激光切割島的應用方案

徐蓓芬，石鵬程，徐佳麾

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激光切割島的應用方案

徐蓓芬，石鵬程，徐佳麾

（上汽通用汽車有限公司，上海 201201）

為了降低設備成本，提高車間柔性，文章引入了一種車身車間內的激光切割島替代沖壓五序的解決方案。同時深入研究了將來潛在需要復雜加工的單板零件種類，結合一定的數據分析，在該激光切割島內預留一定的加工柔性，方案中使用機器人帶激光頭切割，不僅滿足了一般定位孔以及修邊的切割需求，并預留了特殊圖形切割的能力。此方案在新車型引入時的設備總投資小，改造難度低，對日后單板零件的車身廠內加工提供了柔性方案，省去了沖壓車間的設備改造。

激光；切割島；柔性

前言

現代汽車外觀設計越來越多樣化，對單板零件的沖壓工藝要求也越來越復雜，當引入的新零件所在的沖壓車間無鋼/鋁板五序能力，而對該零件的加工必須五序才能完成，這時為了不犧牲造型及零件設計的實際需求，不得不在沖壓車間增加五序壓機，這將帶來一筆巨大的投資。

為了降低設備成本，提高車間柔性，本文引入了一種車身車間內的激光切割島替代沖壓五序的解決方案。同時深入研究了將來潛在需要復雜加工的單板零件種類，結合一定的數據分析，在該激光切割島內預留一定的加工柔性。方案中使用機器人帶激光頭切割，不僅滿足了一般定位孔以及修邊的切割需求，并預留了特殊圖形切割的能力。此方案在新車型引入時的設備總投資小，改造難度低，對日后單板零件的車身廠內加工提供了柔性方案，省去了沖壓車間的設備改造。

1 現狀分析

1.1 沖壓車間現狀

一般情況下，沖壓車間主要承擔著鋼/鋁外覆蓋件的沖壓生產的任務，其工藝主要分為分離工藝和成形工序兩大類。如果產品單板設計上要求較多較復雜的分離工序，主要為沖孔、修邊等，那么潛在的該單板件在所要求的產能下可能無法在沖壓四序完成，需要額外的五序來完成整個產品工藝。這樣無形間增加了沖壓的費用投入與場地占用面積。我們常說的此類零件有四門兩蓋及翼子板等，那結合現有產品的分析，其中沖壓工藝較為復雜的車身單板零件就是側圍外板、后蓋外板、后舉門內外板、門內外板、翼子板等。

1.2 協同加工分析

根據沖壓的現有能力以及潛在的加工需求，在車身車間設立一個具有切孔和修邊功能的柔性化切割島，配合沖壓的四序能力，可以大幅提高白車身單板零件加工的工藝能力。

一般地，車身車間對于沖孔、修邊的特殊工藝需求，會采用傳統的模具類設備，專機專用，這樣加工不同的零件特征就需要多套不同的模具組合，設備量較大且不能靈活改造運用，后序引入新零件時設備及場地投入也巨大。本文引入的切割島使用機器人帶激光頭進行切割，相比傳統的專用模具，不僅可滿足產品成型的合格率要求，而且其最大的優勢在于靈活運用的柔性，其預留了不同圖形加工的可能性，更能實現修邊、切邊等普通圓形沖頭不能完成的任務。

2 方案設計

2.1 工位布局

基于上述現狀分析，對于單板零件上沖壓四序無法完成的情況，我們提出以下兩種車身協同加工的工藝方案：

2.1.1雙機器人帶激光頭切割島

假設我們將四個門蓋類零件（較小）以及兩個側圍零件（較大）的切割規劃在同一切割島內，那么四個門蓋類零件布置在一個四面轉臺上，兩個側圍類零件布置在一個兩面轉臺上，整個島的平面尺寸可以布置在14*10米之內，如圖1所示。其中，布置兩臺帶激光切割頭的機器人對稱地擺放在兩個帶工裝轉臺的之間，整個工位由以下必要的設備組成：1）機器人，2）四面轉臺，3）雙面轉臺，4）激光器，5）水冷機，6）冷干機，7）空壓機，8）集塵器，9）工控機，以及相對應的控制柜等。

此布置方案的想法是可以滿足六個以上不同零件的加工，假設工人的上料時間是0.5分鐘，人工上料的同時機器人在另一個轉臺工作面進行加工。理論上按照最大切割速度10米/分鐘，平均切割速度5米/分鐘的數據計算，在等效10個孔及2.5米總加工長度內，一對轉臺工裝的最大產能為42.5JPH。如果單車需要加工兩個門蓋類零件和兩個側圍零件，則單車的最低工藝能力為20JPH。

所以此方案可以滿足多車型、高柔性、高節拍的車身車間廠內加工需求。

圖1 雙機器人帶激光頭切割島

2.1.2單機器人帶激光頭切割島

考慮到廠內空間、設備成本、加工對象及節拍需求等因素的綜合影響，上述雙機器人帶激光頭切割島的方案可以簡化為單種零件的小型切割島，即單機器人帶激光頭切割島。那么該切割島的最大能力即是將四個小型零件規劃在同一切割島內，將兩個雙面轉臺布置在機器人的相鄰兩方向，分別為圖2中的工位一及工位二，每個轉臺可擺放兩個小型零件，整個島的平面尺寸可以縮減到10*9米之內。此方案中，僅需要布置一臺機器人帶激光切割頭以及兩個帶工裝雙面轉臺，比上述雙機器人帶激光頭切割島節省了一臺機器人及激光頭，其他的必要設備和上述最優方案相似。

此布置方案可以滿足四個以上門蓋類零件的加工，所以此方案可以滿足小型產品、擴展要求低、節拍要求低的車身車間廠內加工需求。同時此方案也具備將來擴展至6種零件的可能，單費用將高于雙機器人激光切割的方案。（詳細的信息將在2.3中闡述）

圖2 單機器人帶激光頭切割島

2.2 精度分析

整個激光切割島的總加工精度由機器人精度、切割頭設備精度、轉臺的精度、工裝的精度組成，現假設選用的各設備及精度如下：

假設選用高精度的機器人，那么在機器人最遠運動半徑之內，機器人的重復定位精度為±0.07mm；同樣，選擇較高精度的切割頭，切割頭本身的重復定位精度為±0.1mm。在工裝設計上，保證轉臺的重復定位精度為±0.06mm，保證定位工裝的重復定位精度為±0.1mm，所以整個機器人帶激光頭切割島的工藝能力，根據表1的各設備精度累計誤差粗略計算，切割島的總位置精度為：

表1 各設備精度(±/mm)

更優化地，如果被切割的對象圖形集中在50*50mm的平面內，則可以保證機器人在到達加工位置后停止，由帶有三維運動功能的激光頭自行進行運動切割，那么在此平面內的加工圖形的相對精度可以不考慮機器人、轉臺、工裝的精度誤差，即在50*50mm平面內的相對位置度為±0.1mm。

同樣地，考慮設備成本和實際需求，上述方案中的設備也可以相應地選擇不同的型號，選擇更低精度的設備以降低成本。總精度則需根據低配的設備精度及功能重新計算。

2.3 成本分析

隨著汽車行業的競爭加劇，成本控制越來越受到各主機廠的重視。下面我們來對比下沖壓5序與單/雙機器人激光切割總費用。

首先此案例如果使用傳統五序，以六種零件為例沖壓將增加設備投入近2600萬，主要包括種零件的模具及相關控制系統。接著使用雙機器人激光切割方案六種零件的總設備投入為855萬；最后簡化后的單機器人激光切割方案的設備總投入為997萬。相關對比信息如下圖3。

圖3 激光切割各階段價格對比

從表中我們不難發現，無論使用雙機器人方案還是單機器人方案，各階段的總費用投入均比沖壓五序的投入費用大大降低。而雙機器人的方案當隨著第五種和第六種零件的引入開始逐步體現出其費用優勢，更適合目前多車型，高柔性，智能化制造的要求。

2.4 方案小結

根據以上分析對比，對于現代化車身車間，多車型、高柔性、高節拍更符合智能制造對車間的規劃與未來的預留方向的要求。因此車身車間設備的一次性投入會隨著后續車型的引入多樣化而更顯示其價值的方案將更被青睞。所以，本文優選地推薦使用第一種方案，即雙機器人帶激光頭切割島的方案。與此同時，為滿足將來潛在零件設計的可制造性、易制造性，在設備精度選擇上，也推薦盡量選取高精度、高柔性的設備來保證定位孔的加工可行性。

3 總結與展望

隨著工業4.0的來臨，激光切割技術在汽車行業的應用將更為廣泛，勢必成為智能制造的基礎。

本文創新的介紹了一種用車身車間內的激光切割島替代沖壓五序的解決方案，在獨立切割島內使用激光切割，具備了對多種車身單板件切孔、切邊的能力。采用機器人帶切割頭，使該切割島具有柔性高，車型引入投資小，調試難度低等優越性，不僅滿足了一般孔、邊的切割需求，并預留了特殊圖形切割的能力。

由沖壓五序沖孔切邊改為車身廠內激光切割，可以降低沖壓模具費用投入，并解決沖壓成型無法解決的問題。利用激光切割的柔性，在未來可以拓展出更多的應用，比如，對總成零件的切割、鋼鋁共線切換切割、特定形狀特定位置的切割、刻線弱化等。相信在產品設計不斷多樣化的同時，白車身零件的制造能力也必然緊跟著時代的步伐。

[1] 郭建,蘭天亮,陳康.激光切割鈑金件時的工件變形分析方法[J].激光雜志,2011.01.

[2] 趙秀俠,趙明.淺談前期車身沖壓件質量控制問題[J].模具制造, 2015（2）:11-14.

[3] 唐剛,于海波.淺析冷沖壓工藝與模具制造技術的發展[J].科技創新與應用,2015（10）:117-117.

Laser cutting cell application proposal

Xu Beifen, Shi Pengcheng, Xu Jiahui

( SAIC General Motors Co., Ltd., Shanghai 201201 )

In order to decrease the manufacturing cost and improve the body-shop flexibility, we introduce one cutting proposal in body-shop to replace the 5-step stamping. And we have deep study on the potential sheet metals which need complex stamping process. With enough data support, we reserve the cutting flexibility in the laser cutting cell. This cell includes robots attaching with laser cutting head, which can not only cut the normal hole and edge, but also have the ability of cutting complex shape. This proposal have less cost and less difficulty when new product is introduced. So it’s a flexible proposal for further use in body-shop and it will save much cost in stamping shop.

laser;cutting cell; flexibility

B

1671-7988(2018)20-215-03

U468.2

B

1671-7988(2018)20-215-03

U468.2

徐蓓芬，畢業于同濟大學車輛工程（整車）學士學位，現擔任上汽通用汽車整車制造工程部工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.078