車身焊裝生產(chǎn)線自動(dòng)傳輸技術(shù)淺析

張曉龍 竇志遠(yuǎn) 杜雨萌 崔超 王迪 艾學(xué)崇

（一汽模具制造有限公司，長春130013）

1 前言

自從第一條流水線在汽車行業(yè)投入使用，百年來汽車生產(chǎn)制造技術(shù)不斷革新。流水線，就是要把各生產(chǎn)單元連成線，而傳輸設(shè)備就是連接的紐帶。隨著市場(chǎng)需求的變化，汽車制造正向著智能化和柔性化的方向逐步邁進(jìn)，傳統(tǒng)的流水線式生產(chǎn)布局也顯露出柔性不足等缺點(diǎn)，更新的島式生產(chǎn)布局方式已經(jīng)從概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。與流水線式生產(chǎn)相比，島式布局的生產(chǎn)線物料不必走固定的生產(chǎn)線路，甚至生產(chǎn)工具也可根據(jù)需要變換位置，這樣使得生產(chǎn)更加柔性化，更加適應(yīng)個(gè)性化、定制化的市場(chǎng)需求。

當(dāng)前，傳統(tǒng)的流水線式生產(chǎn)依然十分普遍，其中應(yīng)用的的自動(dòng)傳輸設(shè)備多種多樣。目前應(yīng)用較為廣泛的傳輸形式有：輥床-滑橇、輥床-隨行夾具、往復(fù)式傳輸小車等，此外往復(fù)桿、桁架機(jī)械手自動(dòng)懸掛小車、皮帶輸送機(jī)、板鏈傳送帶等也比較常見。而隨著島式生產(chǎn)布局方式以及自動(dòng)化物流的興起，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vihicle,AGV）在焊裝行業(yè)的應(yīng)用迅速增長，幾乎到了每個(gè)焊裝項(xiàng)目必有AGV的程度，這無異于一場(chǎng)自動(dòng)傳輸技術(shù)的革命。目前，AGV在物料輸送、工裝器具切換等方面投入實(shí)際應(yīng)用。未來，隨著立體庫、自主導(dǎo)航等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，車身制造業(yè)有望在AGV的幫助下實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)。

2 焊裝線常見傳輸形式

按照零件載體返回初始工位的方式不同，焊裝線的零件傳輸可以分為往復(fù)式和循環(huán)式。往復(fù)式傳輸是指載體在前后2個(gè)相鄰工位件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每次完成工位件的零件傳遞，載體都回到初始工位，典型的傳輸形式有往復(fù)式傳輸小車、往復(fù)桿。循環(huán)式傳輸，完成1次工位件傳輸后，載體不會(huì)回到初始工位，而是等待零件完成工藝過程繼續(xù)向前傳輸，直至行進(jìn)到生產(chǎn)線末端，再通過返回通道回到生產(chǎn)線的初始工位，典型的傳輸形式有輥床-滑橇傳輸、輥床-隨行夾具傳輸。

2.1 往復(fù)式傳輸小車

2.1.1 往復(fù)式傳輸小車的構(gòu)成

往復(fù)式傳輸小車輸送系統(tǒng)有軌道、升降小車、臺(tái)車等部分構(gòu)成。整條生產(chǎn)線的軌道貫通，保證小車可以在相鄰工位間往返運(yùn)動(dòng)。臺(tái)車固定在升降小車的頂板上，用來支撐車身零件。車身零件的工藝操作是在下夾具上進(jìn)行的，當(dāng)工藝完成，小車升起使得零件脫離下夾具一定高度，小車開始沿軌道水平運(yùn)動(dòng)，行走過程通過伺服電機(jī)定位，小車準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)到下一工位后開始下降，零件就被放到下一工位的下夾具上，小車?yán)^續(xù)下降使得臺(tái)車脫離零件一定距離后，小車返回至前一工位，傳輸過程結(jié)束。

2.1.2 往復(fù)式傳輸小車的應(yīng)用

往復(fù)式傳輸小車多用于采用往復(fù)式傳輸?shù)能嚿淼匕寰€和主焊線，其優(yōu)勢(shì)在于支持不等工位間距，柔性較好，無需額外建設(shè)臺(tái)車返回線從而節(jié)省空間等。由于各個(gè)小車獨(dú)立升降和行走，因此可以實(shí)現(xiàn)不等工位間距輸送。通過小車的拖鏈，可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)車上電氣介質(zhì)的導(dǎo)通，定位部件能夠自動(dòng)切換，使得臺(tái)車的柔性有所提升。圖1所示為往復(fù)式傳輸小車輸送系統(tǒng)的構(gòu)成。

圖1 往復(fù)式傳輸小車輸送系統(tǒng)

往復(fù)式傳輸小車也有其局限性：首先，由于升降小車依靠齒輪齒條副傳動(dòng)沿地面精密軌道行駛，對(duì)軌道及齒條安裝精度要求高，安裝調(diào)試難度較大，同時(shí)齒輪齒條、導(dǎo)軌等需要定期點(diǎn)檢和潤滑，否則容易出現(xiàn)故障或降低使用壽命；然后，由于采用往復(fù)式傳輸，小車返回前一工位的過程占用一定時(shí)間，因此完整傳輸循環(huán)時(shí)間較長，一般在16 s以上，實(shí)際使用時(shí)為避免臺(tái)車返回占用時(shí)間，當(dāng)臺(tái)車返回對(duì)工位工藝操作不影響時(shí)，也可以在小車返回的同時(shí)開始工藝操作。

2.2 輥床-滑橇傳輸

2.2.1 輥床-滑橇傳輸形式的組成

輥床-滑橇傳輸系統(tǒng)通常包含升降輥床、滑橇等部分，其中輥床輸出升降和水平傳輸?shù)膭?dòng)力，滑橇是零件傳輸?shù)妮d體，下夾具則用于零件定位。當(dāng)零件在前一工位下夾具上完成生產(chǎn)工序，輥床升起，滑橇將零件托起脫離下夾具一定距離，待整線輥床都升至高位后開始水平傳輸，滑橇將零件準(zhǔn)確運(yùn)至下一工位，該工位輥床下降，零件落至下夾具，實(shí)現(xiàn)零件在生產(chǎn)線上的傳輸。輥床的升降通常由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，升降過程依靠編碼器定位，接近傳感器做輔助到位判斷；水平行走一般靠普通交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配有變頻控制，通過接近傳感器做減速、到位控制，到位后一般利用伸縮銷對(duì)滑橇進(jìn)行機(jī)械定位。圖2所示為輥床-滑橇輸送系統(tǒng)的構(gòu)成。

圖2 輥床-滑橇輸送形系統(tǒng)

2.2.2 輥床-滑橇傳輸形式的應(yīng)用

輥床-滑橇傳輸系統(tǒng)用作循環(huán)式傳輸，經(jīng)過空中返回線回到生產(chǎn)線首工位。返回線除了完成滑橇的循環(huán)也有助于實(shí)現(xiàn)零件的緩存，與往復(fù)式傳輸線相比，因?yàn)橐ㄔO(shè)專門的滑橇返回線，所需空間較大，建造成本也較高。有的焊裝線受空間、成本限制，無法建造滑橇返回線，輥床-滑橇也可用作往復(fù)式傳輸。用于往復(fù)式傳輸時(shí)，當(dāng)傳輸完成零件落入工位夾具上之后，滑橇不是在零件下方等待，而是繼續(xù)從零件的下方返回前一工位，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)輸送循環(huán)，這樣就無需再建設(shè)專門的滑橇返回線。

由于各個(gè)輥床獨(dú)立升降，因此采用輥床-滑橇傳輸時(shí)，線體各工位長度可根據(jù)工藝設(shè)備布局需要自由選擇。通常，傳輸節(jié)拍在15 s以內(nèi)的升降輥床稱為高速升降輥床，多用于年生產(chǎn)綱領(lǐng)20萬輛以上的焊裝生產(chǎn)線。有些焊裝線，升降輥床的傳輸節(jié)拍甚至達(dá)到10 s以內(nèi)。

2.2.3 常見的輥床樣式

升降輥床是一種成熟的機(jī)械設(shè)備，不同廠家的設(shè)備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理近似，主要區(qū)別在于升降機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)形式，據(jù)此可將升降輥床大致分為2類，雙塔式（圖3）和拉桿式（圖4）。

圖3 雙塔式升降輥床

圖4 拉桿式升降輥床

雙塔式升降輥床的升降機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩端的塔通過渦桿-滾輪機(jī)構(gòu)或者齒輪-齒條機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成上下直線運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)輥床臺(tái)面升降。拉桿式升降輥床的升降機(jī)構(gòu)同樣由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過平行連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輥床臺(tái)面升降。某些較先進(jìn)的拉桿式升降輥床配有蓄能機(jī)構(gòu)，可有效減輕升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷，在降低設(shè)備制造和使用成本上優(yōu)勢(shì)明顯。

拉桿式升降輥床維護(hù)較為簡(jiǎn)便，只需定期對(duì)其托輥、同步帶等定期點(diǎn)檢和維護(hù)。對(duì)于雙塔式升降輥床，其升降塔包含蝸桿、滾珠滑塊等零部件，需要定期潤滑，否則會(huì)影響使用壽命。需要將輥床升起進(jìn)行檢查或維修時(shí)，一定要注意使用維修立柱，防止輥床突然下落傷人。

2.3 輥床-隨行夾具

2.3.1 輥床-隨行夾具傳輸形式的構(gòu)成

輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)主要由輥床、隨行夾具等構(gòu)成。與其它線體形式不同，其夾具隨車身零件在輥床上同步行走，因此成為隨行夾具。隨身夾具本身帶有氣缸等夾緊部件，零件固定其上，兩側(cè)的機(jī)器人可以直接進(jìn)行工藝操作。因?yàn)閵A具是隨工件行走的，因此生產(chǎn)線的柔性大大提高。圖5所示為輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)的構(gòu)成。

隨行夾具上需要進(jìn)行工藝操作，因此對(duì)其停止位置精度要求較高。通常，隨行夾具依靠編碼尺-讀碼器（圖6）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，定位精度一般在0.3 mm以內(nèi)，足以滿足補(bǔ)焊、涂膠等工藝的需要。在主拼、沖孔等對(duì)零件位置精度要求高的工位，通常會(huì)對(duì)隨行夾具進(jìn)行二次機(jī)械定位，常用的方式是使用升降輥床和下夾具，如圖7所示。升降輥床帶動(dòng)隨行夾具下降，落入下夾具，下夾具的定位銷和夾緊器將隨行夾具準(zhǔn)確定位并鎖緊。

圖6 編碼尺-讀碼器位置檢測(cè)

圖7 升降輥床-下夾具定位

2.3.2 輥床-隨行夾具輸送形式的應(yīng)用

輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)多以體外循環(huán)的形式呈現(xiàn)，生產(chǎn)過程中，隨行夾具攜帶零件順次經(jīng)過各生產(chǎn)工位，在生產(chǎn)線的末端進(jìn)入空中返回線。空中返回線可設(shè)置隨行夾具存儲(chǔ)區(qū)，用來存放未生產(chǎn)車型的隨行夾具。這一系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢(shì)在于柔性化。首先，隨行夾具本身可以采用柔性化設(shè)計(jì)，可導(dǎo)通電氣介質(zhì)實(shí)現(xiàn)定位部件的自動(dòng)切換，統(tǒng)一夾具可容納不同的車型；然后，生產(chǎn)線上夾具不固定，因此可配備多種隨行夾具以適應(yīng)不同平臺(tái)車型的工藝需要。此外，相較于其它輸送形式，隨行夾具的傳輸過程省去了臺(tái)車升降的時(shí)間，輸送節(jié)拍更短，一般在6～8 s，尤其適用于高生產(chǎn)綱領(lǐng)的焊裝線，國外有公司建成高達(dá)80 JPH的焊裝線，就是采用輥床-隨行夾具輸送形式。

輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)的建造和使用成本較高，主要原因如下。

（a）為滿足隨行夾具的輸送和存儲(chǔ)的需要，往往需要建設(shè)大面積的空中返回線和存儲(chǔ)線，造成較高的前期投入；

（b）隨行夾具結(jié)構(gòu)沉重，傳輸時(shí)需要較大驅(qū)動(dòng)力，輥床的電機(jī)、同步帶等需要較高的規(guī)格，同時(shí)較大的負(fù)載也造成輥床的托輥、同步帶、定位機(jī)構(gòu)等損耗較快，造成較高的維護(hù)成本；

（c）隨行夾具編碼尺-讀碼器位置精度要求高，控制系統(tǒng)成本較高。

建造和使用成本較高是限制輥床-隨行夾具輸送系統(tǒng)推廣使用的原因之一。此外，隨行夾具的運(yùn)動(dòng)給車身精度控制造成一定程度的不利影響。

2.4 其它傳輸設(shè)備

除上述輸送形式外，焊裝線常用的傳輸設(shè)備還有往復(fù)桿、桁架機(jī)械手、積放鏈、自動(dòng)懸掛小車、皮帶輸送機(jī)等。

2.4.1 往復(fù)桿

往復(fù)桿（圖8）是經(jīng)典的焊裝傳輸形式之一，通過整體式滑橇的升降和水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件傳輸。常用的往復(fù)桿傳輸循環(huán)時(shí)間在20～30 s，部分產(chǎn)品能達(dá)到15 s左右。往復(fù)桿的結(jié)構(gòu)樣式多種多樣，一般適用于工位數(shù)不多直線布置的場(chǎng)合。往復(fù)桿采用整體式滑橇，要求生產(chǎn)線的各工位間距相等，各工位缺乏緩存、柔性較弱，這使它的應(yīng)用受限。

圖8 往復(fù)桿

2.4.2 積放鏈

積放鏈（圖9）俗稱Buffer或APC,是一種集緩存和輸送功能于一體的傳輸設(shè)備，在焊裝車間應(yīng)用十分普遍。積放鏈主要用于自動(dòng)線的人工上料口以及自動(dòng)區(qū)間的零件傳輸。對(duì)于提高生產(chǎn)線的開動(dòng)率及優(yōu)化人員成本等方面效果顯著。隨著積放鏈在焊裝車間的應(yīng)用越來越普遍，國內(nèi)外的車身裝備廠家提供了不少產(chǎn)品備選，其產(chǎn)品在功能性、工藝性和可靠性上均已比較成熟。

圖9 積放鏈

2.4.3 桁架機(jī)械手

不同于其它輸送形式，桁架機(jī)械手（圖10）布置在生產(chǎn)工位的上方。傳輸零件時(shí)，機(jī)械手先下降到位，抓取零件后上升，然后向前傳輸?shù)轿唬瑱C(jī)械手再下降釋放零件。其優(yōu)點(diǎn)是下部工藝空間得以釋放，缺點(diǎn)是維修較為不便且價(jià)格較高。

圖10 桁架機(jī)械手

2.4.4 皮帶輸送機(jī)

皮帶輸送機(jī)（圖11）多用于車門等外表面件的傳輸，零件與皮帶直接接觸，防止刮傷。

圖11 皮帶輸送機(jī)

3 自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車

自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車簡(jiǎn)稱AGV，在汽車行業(yè)的應(yīng)用由來已久。白車身焊裝領(lǐng)域應(yīng)用從最初的簡(jiǎn)單料架轉(zhuǎn)運(yùn)擴(kuò)展到生產(chǎn)線傳輸應(yīng)用。由于其靈活的布局方式打破了百年流水線格局使得焊裝島式布局成為可能。

3.1 AGV的結(jié)構(gòu)形式

近年來AGV在焊裝領(lǐng)域種類繁多，按功能分為牽引型、承載行、裝配型、叉車型；按引導(dǎo)方式分為：磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航；按AGV驅(qū)動(dòng)方式分為：?jiǎn)屋嗱?qū)動(dòng)、差速驅(qū)動(dòng)、舵輪驅(qū)動(dòng)。

絕大多數(shù)AGV小車都是由行走系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全傳感器及機(jī)體工作機(jī)構(gòu)構(gòu)成，圖12所示為牽引式AGV的結(jié)構(gòu)示意。

圖12 牽引型AGV結(jié)構(gòu)

3.2 AGV的行走機(jī)構(gòu)

AGV行走機(jī)構(gòu)有差速器式、舵輪式等，其中采用舵輪式行走機(jī)構(gòu)的AGV能夠?qū)崿F(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)和任意方向行走，應(yīng)用和布局較靈活，成本也較高，舵輪機(jī)構(gòu)如圖13所示。

圖13 舵輪機(jī)構(gòu)

3.3 AGV的導(dǎo)航系統(tǒng)

AGV的導(dǎo)航系統(tǒng)也有不同的樣式，例如磁導(dǎo)航式、色帶導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺環(huán)境導(dǎo)航等。

目前，焊裝行業(yè)最常見的AGV導(dǎo)航為磁導(dǎo)航式（圖14）。需要在AGV的行走軌跡上鋪設(shè)磁條，用來引導(dǎo)其行走軌跡。磁條導(dǎo)航雖然使得AGV不能夠自由變換軌跡，但由于可靠性和應(yīng)用環(huán)境等方面的原因，磁導(dǎo)航式仍是焊裝車間主流的導(dǎo)航形式。

圖14 磁條導(dǎo)航

二維碼導(dǎo)航（圖15）需要在AGV的活動(dòng)區(qū)間內(nèi)遍布二維碼，能夠幫助AGV自由規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路線，AGV的行走精度取決于二維碼的分布密度。但二維碼較易損壞或被灰塵遮擋，因此在焊裝車間很少應(yīng)用。

圖15 二維碼導(dǎo)航

激光導(dǎo)航（圖16）是通過測(cè)量AGV上的激光發(fā)射端與不同標(biāo)靶之間的距離計(jì)算出AGV的位置進(jìn)而對(duì)其發(fā)出運(yùn)動(dòng)參數(shù)指令。采用這種導(dǎo)航，AGV的行走軌跡也不受限制，但需要保證AGV與標(biāo)靶之間不被遮擋，因此適用于較空曠的應(yīng)用場(chǎng)所。

圖16 激光導(dǎo)航

3.4 AGV的應(yīng)用

AGV在焊裝車間最常見的應(yīng)用形式是物料傳輸、夾具工裝切換、調(diào)整線傳輸。隨著AGV導(dǎo)航技術(shù)以及物流管控技術(shù)的進(jìn)步，AGV的應(yīng)用形式也越來越多。

3.4.1 物料傳輸

焊裝車間的物流是最早應(yīng)用AGV場(chǎng)景，AGV拖曳料架在各分裝線間穿梭替代工人推料車的場(chǎng)景如圖17所示。

圖17 物料拖曳用AGV

3.4.2 工裝切換

由于柔性化的需求，AGV也被應(yīng)用到工裝夾具的切換，配合精定位實(shí)現(xiàn)工裝的自動(dòng)切換，圖18所示為工裝切換用AGV。

圖18 工裝切換用AGV

3.4.3 調(diào)整線傳輸

AGV由于其柔性和機(jī)動(dòng)性，可以替代傳統(tǒng)調(diào)整線中板式鏈或者皮帶機(jī)的傳輸，圖19所示為調(diào)整線用AGV。

圖19 調(diào)整線用AGV

3.5 生產(chǎn)布局方式創(chuàng)新

隨著各種智能技術(shù)的引入以及控制技術(shù)的逐步成熟，有關(guān)AGV的應(yīng)用創(chuàng)新越來越多，而其對(duì)生產(chǎn)布局方式的改變對(duì)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。由于AGV高度柔性化的行動(dòng)軌跡，物料、工具的傳輸不再局限于傳統(tǒng)的單一直線傳輸形式，出現(xiàn)了離散島或矩陣式的布局方法。圖20所示為矩陣式生產(chǎn)布局，在這種布局中，物料的工藝線路不再固定，各工位的生產(chǎn)工具也能夠依靠AGV自動(dòng)切換，對(duì)于適應(yīng)汽車行業(yè)的定制化生產(chǎn)趨勢(shì)具有其它輸送形式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

圖20 矩陣式生產(chǎn)布局

4 結(jié)束語

作為生產(chǎn)線輔助設(shè)備，傳輸設(shè)備對(duì)生產(chǎn)線的節(jié)拍、自動(dòng)化和柔性程度等方面有重要影響。從目前看，傳統(tǒng)的流水線式生產(chǎn)依然占據(jù)主導(dǎo)；新興的島式生產(chǎn)布局蓬勃發(fā)展，有后來居上之勢(shì)。未來無論生產(chǎn)方式如何演變，自動(dòng)傳輸技術(shù)都是工業(yè)領(lǐng)域重要的研究課題。