白車身焊裝輸送系統及其柔性分析

郭維 蒙文范 劉參參

摘 要：本文介紹了幾種在白車身焊裝過程中常用的幾種輸送形式，描述了各種輸送形式的特點及其適用生產條件，并深入探討各種輸送形式在應對現代白車身焊裝生產模式中的解決方案，闡述了個人對先進智能白車身焊裝技術發展中應用到的高自動化、高柔性、高節拍輸送形式的看法及其解決方案。

關鍵詞：白車身焊裝;輸送系統;智能制造;自動化;柔性技術

在白車身的焊裝過程中，白車身的焊裝零部件均是按照焊裝工藝在各個規劃的“站點”完成上件與焊接的，然后轉移至下一“站點”進行下一步的上件與焊接。我們這些“站點”稱之為工位，把白車身在工位間的轉移稱之為輸送。目前常用的輸送形式有：吊運輸送、往復桿輸送、鏈式輸送、抓手搬運輸送、滾床輸送等形式，本文將對這幾種輸送形式進行介紹和分析。

1 吊運輸送

吊運輸送是最基本的一種輸送形式，其工作方式是通過吊具將白車身零件固定后，利用吊具上方的提升機構（氣動葫蘆或點擊）將白車身零件提升并脫離夾具系統，然后轉移至下一工位，將白車身零件放入夾具系統后，吊具脫離白車身零件并上升回位的循環過程。吊運輸送形式最大的優點就是低成本、易維護;其缺點也很明顯，就是效率低下，單個吊運循環所需時間達到30秒到40秒左右;當這種輸送方式應用在較大白車身零件（地板總成、側圍總成、白車身總成）生產線的時候，對人機工程的影響也大;同時吊具的設計受到不同車型之間差異的影響，比較難以實現同一吊具對不同車型的吊運，因此吊運輸送一般應用在對生產節拍要求不高（約30JPH）的單一車型手工焊裝生產線上，滿足小批量的白車身生產需求。但也正是因為吊運輸送低成本、柔性功能不強、占用空間小的特點，在許多分總成的焊裝生產上卻經常應用，比如前艙總成、前地板總成、后車架總成等。這類分總成的焊裝工藝特點是多數工位都有零件需要焊接、車型差異大導致不方便柔性生產、本身重量小等，正好與吊運輸送的特點相符，所以在白車身零部件焊裝廠或者主機廠內的分總成焊裝區域經常出現。

2 往復桿輸送

往復桿輸送是最常見的一種輸送形式，其主要由輸送托架、頂升機構 、水平運動機構三部分組成。工作方式是首先通過頂升機構將輸送托架提升，輸送托架在提升過程中將白車身零件一同提升并脫離定位夾具系統，再通過水平運動機構將輸送托架和白車身零件一同轉移到下一工位，然后頂升機構下降，白車身零件下落至定位夾具系統中，最后水平運動機構將輸送托架往回輸送到起始位置的循環過程。往復桿輸送需要生產線呈直線布局，并且工位間的距離（輸送節距）一致，單個往復桿循環所需時間根據節距決定，頂升機構的單個頂升或下降所需時間為2秒左右，水平運動速度約為1米/秒，以節距為6米的往復桿輸送機構為例（一般白車身總成長度在4.5米到5米之間），單個往復桿循環包括頂升——向前平移——下降——向后平移四個運動步驟，加上每個步驟之間信號傳輸和停頓時間，單個循環所需時間最快不超過20秒。在生產條件允許的情況下，一些焊裝生產線上可以利用往復桿輸送的回程時間進行生產操作，這樣輸送時間可以達到15秒以內。相比吊運輸送，往復桿輸送具有節拍高、人機工程好、自動化程度高、輸送精度高等優勢，其柔性功能較吊運輸送類似，多種車型在輸送托架上的托點位置不一致時，只能在輸送托架上對不同車型之間的托點進行共用或避讓設計，這樣就限制了往復桿輸送機構的柔性功能。因此往復桿輸送一般用于大型白車身零件（下車體總成、側圍總成、總拼區域等）且較少車型共線生產的批量（生產節拍可達40JPH以上）生產模式中。

在往復桿輸送的白車身焊裝生產線上，往復桿輸送機構一般布置在白車身下部中間±350mm的空間中，輸送托架的托舉點選取在下車體前部、中部、后部三部分各自的橫梁上，以保證白車身在輸送過程中的穩定性，同時Y≤±350mm的空間對車身定位夾具的影響也最小。其頂升方式一般有齒輪齒條機構和凸輪連桿機構兩種形式（插圖）。

齒輪齒條機構的原理是通過拉動水平放置的齒條帶動齒輪，齒輪再將運動傳遞給豎直放置的齒條實現豎直齒條的上下運動。由于單組齒輪齒條的運動不足以帶動整條往復桿的升降，這種形式的往復桿輸送機構需要由多組齒輪齒條機構組成，一般單個工位需要前后兩組齒輪齒條機構。整條往復桿輸送機構僅有一條水平齒條，但其并不是頂升的動力源，而是給整條往復桿輸送的頂升與下降提供同步平衡，保證每組齒輪齒條機構能同時等距上升和下降。由于水平齒條為整個輸送機構提供了可靠的同步性，這種輸送形式上升和下降的驅動一般分攤到每個工位上或者在每組齒輪齒條機構的附近，通過頂升輸送托架下的縱梁實現其上升，利用重力作用實現其下降，亦可在水平齒條上提供動力源，輔助整條輸送機構的上升和下降。

凸輪連桿機構的原理是通過凸輪在電機帶動的周期性運動中的行程變化來改變連桿機構高地位來實現這種往復桿機構的上升和下降。由于在連桿機構高地位的變化過程中，連接點會產生一定量的前后位移，如果不將此位移消除的話，往復桿在帶動白車身上升或下降過程中會對線旁夾具產生干涉，所以在這種形式的往復桿支撐縱梁與連桿機構之間必須要有相應的設計來消除這個位移。凸輪連桿機構的動力完全由電機提供，這就對電機功率提出了較高的載荷分析要求。

綜合比較兩種往復桿的舉升機構，齒輪齒條機構原理簡單、可靠性和穩定性較凸輪連桿機構高，但其對加工的要求較后者要高，安裝與調試也比凸輪連桿機構復雜。

3 滾床輸送

輥床輸送是一種輸送效率較高、柔性功能較好的輸送形式，其主要由滑橇、輥床、升降移載機構、滑橇返回機構組成。輥床輸送的工作方式是通過輥床上自帶的滾輪驅動機構帶動放置在其上方的滑橇向下一輥床工位移動，至末尾工位時滑橇進入線尾升降移載工位后，通過升降移載機構進入滑橇返回機構送回線頭升降移載工位，再通過升降移載機構將滑橇送至首工位，完成一個輸送循環。滑橇在滾床上的位置通過輥床上的激光掃碼器和滑橇上的編碼尺確定，因此普通滾床對滑橇的定位精度較差，一般用于補焊工位;對于有上件需求的精確定位滑橇可在上件工位上放置帶升降功能的滾床，當滑橇進入升降滾床粗定位后，升降滾床下降，將滑橇落入滾床上的定位銷中實現精定位，工序完成后滾床再上升到原位并輸送到下一工位。由于滑橇的返回不占用節拍時間，所以滾床輸送在工位之間的時間就短了，按照滾床輸送滑橇的速度1m/s、節距6m計算，其輸送時間僅8秒左右，是目前各主機廠使用較多的一種高效輸送形式。白車身在滑橇上一般只有前后主定位的少量定位工裝，以免滾床負載過大，因此這種輸送形式一般用在地板和主線這樣上件工位較少、補焊工位較多的生產線上。

當需要在生產線上柔性多種車型時，首先考慮在滾船負載允許的條件下將定位工裝設計為可翻轉的機構，這樣便可低成本地多生產一種車型;其次可在滑橇上劃分多車型定位頻次較多的區域，并在這些區域上分別設計通用的機械及電氣切換接口，定位工裝與滑橇的連接部分也有相應的機械及電氣接口，這樣就可以通過這種通用接口在某個工位對定位工裝單獨進行切換;也考慮在升降移載工位或是滑橇下線檢修工位進行滑橇的整體切換。綜合以上幾種柔性方案，可更大限度和更低成本地開發輥床輸送形式的柔性功能。

4 鏈式輸送

鏈式輸送類似于滾床輸送形式上把所有的滑橇連接在一起。由于鏈式輸送一般采用鏈式連接，其輸送效率較低但平穩。為保證輸送效率，多數鏈式輸送線經停每個工位，而是一直連續輸送，所以這種輸送方式在白車身焊接車間中的調整線上應用比較多，在總裝和涂裝車間也應用廣泛。

5 抓手搬運

抓手搬運形式是吊運輸送形式全自動化生產線上的應用模式，抓手取代了普通吊具，而機器人取代了工位間的移載機構。抓手搬運模式與吊運輸送相比，輸送效率明顯提升，且安全性和重復搬運精度都比較高，是一種高效率的輸送形式。但由于這種形式使用了機器人，成本也隨之大幅上升;同時抓手與零件的匹配程度高，基本上抓手與零件是一對一的關系，所以柔性功能較差。較好的場地和工藝規劃可以使一套機器人抓手在多個工位間進行零件的搬運，這可以在一定程度上提高了設備的使用效率，同時也可在機器人負載允許的條件下，在一個抓手上多增加一兩種零件的抓取機構，實現在不切換抓手的前提下抓取多種零件。

6 結束語

以上所述的幾種輸送模式在白車身焊裝車間中使用較為廣泛，其中吊運輸送、抓手輸送可歸類為點到點的輸送，往復式輸送、滾床輸送和鏈式輸送可歸類為線性輸送。由點到線是輸送模式升級并提升效率的進程，同時我們也可以看到在生產工序中越是靠前的工序，其輸送方式越簡單甚至效率越低下，這是零件差異性所限制的。而現代白車身的生產工藝又是綜合性的，在不同使用場景中采用與之相對應的輸送形式，或者綜合使用多種輸送形式可使成本和效率的收益最大化。

參考文獻：

[1]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]韓跟云.汽車車身焊接夾具的設計[J].新技術新工藝，2011（8）：11-12.

[3]王旭敏.汽車焊接夾具的設計[J].電子機械工程，1999（12）：77-78.