白車身焊接線工裝設備設計維修性考慮

呂業成

(上海賽科利汽車模具技術應用有限公司，上海 201209)

0 引言

自20世紀80年代末起，以用戶為中心的設計(User-centered Design,UCD)成為一種新興的產品開發概念與方法[1]。維修性作為一種由設計決定的質量特性，必須在產品設計的論證與方案階段就予以注入，從而使維修性具有貫穿產品設計與制造全過程的指導意義[2]。維修性是表征裝備維修簡便、迅速和經濟程度的特性，維修性的好壞關系著維修所需的人力、時間以及資源消耗[3]。在過往的產品維修性設計中，更多地反映的是“設計者的聲音”，而非“用戶的需求”[4]，這樣容易導致設計出來的產品雖然具備使用功能，但可維修性不好。

任何一臺工裝設備，不可避免會出現故障，尤其是設備初期的調試以及后期隨著老化、磨損以及疲勞地逐步深入，出現故障的概率較高。一旦出現故障，需要第一時間進行維修來排除故障。所以就要求在工裝設備設計階段，需將設備的可維修性充分考慮其中，它直接關系到生產效率。維修的便利性、維修成本以及維修安全性是白車身焊裝生產線工裝設備維修主要關注點。

1 工裝設備維護便利性考慮

維修的便利性和維修效率直接掛鉤，在工裝設備設計時需要充分考慮。

1.1 焊裝夾具維修便利性

焊裝夾具是由加工件、外購件通過內六角螺栓連接在一塊，焊裝夾具在維修過程中，最常用的工具為內六角扳手，內六角扳手基本尺寸見表1，內六角扳手(GB/T 5356—1988)規格如圖1所示 。在設計時，應參考內六角扳手規格，預留出內六角螺栓的拆裝空間。根據內六角扳手的基本尺寸，很容易看出圖2預留的維修空間小，扳手沒有操作空間，氣缸不能直接進行拆卸，需要將限位塊和連接塊拆除后才能更換氣缸，影響備件更換效率。工裝夾具的主要功能為定位、夾緊，以保證焊接過程中產品尺寸穩定，但在夾具設計時，不能僅僅只考慮滿足基本功能，還需考慮現場工裝夾具調試的便利性，如圖3所示，位于中間位置的兩個壓塊，其墊片調整十分不便，需要先將這兩個壓塊完全拆除，才能調整墊片，合理的設計只需將螺栓松動，通過抽插墊片即可實現墊片的調整。在夾具設計時，這種不合理結構設計應當規避掉。

表1 內六角扳手基本尺寸

圖1 內六角扳手規格

圖2 內六角扳手維修空間

圖3 夾具設計示意

對于慣性較大的場合，如翻轉機構和滑臺機構，巨大沖擊力對氣缸的活塞壽命影響很大，設計上需要增加緩沖器，減小沖擊力，延長氣缸的使用壽命。圖4是翻轉機構和滑臺機構設置緩沖器的場合，在氣缸伸出和縮回的兩個極限位置分別安裝緩沖器。

圖4 翻轉機構和滑臺機構設置緩沖器

在工裝夾具設計的機構中，經常使用到滑塊、軸承、滑軌等零件，這些活動零件需要考慮潤滑，干摩擦非常影響使用壽命。因此在夾具設計過程中，需要預留出加油槍的操作空間，但有時因夾具定位需要或者避讓焊槍的需要，無法騰讓出加油槍操作空間，此時需要通過集油塊將加油嘴的位置引到空曠區域，以便加油槍注油，圖5為集油塊應用實例，滑臺機構中的滑塊位于安裝板下部，無法對其實施加油，利用集油塊將原滑塊的加油嘴引到集油塊上，將集油塊安裝的空曠位置方便加油。

圖5 集油塊應用實例

夾具每使用一段時間，就需要標定一次，才能長期保證定位精度。工裝夾具設計中，需要考慮三坐標測量設備安放位置。為了便于測量，設計時應考慮所有基準坐標孔不被其他零部件遮擋，基準坐標孔應盡可能涵蓋所有被測單元，基準坐標孔數量應視工裝大小設定(至少3個)，相鄰孔的間距控制在500～800 mm之間。

在夾具設計時，要給有機加零件、氣路元件、電氣元件設定特定編號，如圖6所示，對于機加零件，直接在零件非加工面上打上零件鋼印號，氣管和電纜上綁上標簽。一旦產線出現故障，可根據HMI顯示的故障代碼，結合現場的特定編號，可以迅速找到發生問題的區域，提高問題診斷效率。

圖6 夾具上的特定編號

1.2 大型外購設備維修便利性

工藝設備中機器人、焊槍等大型外購設備的維修是車間非常關注的問題點，對于這些設備的大修，常用的方法有3種：(1)靠近圍欄并且周圍沒有阻礙物可選擇用叉車鏟出來的方法;(2)增加移除鋼結構，用葫蘆將設備從空中吊出來;(3)采購吊車將設備吊裝出來，這些大設備的維修更換方案在工藝規劃設計階段必須考慮。

每臺機器人都應預設維修位，當機器人本體以及機器人攜帶的設備只是小修或簡單的故障排查，直接調用維修位程序，將機器人調至維修位就可以開展維修工作，無需專業維修人員通過操作機器人示教器將機器人緩慢移至合適維修位置。機器人設定維修位，提高維修效率。

對于維修空間受限的場合，需要預留足夠的維修空間。如圖7所示轉臺，對于外購轉臺設備，出現故障概率最高的就是電機，因此在設計轉臺工裝時需要為電機維修提供必要的維修空間，通常高度h保證不小于400 mm，以滿足維修需要。

圖7 轉臺電機維修空間

2 工裝設備維修成本考慮

定位銷、拖壓塊是每臺夾具的定位零件,因與工件直接接觸，因此磨損會隨著時間推移而逐步加劇，達到一定期限，必須將其更換，才能保證夾具精度。因此在設計時，需要對定位銷、托壓塊的材料和表面熱處理進行特殊規定，以保證其使用壽命。這些定位元件不能頻繁更換，因為每次更換都需要進行標定，確保更換前后定位精度一致，更換十分耗時，因此保證了這些定位元件的使用壽命，減小更換的頻率，就是節約定位零件更換成本。

氣缸是工裝夾具中最常用也是提供動力的原件，因此在進行工裝夾具設計時，對于氣缸的維修需充分進行考慮。在手動焊接工位，工人手持焊槍焊接過程中，操作不像自動工位機器人一樣精準，焊槍容易碰到氣缸感應器和節流閥，而導致的損壞，所以需要對所有手動工位的夾緊缸需要安裝氣缸保護罩,如圖8所示，起到保護感應器和節流閥不被焊槍撞壞，從而減少氣缸備件的消耗。

圖8 手動工位氣缸增加保護罩

在工裝夾具設計時，易損件盡量使用標準件，如定位銷、限位塊，這些易損件隨著生產的進行會逐漸磨損，當磨損達到一定程度就需要更換。標準件具有互換性特點，因此不需要專門進行備件。只需從標準件備件中挑出直接使用，不僅可以減少備件種類，而且還節約維修更換時間。由此可以看出，易損件使用標準件可以節約維修成本。

焊接車間焊接飛濺無處不在，對于執行元件裸露部位、螺栓及銷釘要給予保護，否則十分影響執行元件性能和壽命以及螺釘和銷釘的拆卸，如圖9所示，其中圖9(a)對滑軌設計保護罩，圖9(b)對于氣缸活動導桿部分設計保護罩，圖9(c)對螺栓和銷釘安裝防塵帽。采取這樣的防焊渣保護措施，可以有效節約維修成本。

圖9 防焊渣保護

在工裝設備設計時，外購件選型需要優先考慮線生產使用的外購件品牌型號，以減少備件采購，節約外購件備件采購成本。

3 工裝設備維修安全性考慮

維修時人員的安全性需要擺在最高位置，在工裝設備設計時需要予以足夠重視。在焊裝生產線規劃時，有時因場地緊張、機器人可達性等問題，有些工裝設備安裝在較高位置，如圖10所示，涂膠槍最低端距離地面高度為3 m，維修人員站在地面無法對涂膠槍實施維修，此時需要設計一個周圍配有安全護欄的維修平臺，以供維修人員維修涂膠設備。此案例中，在涂膠過程中機器人與維修平臺的安全護欄干涉，安全護欄需要設計成活動式的，在涂膠作業時安全護欄下降，機器人抓件正常涂膠，保證設備安全；在維修時安全護欄升起保護維修人員安全，防止墜落。

圖10 涂膠槍維修案例

焊接生產線工裝設備設計中，常涉及到轉臺、轉轂、大型滑臺機構的設計，這些機構，設計時需配置安全維修插銷，在對這些機構實施維修的過沖，確保設備絕對不能運動，以免造成維修人員的傷害，圖11為轉臺機構配安全插銷設計案例。

圖11 轉臺機構配安全插銷

4 結束語

白車身焊接生產線在規劃設計階段，需要充分考慮工裝設備的可維修性。維修時間越長，對產量影響越大，嚴重情況還可能導致整車停線，造成的巨大經濟損失。文中提出在工裝設備設計階段將可維修性考慮其中，即在設計階段就將維修便利性、維修成本及維修安全性考慮其中，目的就是為維修提供很好的基礎條件，以期節約維修成本、提高維修效率。