重型卡車車架自動(dòng)化裝配系統(tǒng)及方法研究

張亮，戴欽，郭建軍，喬燕，董進(jìn)

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重型卡車車架自動(dòng)化裝配系統(tǒng)及方法研究

張亮1,2，戴欽1,2，郭建軍1,2，喬燕1，董進(jìn)1,2

（1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076；2.北京長(zhǎng)征火箭裝備科技有限公司，北京 100076）

文章通過分析現(xiàn)有重型卡車車架的裝配工藝，指出裝配過程中的問題所在，并對(duì)裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提出了一種重型卡車車架自動(dòng)化裝配系統(tǒng)及方法，解決了車架混裝生產(chǎn)、裝配質(zhì)量不高，效率低下、過程難控制等問題，在提高裝配質(zhì)量和裝配效率的同時(shí)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

重型卡車；車架；自動(dòng)化裝配；鉚接

引言

汽車與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)。特別是作為物流運(yùn)輸工具的卡車，就是一個(gè)現(xiàn)階段中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化的縮影，其起伏變化幾乎與國(guó)民經(jīng)濟(jì)相一致[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，重型卡車產(chǎn)品市場(chǎng)的需求量正在迅猛增長(zhǎng)，汽車生產(chǎn)廠也在順應(yīng)市場(chǎng)需求不斷進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)張，與此同時(shí)，隨著國(guó)外卡車企業(yè)巨頭大舉進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，導(dǎo)致卡車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。國(guó)內(nèi)的重型卡車企業(yè)，為了適應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)酷的市場(chǎng)行情，滿足用戶的個(gè)性化需求，必須提高產(chǎn)品的響應(yīng)速度，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。車架是底盤中的重要承載部件[2]，是卡車上幾乎所有零部件的載體，其裝配質(zhì)量直接影響整車的質(zhì)量；車架一般隨著汽車規(guī)格型號(hào)的不同而不同，單一規(guī)格產(chǎn)品產(chǎn)銷量不大，需要混線生產(chǎn)，因此車架的裝配效率直接影響著卡車產(chǎn)能的提升。本文通過分析現(xiàn)有車架的裝配工藝，并對(duì)裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提出了一種重型卡車車架自動(dòng)化裝配系統(tǒng)及方法，采用照相測(cè)量系統(tǒng)、合模胎、橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)、上料機(jī)械手、自動(dòng)穿釘系統(tǒng)、鉚接機(jī)器人等技術(shù)，解決了車架混裝生產(chǎn)、車架裝配質(zhì)量不高，效率低下、過程難控制等問題，在提高裝配質(zhì)量和裝配效率的同時(shí)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 車架裝配工藝及存在問題

車架通常由兩根位于兩邊的縱梁和若干根橫梁組成，用鉚接法或焊接法將縱梁與橫梁連接成堅(jiān)固的剛性架構(gòu)[3]。車架裝配后前懸公差、軸距公差、后懸公差、對(duì)角線偏差、中心偏移誤差等要求如圖1所示。

圖1 車架產(chǎn)品

目前，車架的組裝工藝流程為：

1）通過天吊將縱梁放置到輸送車上；

2）沿鐵軌推動(dòng)輸送車將縱梁運(yùn)送至組裝工位，通過軌道兩側(cè)的裝合胎分別定位兩側(cè)縱梁；

3）通過若干天吊將所有橫梁吊至待裝區(qū)域；

4）將橫梁一端與縱梁凹槽定位；

5）穿螺栓，擰緊；

6）驅(qū)動(dòng)裝合胎對(duì)中運(yùn)動(dòng)，期間手工調(diào)整，將橫梁卡緊至縱梁凹槽內(nèi)；

7）穿另一側(cè)螺栓，擰緊；

8）通過卷尺檢測(cè)關(guān)鍵尺寸，進(jìn)行休整，直至合格下線。

圖2 車架組裝現(xiàn)場(chǎng)

在車架裝配過程中，主要存在以下缺陷：

1）裝合胎前端通過銷軸定位車架工藝孔，后端通過端面定位車架上翼面，因車架沖孔、縱梁裝合等均是以下翼面定位，因此該定位存在不準(zhǔn)確現(xiàn)象。

2）軌道兩側(cè)縱梁的孔位同軸度無(wú)法保證，車架總成橫梁裝配后，左右出現(xiàn)偏斜。導(dǎo)致裝配后車架總成整體扭曲。

3）車架總成縱梁左右對(duì)稱度無(wú)法保證，造成車架總成彎曲、平面度超差，導(dǎo)致整車性能降低，出現(xiàn)吃胎、跑偏等問題[4]。

4）過程中通過手工控制，總成產(chǎn)品一致性差。

5）裝配過程中需要多次休整，效率低下。

6）裝配過程中工人數(shù)量及勞動(dòng)強(qiáng)度較大，隨著人口紅利的消失，企業(yè)的用人成本正在逐年增加。

7）裝配過程中多工位頻繁使用天吊，存在安全隱患。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及“一帶一路”政策的推進(jìn)，重型卡車的市場(chǎng)需求量正在急劇增長(zhǎng)，與此同時(shí)，人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)定制化產(chǎn)品的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，汽車企業(yè)的生產(chǎn)能力能否彈性地適應(yīng)市場(chǎng)波動(dòng)進(jìn)行快速調(diào)整，顯得至關(guān)重要[5]。因此，亟需采用一種先進(jìn)的車架組裝裝配系統(tǒng)及方法。

2 車架自動(dòng)化裝配系統(tǒng)及方法

根據(jù)車架的特點(diǎn)及在重型卡車中的作用，經(jīng)過與車架設(shè)計(jì)人員溝通，將車架組裝中的螺栓連接更換為鉚釘鉚接，采用照相測(cè)量系統(tǒng)、合模胎、橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)等系統(tǒng)將橫縱梁的姿態(tài)調(diào)整至理論位置，通過上料機(jī)械手、自動(dòng)穿釘系統(tǒng)、鉚接機(jī)器人等技術(shù)實(shí)現(xiàn)橫縱梁的鉚接，從而提高車架的裝配質(zhì)量和效率，優(yōu)化后的車架組裝工藝流程如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的車架組裝工藝流程

根據(jù)優(yōu)化后的組裝工藝流程，可得出一種重型卡車車架自動(dòng)化裝配系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)分為上料工位、中轉(zhuǎn)工位、測(cè)量工位和組裝工位，主要由橫縱梁精度料車、兩臺(tái)上料機(jī)械手、縱梁定位移動(dòng)平臺(tái)、橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)、照相測(cè)量系統(tǒng)、合模胎、自動(dòng)穿釘系統(tǒng)、鉚接機(jī)器人、機(jī)器人基座、平臺(tái)移動(dòng)軌道等組成，如圖4所示：

1－上料機(jī)械手；2－縱梁定位移動(dòng)平臺(tái)；3－橫縱梁精度料車；4－橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)；5－照相測(cè)量系統(tǒng)；6－機(jī)器人基座；7－自動(dòng)穿釘系統(tǒng)；8－鉚接機(jī)器人；9－合模胎；10－車架；11－平臺(tái)移動(dòng)軌道

其中，橫縱梁精度料車用于橫縱梁的精確定位、存儲(chǔ)及運(yùn)輸；上料機(jī)械手共有兩臺(tái)，通過協(xié)同工作將縱梁從精度料車中抓取并放置到縱梁定位移動(dòng)平臺(tái)上，通過單獨(dú)作用將橫梁從精度料車中移動(dòng)到橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)上；縱梁定位移動(dòng)平臺(tái)用于縱梁的定位，并將縱梁輸送至組裝工位；橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)可進(jìn)行X、Y、Z、A、B、C五個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，用于橫梁的定位，并根據(jù)測(cè)量反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行橫梁的姿態(tài)調(diào)整，將橫梁運(yùn)送至組裝工位的合模位置，姿態(tài)調(diào)整可通過stewart平臺(tái)[6]實(shí)現(xiàn)，如圖5所示；照相測(cè)量系統(tǒng)用于橫縱梁輸送過程中定位孔及連接孔的測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后，獲得合模胎及橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)的調(diào)整坐標(biāo)；合模胎共六臺(tái)，分列軌道兩側(cè)，每個(gè)合模胎可進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，組合起來(lái)可實(shí)現(xiàn)A、B、C軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用于縱梁的調(diào)整定位及橫縱梁的合模，合模胎如圖6所示；當(dāng)橫縱梁合模到位后，通過自動(dòng)穿釘系統(tǒng)穿鉚釘，通過鉚接機(jī)器人鉚接，自動(dòng)穿釘系統(tǒng)集成在鉚接機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，機(jī)器人共兩臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)車架雙側(cè)的同時(shí)鉚接，減小車架的鉚接變形；機(jī)器人基座用于支撐上鉚接機(jī)器人，基座上裝有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需的導(dǎo)軌；平臺(tái)移動(dòng)軌道分為環(huán)形軌道、合模胎移動(dòng)軌道和中轉(zhuǎn)軌道（如圖7），其中，環(huán)形軌道為縱梁定位移動(dòng)平臺(tái)、橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌道，合模胎移動(dòng)軌道用于合模胎的移動(dòng)，滿足多車架的混裝生產(chǎn)，中轉(zhuǎn)軌道用于混裝生產(chǎn)中待用橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)的中轉(zhuǎn)。

1－基座；2－電推桿；3－靜平臺(tái)

1－X向驅(qū)動(dòng)組件；2－Y向驅(qū)動(dòng)組件；3－定位機(jī)構(gòu)；4－Z向驅(qū)動(dòng)組件

圖7 平臺(tái)移動(dòng)軌道

整個(gè)系統(tǒng)的具體實(shí)施流程為：

1）兩臺(tái)上料機(jī)械手協(xié)作將縱梁從縱梁精度料車移動(dòng)至縱梁定位移動(dòng)平臺(tái)并夾緊。

2）縱梁定位移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)縱梁移動(dòng)至合模工位，兩側(cè)合模胎分別夾取各自縱梁并拉開空間，縱梁定位移動(dòng)平臺(tái)通過環(huán)形軌道移回。

3）通過照相測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)量縱梁上的定位孔及安裝孔并進(jìn)行反饋，通過分析計(jì)算得出兩條縱梁的位置偏差，通過合模胎調(diào)整。

4）上料機(jī)械手將橫梁從橫梁精度料車移動(dòng)至橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)并夾緊。

5）照相測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量橫梁上安裝孔的位置，并為縱梁安裝孔位置進(jìn)行比較，分析得出橫梁的調(diào)姿坐標(biāo)。

6）橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)調(diào)姿，將橫梁移動(dòng)至待安裝位置。

7）重復(fù)4-6步驟，直至所有的橫梁移動(dòng)到位。

8）合模胎帶動(dòng)縱梁同時(shí)向中間移動(dòng)，夾緊橫梁。

9）通過自動(dòng)穿釘系統(tǒng)完成穿釘，通過鉚接機(jī)器人鉚緊。

10）合模胎退出，橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)將組合好的車架傳遞至下一工位，并通過環(huán)形軌道移回，完成整個(gè)車架的橫縱梁合模。

方案中設(shè)計(jì)有橫梁的中轉(zhuǎn)工位，從而實(shí)現(xiàn)多種車型不同數(shù)量橫梁的組裝。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過分析現(xiàn)有重型卡車車架的裝配工藝，指出現(xiàn)有裝配過程中的問題，并對(duì)裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提出了一種重型卡車車架自動(dòng)化裝配系統(tǒng)及方法，采用照相測(cè)量系統(tǒng)、合模胎、橫梁調(diào)姿移動(dòng)平臺(tái)等系統(tǒng)將橫縱梁的姿態(tài)調(diào)整至理論位置，通過上料機(jī)械手、自動(dòng)穿釘系統(tǒng)、鉚接機(jī)器人等技術(shù)實(shí)現(xiàn)橫縱梁的鉚接，解決了車架混裝生產(chǎn)、裝配質(zhì)量不高，效率低下、過程難控制等問題，在提高裝配質(zhì)量和裝配效率的同時(shí)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。后續(xù)，我們將根據(jù)本實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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[3] 鞠光.基于輕卡某重載版車型車架系統(tǒng)有限元分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018,10:19-21.

[4] 王忠勝.車架定位合裝胎的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].重型汽車,2012,3:19-20.

[5] 李來(lái)軍,李雪,宛春馳等.趙志慧汽車生產(chǎn)線和焊接技術(shù)的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù),2016,2:1-4.

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Research on the System and Method of Heavy Truck Frame Automatic Assembly

Zhang Liang1,2, Dai Qin1,2, Guo Jianjun1,2, Qiao Yan1, Dong Jin1,2

( 1.The Capital Areospace Machinery Company Limited, China Academy of Launch Vehicle Technology, BeiJing 100076; 2.Beijing Long-March Launch Vehicle Equipment Technology Co., Ltd., Beijing 100076 )

By analyzing the assembly technology of the Heavy Truck frame,find the problems,and optimizing & improving the assembly process,then put forward a new automatic assembly system and method,in order to solve the quality,low efficiency,difficult process control and other problems in the assembly process of the mixed production,this method can improve the quality and efficiency, while reducing the labor intensity of workers.

Heavy Truck; Frame; Automatic Assembly; Rivet

U463.32

A

1671-7988(2019)08-202-03

U463.32

A

1671-7988(2019)08-202-03

張亮（1988-），男，工程師，設(shè)計(jì)員，就職于首都航天機(jī)械有限公司，從事航天類產(chǎn)品輔助工裝設(shè)計(jì)及非標(biāo)設(shè)備研制工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.064