一種伺服柔性定位單元技術

關鍵詞：柔性制造;生產線;焊裝;伺服;定位單元

1 引言

隨著汽車市場的發展，新車型的上市越來越頻繁。為了保持企業競爭力，滿足消費者越來越多的個性化需求，汽車制造業由傳統的單品種、大批量生產方式逐步向多品種、中小批量的生產方式過渡，以生產者為主導的生產方式正逐步向以消費者為主導的生產方式轉變[1]。

在傳統的生產方式下，汽車生產線兼容較少的車型、切換頻次低、柔性差。針對不同的車型，每次都要重新設計工藝及設備，設計周期長、成本高，且兼容性不好。當生產線需要導入新的車型時就要對原生產線重新設計并改造，耗費大量的時間和成本，這種模式將很難滿足市場的競爭力。為彌補不足，提高汽車生產線的柔性化程度，伺服柔性定位單元技術逐步被應用于各大汽車主機廠的焊裝生產線上[2-4]。

在這樣的情況下，為了加強市場競爭力，本司開始研究新的柔性制造生產技術，以應對市場越來越激烈的競爭。

2 現有技術

以往的焊裝生產線為了兼容不同的車型，主要采用工裝定位單元的部分切換或者整體切換方式，切換時間長且繁瑣。并且切換下來的單元還需要大量的場地進行存儲和維護保養，造成空間和時間上的巨大浪費。

生產線的定位單元主要采用隨行夾具的結構，主要包括橇體、切換機構和定位工裝（圖1）。橇體是所有車型兼容共用的;定位工裝有2 個工作位，只能兼容生產2 種車型，通過氣缸的擺動實現車型的切換。當需要導入第3 種車型時就需要打開切換機構，將切換機構上的安裝板和定位工裝整體切換走并存入夾具庫里，將新車型的定位工裝導入進來，從而實現新車型的柔性導入。

由于生產線布局的限制，夾具庫空間小，而且整條線共有20多個隨行夾具，夾具庫只能存放整條線的一套隨行夾具。所以包括夾具庫存放的和生產線上運行的，現有的生產線只能允許2套隨行夾具共4 組車型同時生產。

企業為了滿足顧客的需要，提升企業競爭力，同時開發生產了多種車型。但由于場地和生產成本等限制，生產線并不能無限布置，這就需要生產線能夠同時滿足五六種甚至更多車型的生產需要。在這種情況下，開發一種不需切換就能滿足汽車在X、Y、Z 方向定位精度要求的新技術迫在眉睫。

3 技術開發

經過多年的研究和試驗，本司最終開發出一種可三向滑移的伺服柔性定位單元技術（圖2）。該技術設計的柔性定位系統主要由水平移動系統、水平回轉系統的回轉裝置、豎直升降系統和最上方的定位裝置4 部分組成。該系統主要零件構成如圖3 所示。

3.1 水平回轉系統的定位裝置

定位銷、連接板和氣缸一起組成定位裝置，位于整個機構的頂部，屬于車型的定位工裝。定位工裝是汽車生產線上必不可少的裝置，保持零件在生產線的絕對位置不變化。對于定位工裝來說，有更多的方向、高度切換是至關重要的，可以運用于很多不同的場合。

3.2 豎直升降系統

豎直升降系統包括升降驅動伺服電機、豎直板、安裝板、豎直滑動滾珠絲杠及升降機構安裝座。升降機構安裝座的下端與回轉裝置安裝座連接，上端與定位裝置連接。通過伺服電機給出動力，驅動Y 向滾珠絲杠沿Y 向上下移動，從而帶動定位裝置沿Y向運動。

3.3 水平回轉系統的回轉裝置

回轉伺服電機、回轉裝置安裝座、減速機和移動滑臺，一起組成水平回轉系統的回轉裝置（繞Y 向旋轉，控制X、Z 方向），通過移動滑臺安裝在水平移動系統的上方。回轉裝置通過回轉伺服電機驅動，帶動減速機，通過齒輪嚙合的方式，使得回轉裝置安裝座得以繞Y 軸轉動。而豎直升降系統就設置在回轉座上，所以當回轉座轉動時，定位機構也會同步轉動。

3.4 水平移動系統

水平移動系統（X 向）由X 向滾珠絲杠、X 向導軌、水平移動伺服電機和拖鏈組成。伺服電機啟動，驅動滾珠絲杠沿X 向移動;滾珠絲杠通過一塊安裝板和兩側的導軌連接起來，帶動導軌的滑塊一起做水平X 向運動。采購件導軌的高精度可以確保連接在導軌滑塊上的運動單元不發生Y 向和Z 向的偏差，保證水平移動系統的X 向移動精度。

3.5 伺服柔性定位單元技術精度控制

伺服柔性定位單元的電氣控制系統采用多軸聯動控制，支持多種通訊協議（ 如Modbus、Ethernet/IP、Devicenet、EtherCAT 和CANopen 等），支持本地I/O 直接控制，支持示教調試，并通過主線擴展的方式可以聯動控制更多的運動位置（圖4）。

伺服柔性定位單元技術采用伺服電機驅動，并配合滾珠絲杠和導軌等高精度采購件，通過系統內編寫的控制程序控制其運動軌跡，重復定位精度可達±0.1 mm 以內，足以滿足汽車的定位精度要求[5-6]。

本技術可通過采用不同行程的導軌實現各種運動范圍。在本次開發的技術中，該柔性定位單元NC 可以根據需要進行3 個自由度組合，包括水平直線運動X 軸、旋轉運動Y 軸、豎直直線運動Z 軸及穿孔定位裝置。運動機構分別由伺服電機驅動，其運動軌跡復合既對應空間X、Y、Z 位置，也實現多車型快速切換的柔性定位需求。

通過分析本司各個在產車型定位孔的差異，并預留一些開發余地，該伺服柔性定位單元技術設計的運動行程分別為X 向450 mm、Y 向200 mm、Z 向160 mm， 足以滿足公司目前在產車型的定位要求。另外在實物加工裝配好之后，還經過了長達3 個月百多萬次的重復試驗，確保重復運動精度保持在設計范圍±0.1 mm 以內。

4 技術應用

將伺服柔性定位單元安裝在滑橇上，取代如圖1 所示的隨行夾具機構上定位工裝和切換機構，就構成如圖5 所示的一種新的隨行夾具結構系統。該系統通過程序控制隨行夾具上的伺服柔性定位單元運動行走到多個位置，從而能夠定位多種孔位距離差異在定位單元活動范圍內的車型。

每次導入新的車型時，不需考慮新的工藝和定位工裝，不需切換工裝，只需要增加一些電控硬件單元，通過主線擴展和程序控制的方式，將伺服柔性定位單元行走到正確的位置，就能滿足新車型的定位要求，大大提高生產線的柔性化生產程度。因此，只要新導入的車型孔位距離差異在定位單元活動范圍內，就能將這些車型集中在一條生產線上，實現多車型的柔性共線生產。

即使有新的車型，孔位距離差異超出伺服柔性定位單元的行程范圍，只需選用更大行程的導軌等采購件，就能做出更大工作范圍的伺服柔性定位單元。將之運用到生產線的定位工裝上，可以大大減少新生產線的投入，降低生產運行成本，最終可以大幅降低汽車的市場售價，提高企業競爭力，促進企業更快更好發展。