數量的吸盤以使外板型面盡可能與下胎膜貼合；上胎膜與內板之間采用孔定位，并在胎膜周圍布置一定數量的夾頭進行夾緊。

滾輪系統。滾輪結構看似簡單卻承載重要作用，它直接與門蓋零件接觸，因此對其表面質量及硬度要求較高，通常設計為90。輪、45。輪、30。輪、成型輪、專用特殊輪，根據零件形狀不同，滾輪尺寸規格也不同。滾輪系統結構中也會增加彈性機構，得到所需求的滾輪壓力。

傳感器及PLC控制系統。收集各種信號，用于控制機器人動作、胎膜上夾頭的夾緊動作等。

輔助系統，包括上下件臺（人工將零件置于上件臺，機器人將零件置于下件臺），抓手（用于機器人搬運零件），自動島基礎建設部分，如圍欄（是自動島形成封閉區域）、安全掃描設備（保證操作工安全）等

軟件系統。采用Robcad、CATIA等軟件來建模，并進行機器人軌跡規劃與運動仿真，模擬自動島工作過程。

3 柔性化自動滾邊島平臺

基于上述滾邊島構成分析，機器人及其控制系統、傳感器及PLC控制系統以及輔助系統中的基建部分在硬件上是通用的，這些部分組成基礎平臺；生產不同零件時，區別在于各自程序、滾邊胎膜系統、滾輪系統、上下件臺及抓手各不相同，可以將不同程序存儲在控制系統中，因此只要滾邊胎膜、滾輪、抓手及上下件臺做成可切換的即可實現基于前述基礎平臺的柔性化生產模式。

柔性切換方式的主要評價指標是方便性、快速性、準確性。為滿足這些要求，上下件臺、滾邊下胎膜通過基座（如圖）柔性的方式切換，滾邊頭、抓手、滾邊上胎膜通過換槍盤切換，對應的切換機構如下圖所示?；嵝郧袚Q為平面對接式，采用吊裝切換，方便快捷，精度在1mm左右；換槍盤屬于標準設備，可直接購買，滿足方便快速準確的要求。

由于基座共用、吊裝切換，因此切換區域占地面積小，同時這種切換方式使得滾邊島共用資源比例大，減少投資因而成本低。零件切換時，這一整套相關的設備系統隨之切換。

關于柔性化，包括兩方面內容，一方面是零件種類柔性，即一個滾邊島可以完成多種零件的滾邊；另一方面是工藝柔性，即一個滾邊島可以完成除滾邊之外的其他工藝，如點焊、TOX焊等，工藝柔性正是本文章的創新點和亮點所在。

本文基于機器人數量設計了幾種高柔性的滾邊島布局方案，通過工藝流程分析其節拍、場地、投資費用，闡明幾種方案的優勢劣勢，以備根據實際需求情況進行選擇。

方案一：單機器人方案

所述方案中，操作工上件之后，由單臺機器人完成剩下所有相關工作，包括切換抓手抓取零件、切換上壓膜進行壓邊、切換滾邊頭進行滾邊、抓取零件進行其它工藝（如焊接），然后由操作工取走零件，進入下一個做件循環。

由于所有的工作均由一臺機器人完成，而且從人工上件至機器人完成工作再到人工下件，所有工作均串聯在一起，所以其節拍時間有所有的工位工作時間累加而來，因此節拍較低；但從布局結構來看，其結構簡單、成本低、占用場地?。s60 ），特別適合多品種、每品種又很小批量的零件的柔性化生產。

方案二：雙機器人方案A

相比方案一，方案二中增加一臺機器人專門用于滾邊，因為相比其他工位工種，滾邊耗時較長，增加一臺機器人進行工時平衡，從而提高節拍。其整體工藝流程與方案一類似。

雖然增加一臺機器人，但是從人工上件至機器人完成工作再到人工下件，所有工作仍串聯在一起，因此節拍有所提高；相比方案一，其結構稍復雜、成本略高、占用場地略大一點（約72 ），適合多品種、每品種又很小批量的、滾邊工藝耗時長的零件柔性化生產。

方案三：雙機器人方案B

相比方案二，方案三進行優化：將上件工位與下件工位進行獨立，從而使得所有串行工作變得獨立，其節拍工時不再累加而是由耗時最長的工位（即瓶頸工位）決定；同時調整兩臺機器人的分工，一臺機器人進行上件和滾邊，另一臺機器人進行滾邊、其他工藝和下件，從而使得工時更為平衡。

雖然只是將下件工位獨立出來，但是工作卻由串行變為獨立并行，因此節拍可以大大提高；相比方案二，其結構類似、成本略高、占用場地稍增加（約86 ），適合多品種、每品種批量較大的、滾邊工藝耗時較長的零件柔性化生產。

方案四：三機器人方案

相比方案三，方案四進行優化：將機器人滾邊和其他工藝進一步獨立，解決滾邊耗時長或其他工藝耗時長的問題，從而實現工時平衡，提高節拍。一臺機器人上件和滾邊，一臺機器人專門滾邊，一臺機器人專門進行其他工藝。

相比方案三，其結構變得復雜、成本增加、占用場地增加明顯（約124 ），但是集成度增加，可以柔性更多其他工藝，適合多品種、每品種批量較大的、滾邊工藝耗時較長/具有其他工藝且耗時長的零件柔性化生產。

方案五：多機器人方案

此方案僅作探究，引導滾邊島規劃者進一步拓寬思路。

此方案融合滾邊前的焊接或者其他工藝，優化為兩臺機器人專門用于滾邊，使得工時更加平衡，節拍進一步提高，柔性程度進一步提高，相應的占地面積/布局復雜度/投資成本都會增加。

表1

4 基于上述平臺的應用實例

雙機器人方案B已應用于某工廠車間，以此為例進行節拍分析：假設有一臺機器人進行滾邊需要2分鐘，滾邊完成之后需要焊接10個焊點，基于這些條件進行工序排布，圖為上件及滾邊機器人R01工時分析圖，其工時t1=155s；圖為下件及滾邊機器人R02工時分析圖，其工時t2=180s；因此整個自動島工時為t=180s，假設設備開動率OEE為85%，則節拍JPH=3600/t*OEE=3600/180*0.85=17。

5 結論與推廣

本文探討了一種新型的汽車滾邊島柔性化方式，不僅滾邊工藝進行了柔性，同時可以兼容焊接等其他的工藝，從而使不同工藝加工的零件柔性在同一個島進行生產成為可能。另外，本文設計了幾種不同的滾邊島布局形式，從節拍、場地、投資成本等角度進行分析，可以根據具體應用實際進行選擇。