一種出口型簡易柔性頂蓋分拼線的設計

關鍵詞：簡易柔性化;低成本自動化;頂蓋分拼線

0 引言

該簡易柔性頂蓋分拼線的開發目的在于，為國外某公司的一款轎車（包含兩廂、三廂及天窗版）的白車身生產提供質量、精度可靠的頂蓋焊合件總成，并完成對頂蓋總成件的轉運、輸送和精確定位，為后續的上線機器人自動抓取它進入總拼主線創造先決條件。

作為本司第一款出口型的車身分總成（頂蓋焊合總成）生產線，該線在工藝布局、輸送方式、定位方式和簡易柔性化等方面，都在國內同類生產線的技術基礎上，針對國外客戶的需求進行了自主改進和創新。該生產線具有簡易柔性化、適度自動化和成本低廉化的特點，并最終實現整線出口并成功量產的目標。

1 技術要點和難點

（1）由于項目實施策略的原因，國外客戶僅能確認一兩個現有產品在該產線進行生產，而正在研發中的產品數據，僅能靠本司的經驗進行假想和預估。基于“并行工程”的開發理念[1]，本司在控制項目總體成本的同時，將最大化地預留出新車型導入的接口條件及可行性。

（2）這條頂蓋分拼生產線在整線規劃的過程中，面臨空間相對緊湊的現實難題。因為頂蓋分拼只能擺放在主線旁邊，以實現頂蓋對主線的實時供料。而主線上料機器人因為工作半徑的限制，只能在一定的高度上取料，這就意味著對中臺和分拼線出料高度匹配成為一個難點（兩者間的高度差近1 m）。

（3）結合當前國內外大部分轎車車身線從頂蓋分拼到對中臺定位的運輸方式分析如下。

①“ 人工吊運 + 直接對中”的方式需要工人進行隨行操作，吊運過程中無法減少工作崗位。且工人操作吊具在對中臺放件時，處在機器人運轉區域內，存在嚴重安全隱患。

②“ 自行小車吊運 + 直接對中”的方式，由于自行小車的行進軌跡必須經過對中臺上方，導致它的導軌難以避開機器人抓手的工作軌跡。故這種方式也不適用。

③“機器人抓取轉運+ 直接對中”的方式一次性投入較大，機器人利用率較低，且需要更大的無人區域，不符合客戶對場地和設備利用率的精益性需求。

因此，我們只能大膽創新，基于低成本自動化的主導思想[2]，為客戶尋找更為精益的解決方案。

2 解決方案

2.1 工藝布置和生產流程

該頂蓋分拼生產線的3D 工藝布置圖如圖1 所示，整個生產流程如下。

（1）工人從線旁料架中取出橫梁物料，放置到橫梁焊接臺的定位夾具上，并涂膠。

（2）工人操作帶有真空吸盤的吊具G1 將頂蓋外板從料框中取出，借助鋼結構上安裝的滑移系統將零件吊運到橫梁焊接臺上方，并操作葫蘆放下零件。隨后，氣動夾具完成關夾。

（3）工人在橫梁焊接臺完成所有點焊操作后，按動按鈕使夾具打開，然后操作吊具G2 將焊好的頂蓋總成吊起，并從橫梁焊接臺滑移到頂蓋轉運臺的接件位置，而后操作葫蘆完成放件（在輸送皮帶上實現粗定位）。

（4）轉運臺剪刀叉舉升機構升起[3]，頂蓋總成自動到達輸送高度。

（5）皮帶驅動電機啟動，使零件通過傳送帶由轉運臺接件位直線運動到對中臺的對中工作位，先后觸發電機減速開關和零件到位開關，皮帶輸送電機停轉。

（6）對中臺上的4 個修正擋塊同時擺起，二次修正該零件在輸送皮帶上位置。

（7）修正系統復位，對中臺剪刀叉舉升機構下降，零件隨之下降。先經過周邊退讓式柔性對中定位單元的粗導向段修正位置后，再利用零件自重，平滑通過帶有70°斜度的精定位導向面，最終達到頂蓋外輪廓與精定位型面基本吻合（間隙余量在1 mm以內）。

（8）零件精定位到位檢測開關觸發，機器人獲得指令，頂蓋上主線抓手下探，抓取零件。整個工作流程即宣告完成。

2.2 典型機構作用解析

針對難點問題1，本司在橫梁焊接臺采用了“柔性底板+ 可退讓的二級夾緊定位裝置+ 四面體手搖切換裝置”的方式，來解決兼容4 種車型不同頂蓋的難題。其中，頂蓋外板定位夾緊機構均采用氣缸驅動的自動切換方式，通過電控操作面板實現“一鍵式”切換，切換時間更短。而橫梁的定位銷則采用同軸四面體（分別對應4 種車型），由人工90°翻轉即切換一種車型，操作也極為簡單（圖2）。

針對難點問題2 和問題3，本司在橫梁焊接臺和頂蓋總成對中臺之間增加了一個轉運臺，來同時解決“高度匹配”和“人機隔離”的問題。該轉運臺采用剪刀叉舉升機構，以補償員工吊運頂蓋總成的操作面與機器人抓手抓取點之間的高度差，使得抓取機器人的選型得到優化。與此同時，再結合電機驅動的皮帶式輸送機構，將零件進行較長距離的輸送，省去了剛性、笨重的零件隨行托架。這使得整個過程無需考慮如何實現隨行托架的循環使用，避免了由此產生的復雜而龐大的托架循環轉運系統（圖3）。

但是，皮帶式輸送機構有一個缺點：如果初始端零件定位偏差較大，經過一段距離的傳送后，有可能在終點端產生無法修正的偏移量，令對中臺難以正常接納零件。因此，本司專門設計了吊裝導向（8 點限位）系統，將吊具吊來的頂蓋總成限制在一個單邊誤差僅為5 mm 的范圍內，且導向桿均獨立可調，以保證初始端零件定位的大致精度。在柔性預留方案中，這個8 點限位在應對外形輪廓差異較大的頂蓋零件時，還可升級為氣動擺動式退讓機構進行一鍵切換，以確保初始定位系統具有足夠的柔性。

而在輸送機構末端的對中臺兩側，各安裝了2 套擺動式二次定位修正機構（圖4）。當輸送皮帶停止運行后，由它們對頂蓋的姿態進行糾正，確保零件在經過較長距離的輸送后，仍然能夠落入更為精確的對中修正區域。隨后在對中臺剪刀叉機構的下降過程中，頂蓋總成零件利用自身重力，順勢在具有精密光潔斜面的導向定位塊上自然滑落，快速進入理論位置（誤差范圍±1 mm）。而對中臺的平臺安裝面上預制了均勻排布的標準安裝孔，使得整個二次定位修正系統還可以進行升級，直接加入新的二次定位修正單元和退讓式柔性對中定位單元，即可生成對新車型頂蓋的二次精定位能力（圖5、圖6）。

2.3 結構創新點

這套簡易柔性化分拼系統的主要創新點如下。

（1）橫梁焊接臺采用了柔性底板和可退讓的二級氣動夾緊定位裝置及四面體手搖切換裝置，可以實現4 種車型不同頂蓋的快速柔性切換。

（2）轉運臺采用剪刀叉舉升機構，配合皮帶式輸送機構完成舉升和轉運動作，整體結構簡單，安全可靠，并具有較高的生產節拍。與機器人抓件轉運方式相比，線體空間更緊湊，設備投資更低廉。

（3）對中臺采用剪刀叉舉升機構和皮帶式輸送機構，巧妙利用運輸工作面和定位工作面的垂直高度差，利用零件自身重力和下滑趨勢，修正轉運中造成的誤差，把頂蓋總成最終限定在準確的空間位置，為機器人抓手準確抓取和上線定位提供了良好的定位參照。

（4）基于“并行工程”的開發理念，在控制整體成本（減少設備投入）的同時，最大化地預留出新車型導入的接口條件及可行性（柔性拓展方案）。

（5）整個系統結構較為簡單、緊湊，占地面積較小，且具有一定的自動化程度，人機環境也較為安全、友善。同時，設備成本相對低廉，非常適合針對發展中國家的技術或產線出口。

3 結束語

該出口型簡易柔性頂蓋分拼線的成功開發，大大增強了本司在外貿型焊裝分拼線設計方面的技術儲備和經驗儲備，推動了企業海外業務的持續拓展。它的設計理念、設計思路對本司后續的各種外貿型分拼線設計具有很高的參考價值，值得進一步挖掘及推廣。