汽車中通道焊接柔性生產(chǎn)線設(shè)計與應(yīng)用

秦承華， 楊黃銳， 張穎， 熊瑋

(東風(fēng)(武漢)實業(yè)有限公司，湖北武漢 430000)

0 引言

目前在汽車的制造業(yè)中白車身焊接主要有點焊、弧焊、激光焊等多種焊接工藝，工業(yè)機器人取代人工焊接得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于汽車新舊交替需要不停地?fù)Q代更新，或研發(fā)新的車型，能否降低減少設(shè)備投入并及時地焊接出符合裝車要求的零件已經(jīng)成為汽車零部件制造商搶占市場的關(guān)鍵因素。焊接生產(chǎn)線都以高柔性化、智能化的方向發(fā)展，生產(chǎn)線需能夠與產(chǎn)品更新?lián)Q代的頻率保持一致，適應(yīng)多種不同車型的生產(chǎn)顯得尤為重要。

本文作者論述了汽車中通道高柔性焊接生產(chǎn)線的工藝設(shè)計與研究，包括設(shè)備的選型與工裝開發(fā)，為汽車中通道柔性焊接生產(chǎn)線的設(shè)計提供高效的解決方案。

1 柔性中通道生產(chǎn)線設(shè)計

1.1 汽車中通道結(jié)構(gòu)

汽車中通道是目前絕大部分乘用車中都會用到的零部件，它連接機艙和地板，要求強度高。不同的車型，中通道的結(jié)構(gòu)不同，同時產(chǎn)量也不一樣，圖1為公司量產(chǎn)的3種車型的中通道結(jié)構(gòu)，主要由通道本體、加強板和底部線束安裝支架等。

圖1 3種車型中通道產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

1.2 生產(chǎn)線的工藝布局和設(shè)備

中通道產(chǎn)線布局如圖2所示，線體包含機器人系統(tǒng)(機器人本體、控制柜、示教器、焊槍、焊機、修磨器)，控制系統(tǒng)有PLC控制柜、HMI觸摸屏和外圍安全防護(hù)。另外，線體還包含5臺電控夾具，3套伺服旋轉(zhuǎn)臺。

圖2 中通道生產(chǎn)線柔性布局

自動化線體中機器人是非常重要的組成部分，選用FANUC2000ic210f機器人，負(fù)載2 100 N，進(jìn)行焊接與搬運操作，動作靈活，精度高、速度快并且體積較小，適用范圍廣，通用性強[1]。伺服旋轉(zhuǎn)臺可以保證機器人與操作員進(jìn)行交替作業(yè)，減少機器人等待時間，提高生產(chǎn)效率。

伺服焊槍電阻點焊的關(guān)鍵設(shè)備，對于柔性化的生產(chǎn)線起著至關(guān)重要的作用。司法焊槍主要有C型槍和X型槍兩種形式，針對不同的產(chǎn)品，也需選用不同型號的焊槍[2]。汽車中通道上的焊點主要集中在通道主體平面上的焊點以及開擋內(nèi)側(cè)立面上的焊點，因此通過CAE分析可以看到如圖3所示，靜電極較短的X型焊槍具備較強的通用性，可以滿足所有點的焊接[3]。

圖3 焊槍CAE分析選型

2 工裝設(shè)計

2.1 焊接夾具和抓手設(shè)計

焊接夾具是點焊生產(chǎn)線的重要組成部分，其設(shè)計結(jié)構(gòu)直接影響產(chǎn)品焊接的可行性、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍。焊接夾具必須要有足夠的強度和剛度，夾緊放松穩(wěn)定，保證零件的每次裝夾狀態(tài)一致性。另外，需要考慮人機工程，夾具操作靈活，便于拆卸工件，同時也要考慮便于制造、安裝及吊裝[4]。在焊接夾具的本體設(shè)計中，注重采用輕量化設(shè)計，減輕工裝的質(zhì)量，方便吊裝和移動。

根據(jù)中通道的結(jié)構(gòu)與形狀，夾具主體設(shè)計為長條形結(jié)構(gòu)，安裝在旋轉(zhuǎn)臺上，圖4為H車型工序3的夾具，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。搬運抓手是將在夾具上點固完成后的零件抓起來進(jìn)行補焊操作。補焊機器人的設(shè)計可以實現(xiàn)生產(chǎn)線的多節(jié)拍切換，對于產(chǎn)量大的車型則可以啟用補焊機器人。通道體積較大、質(zhì)量大，考慮到機器人的負(fù)載，因此抓手結(jié)構(gòu)設(shè)計最主要保證輕量化與柔性化，圖5為中通道的抓手結(jié)構(gòu)，其主體框架采用鋁制八角管，強度高、質(zhì)量輕，同時可以多孔位安裝定位夾具結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了搬運抓手的輕量化與柔性化特點。

圖4 H車型夾具結(jié)構(gòu)

圖5 抓手結(jié)構(gòu)

2.2 夾具快換

為實現(xiàn)生產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)，工作站的每個夾具工位都設(shè)計成了快換結(jié)構(gòu)形式，如圖6(a)所示。旋轉(zhuǎn)臺座兩側(cè)安裝有滾輪，轉(zhuǎn)臺里側(cè)安裝有伸縮定位銷和限位塊，外側(cè)則是設(shè)計了導(dǎo)向塊1，夾具在旋轉(zhuǎn)臺上的安裝方式如圖6(b)所示。夾具的切換采用快換小車形式進(jìn)行切換，小車的結(jié)構(gòu)如圖7所示，兩側(cè)都采用滾輪承載夾具底板，用鎖緊銷在將夾具與小車固定，小車前部設(shè)計導(dǎo)向塊2與導(dǎo)向塊1進(jìn)行適配。進(jìn)行夾具切換時，將空小車推到轉(zhuǎn)臺框架處，通過導(dǎo)向塊配對找準(zhǔn)位置，夾具伸縮銷退出，即可將轉(zhuǎn)臺上夾具推上小車，然后將承載另外夾具的小車采用同樣的方式推上轉(zhuǎn)臺，如圖8所示。夾具的線路與氣路都采用快插的形式，小車夾具切換的方式高效穩(wěn)定，可快速實現(xiàn)不同車型夾具的切換。

圖6 快換夾具安裝結(jié)構(gòu)示意

圖7 快換小車結(jié)構(gòu)

圖8 夾具切換示意

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

通道生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)如圖9所示。整套系統(tǒng)由PLC控制柜來進(jìn)行控制和管理，包括所有的機器人、夾具、抓手、伺服轉(zhuǎn)臺、修磨器等[5]。控制系統(tǒng)具有自動控制、檢測、保護(hù)、報警等功能。當(dāng)不同車型的夾具切換時，PLC能夠檢測夾具與所選擇車型是否匹配，匹配通過后可控制機器人調(diào)用所對應(yīng)產(chǎn)品的焊接程序進(jìn)行作業(yè)。系統(tǒng)的啟動、停止以及暫停、急停等運轉(zhuǎn)方式均通過觸摸屏進(jìn)行。系統(tǒng)運行狀態(tài)及系統(tǒng)報警可在觸摸屏上顯示如圖10所示，同時系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)也由三色燈顯示。此外，機器人控制柜、示教盒、觸摸屏和安全門上都設(shè)有急停按鈕，發(fā)生緊急情況時可對系統(tǒng)進(jìn)行緊急停止并同時發(fā)出報警[6]。

圖9 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖10 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控圖

機器人工作時速度快，因此安全性必須是第一保證要素，其次要保證產(chǎn)品的質(zhì)量性，還要具備設(shè)備故障報警功能。PLC程序需做多項完整的報警功能，壓縮空氣、冷卻水、安全門、安全光柵以及機器人等報警。另外，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，還有產(chǎn)品的防漏、放錯、防反報警功能，并通過觸摸屏及工位三色燈給予相應(yīng)的指示，機器人自動停止運動，待故障排除后再重新開始工作。

4 結(jié)束語

文中詳細(xì)論述了中通道柔性生產(chǎn)線的設(shè)計開發(fā)。通過伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)、快換夾具與切換小車、補焊機器人的設(shè)計，人性化的自動化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)通道產(chǎn)線的柔性化、多節(jié)拍化，提高生產(chǎn)效率，減少投資成本，具有指導(dǎo)性的意義。