白車身制造柔性工裝應用和尺寸控制方法

段彬，張湘鄂，張勇，成劍，易平，吳雄

（上汽通用汽車有限公司 武漢分公司，湖北 武漢 430208）

0 引 言

隨著汽車銷量的逐年增加及消費者對汽車多樣化的追求，汽車企業在推出不同新車型的同時，對整車制造的成本、改造周期、場地、生產速度提出了更高的要求。車身車間作為新車型整車制造中四大車間投資比例最高的一項，其工裝柔性化程度關系整車制造成本的控制，其區別于油漆車間和總裝車間，車身車間工裝具備高精度、高負載、高速傳輸等特點。目前隨行工裝Pallet（托盤）加上高速輥床作為白車身機運線體傳輸的主流方案被各大主機廠運用，Pallet在前期設計開發過程中只針對某一款車型平臺進行設計，即對應某一固定的車體軸距和機械搬運孔尺寸。在新的平臺投入時，由于車體尺寸存在差異，Pallet在新平臺中不再適用，需要定制新Pallet匹配新的尺寸，柔性Pallet作為解決方案應運而生，現結合某車身車間柔性Pallet改造案例進行介紹，從柔性Pallet的工裝結構和尺寸控制2個方面，對其系統構成和現場應用進行描述。

1 柔性Pallet結構及問題解決

1.1 Pallet和生產線介紹

Pallet和高速輥床用于白車身傳輸和工裝定位，其具備傳輸時間短、節約能源、尺寸精度高、故障率低、可維護性強等特點，如圖1所示。Pallet作為隨行工裝承載白車身在高速輥床上進行運動，在無精度要求的補焊工位，高速輥床只需按照編碼尺進行定位完成補焊。在精度要求高的GEO、涂膠、激光焊等工位采用編碼尺粗定位，然后輥床下降利用工位上布置的定位銷和基準塊進行精定位。上述策略在保證生產線高節拍運行的同時，也保證了整車尺寸的精度[1]。

圖1 Pallet和高速輥床結構

1.2 柔性Pallet結構介紹

當新車型推出時，由于平臺的變化，車體的尺寸也發生變化，現有的固定式Pallet無法在新平臺的新車型上使用，而直接新增固定Pallet會導致成本、場地的浪費，因此將固定Pallet改造成多車型共用很有必要。

柔性Pallet結構如圖2所示，將現有的固定式Pallet進行柔性化改造，成為柔性Pallet本體。針對不同的車型平臺機械搬運孔尺寸設計柔性Bar，即快速切換部件，配合機器人進行柔性Bar切換，匹配造車隊列，使用對應的柔性Bar安裝至柔性Pallet本體上，如圖3所示，組合成為具體的柔性Pallet。

圖2 柔性Pallet結構

圖3 柔性Bar切換示意圖

對比新增固定式Pallet方案，柔性Pallet由于投入成本低、導入時間短等特點，更能適應目前汽車制造對于多車型、多平臺、高柔性程度的需求，對比如表1所示。

表1 固定式Pallet與柔性Pallet對比

鑒于柔性Pallet的結構特點，對比固定式Pallet增加切換Bar定位機構，尺寸鏈增長，且由于Pallet與柔性Bar隨機組合，其Pallet定位銷尺寸的穩定性和重復性需要進行確認和監控。

1.3 柔性Pallet工裝追溯系統介紹

柔性Pallet投入使用時，需要Pallet本體與柔性Bar配對使用，以某車身車間為例，現場使用133個柔性Pallet本體與200個柔性Bar進行匹配，其中A/B兩種平臺的車型柔性Bar各100個。在現場運行過程中2種Bar根據車型隊列與柔性Pallet本體隨機匹配，存在26 600種隨機組合，現場需要將造車過程中使用的Pallet ID以及Bar ID和車輛序列號進行匹配保存，通過這些記錄的數據，便于問題分析和缺陷追溯。由于RFID在汽車制造過程中的應用優勢[2]，使用RFID技術對Pallet ID和Bar ID進行記錄，并與整車序列號進行綁定上傳至數據庫中，實現過程可追溯。

圖4所示與行業內使用小型隨行工裝系統類似[3]，整個柔性Bar切換系統分為以下3個部分。

（1）立體庫：用于柔性Bar的存儲，內部使用叉式移載機進行柔性Bar的存取。

（2）平面庫：用于將柔性Bar向Bar切換工位輸送，并在線緩存。

（3）Bar切換區域：根據生產的隊列匹配具體的柔性Bar，使用機器人進行Bar的切換安裝。

整個切換系統中布置了RFID讀碼器節點，具體位置如圖4中圓圈位置所示。在柔性Bar和Pallet上布置RFID存儲器，通過不同節點讀碼器在存儲器中的讀寫實現工裝信息的匹配。以任意一次柔性Bar在系統中的循環過程為例，其工裝信息和車輛信息循環如下。

圖4 柔性Bar切換系統及RFID讀碼器分布

（1）柔性Bar初次入庫，在立體庫上下線口，上線前輸入具體的Bar ID，通過讀碼器寫入托盤RFID存儲器中。

（2）當需要調取柔性Bar時，叉式移載機根據具體的庫位移動至對應的位置，對Bar進行確認后將柔性Bar和托盤取出。

（3）取出的柔性Bar和托盤通過旋轉臺進入平面庫運輸至緩存區，進入緩存區之前通過RFID讀碼器識別具體托盤上Bar的類型，確定具體存放的緩存區域。

（4）當需要切換柔性Bar時，柔性Bar和托盤通過橫移機輸送至Bar切換工位，首先通過RFID讀碼器讀取托盤中的柔性Bar類型，與具體造車隊列進行匹配，進行工裝防錯，同時PLC會記錄具體Bar ID等待裝Bar。

（5）在Bar切換區域，當Pallet來車需要切換時，在拆除機器人位置，通過RFID讀碼器讀取柔性Pallet中柔性Bar ID，當柔性Bar拆除后放置在Bar存放區，PLC通過RFID讀碼器將取Bar時讀取的Bar ID寫入柔性Bar托盤中。

（6）取消Bar的柔性Pallet進入裝Bar工位，機器人抓手從托盤中取出柔性Bar安裝至柔性Pallet上，PLC控制裝Bar工裝的讀碼器將Bar ID寫入柔性Pallet的RFID存儲器中，與其中已有的Pallet ID綁定。同時取消柔性Bar的空托盤進入拆Bar工位的Bar存放區，待取Bar后RFID存儲器寫入新的ID。

（7）新組裝的柔性Pallet在線體中運行時，線體中通過讀碼器將車輛序號讀取并寫入Pallet的RFID存儲器中，并在固定的工位上傳至大數據系統中。

以上即為整個柔性Pallet系統中工裝信息和車輛信息記錄和追溯過程。

1.4 柔性Pallet現場問題及解決

對比固定式Pallet，柔性Pallet需要與多組柔性Bar進行切換，因此在運營過程中會出現一些特定的問題，其中設備報錯和切換卡滯為柔性Pallet系統運營過程中常見的2個問題。

1.4.1 設備報錯

柔性Pallet需要使用不同的柔性Bar，在自動化應用場景中，設備報錯頻繁，因此需要對柔性Pallet系統設備進行防錯設計。根據在現場實際生產中出現的問題，梳理最容易導致設備出現報錯2個關鍵節點，基于防錯設計的原則進行防錯設計[4]。

（1）柔性Bar上線工位。如柔性Bar上線時錯裝或裝反，會導致后續Bar切換工位出現報錯。在上線工位進行防錯設計，現場布置光電傳感器，如圖5所示，根據2種柔性Bar具體的特點，能夠檢測所有失效模式，防止錯誤的狀態上線入庫。

圖5 柔性Bar上線工位防錯設計

（2）柔性Pallet上線工位。如柔性Pallet下線后，經過標定或者其他的操作，導致柔性Bar錯裝裝反，會導致上線后車輛無法安裝在Pallet上，導致設備報錯。在Pallet上線準備工位布置光電傳感器，如圖6所示，檢測2種柔性Bar所有的失效模式，避免錯誤的狀態進入線體。

圖6 柔性Pallet上線工位防錯設計

1.4.2 切換卡滯

柔性Bar切換工位時，需要對柔性Bar進行拆換，在實際運用過程中出現的高頻問題為切換卡滯，導致機器人報錯，其根本原因有3個，并針對性進行改進。

（1）柔性Bar只有1個抓取點，無法保證所有的Bar重心與抓取點同軸，如圖7所示，在抓取時，其重心與抓取點之間不可避免地形成重力彎矩，易導致銷套與定位銷之間存在卡滯。由于具體產品設計原因，此處無法消除，可以在機器人載荷不重的情況下考慮增加配重塊，使其抓取點與重心同軸。

圖7 柔性Bar與抓取點偏心

（2）柔性Bar抓手為消除機運線體系統的公差累積，設計為X/Y/Z三方向浮動抓手，其剛度不足放大了重心與抓取點之間的偏心彎矩導致的形變，增大卡滯風險。為解決此問題，現場將Z向浮動取消，增加抓手抗彎矩剛性，同時在柔性Bar標定過程中，增加抓取點位置Z向精度要求，現場驗證實際精度在抓手零點機構的容錯范圍內。

（3）柔性Pallet本體上的柔性Bar定位銷與定位銷套設計定位長度過長，初始設計定位長度10.0 mm，在機器人抓取過程中出現切換卡滯。為解決此問題，現場驗證在不改變銷套和銷直徑的前提下，將定位長度從10.0 mm改為2.0 mm，如圖8所示。銷孔配合從面接觸變為線接觸，在Bar拆換過程中降低卡滯風險，通過運營驗證，現場卡滯問題消除，并且尺寸表現穩定，與改進前一致。

圖8 銷套設計改進

2 柔性Pallet尺寸監控

2.1 柔性Pallet尺寸標定

Pallet作為主線車身隨行工裝，關系整個主線工藝鏈的尺寸精度，包括主線零件GEO焊接、涂膠、激光釬焊、激光割孔、在線沖孔等高精度工藝。因此在柔性Pallet上線前對基準尺寸進行標定確認后才可進行使用，同時在運營過程中需要對關鍵基準尺寸進行監控，對異常的Pallet本體和Bar進行標定檢查。

為保證柔性Pallet尺寸精度和重復性，在上線前使用便攜式三坐標測量臂對柔性Pallet進行精度標定[5]，根據柔性Pallet結構特點對柔性Pallet本體和柔性Bar分別進行標定。標定方法與常規Pallet一致[1]，區別在于標定對象及元素結合因柔性Pallet結構特點存在差異，需要單獨對柔性Pallet本體及柔性Bar使用便攜式三坐標測量臂進行標定。其中柔性Pallet本體需要對柔性Bar基準面和定位銷進行標定，柔性Bar對定位銷進行標定，如圖9所示，其標定精度如表2所示。

圖9 柔性Pallet標定元素

表2 標定精度

在現場實際運營中，測量一套柔性Pallet需要耗時3～4 h，以某工廠為例，完成全部的柔性Pallet本體和Bar的覆蓋式標定需要雙班連續標定耗時2個月才能完成，因此引入在線監控，對運行中異常的柔性Pallet進行監控報警成為必要。

2.2 柔性Pallet在線監控

由于采用CMM對工裝進行標定耗時較長，在Pallet和Bar數量多的情況下，雖然循環覆蓋式測量能保證精度，但是無法及時發現在運行中的異常Pallet和柔性Bar，需要使用快速的在線測量方法對Pallet定位元素尺寸進行監控，快速發現異常Pallet并及時進行精確的標定檢查[6]。

非接觸式的在線測量已在白車身制造中廣泛應用，雖然其系統精度0.4 mm無法匹配柔性Pallet標定測量精度要求，但是由于其測量速度快、對環境要求低等特點可以在尺寸監控中得到應用，可利用在線測量和相關數據軟件構建在線監控系統[7]。

（1）VISION在線測量。在進行柔性Pallet改造時，利用線體中已有的視覺測量設備，對柔性Pallet上VISION監控孔進行測量，此方案可降低項目前期投資，提高現有設備利用率。使用線體中已有的設備測量柔性Bar定位銷基座上的特征監控孔，如圖10所示，通過判斷此監控孔X/Y/Z值的穩定性，判斷不同組合的Pallet和柔性Bar穩定性和重復性。

圖10 VISION監控孔及在線測量

（2）大數據搜集和匯總分析。將測量的特征孔數據與對應工裝信息進行匹配，在大數據匯總后進行分析，生成具體的報表呈現給工程師。根據搜集的大數據信息，甄別現場異常的柔性Pallet和柔性Bar，以此輔助現場精確的標定和測量，提升現場工作效率，遏制缺陷的產生，其實施方案如圖11所示。

圖11 大數據搜集和匯總分析

（3）報表展示。根據匯總的相關數據，對同一個柔性Bar與不同Pallet組合的特征孔測量數據X/Y/Z值進行統計分析?；赟PC（統計過程控制）使用6σ和Range值判斷其具體的穩定性和重復性狀態[8]。對于6σ和Range值較大的柔性Pallet組合，判定為異常，報表中采用柱狀圖深色進行預警，其軟件界面如圖12所示，對異常Pallet優先進行下線標定。

圖12 大數據報表展示

2.3 基于大數據的失效模式診斷

在實際運營中，通過大數據的累積，基于SPC和實際失效模式的診斷，能夠發現具體失效模式和數據特征之間的關系[9]。

選取VISION監控的2個測點，一個是整車上靠近Pallet定位銷附近的測點；另一個是柔性Pallet的VISION監控孔，如圖10所示。通過觀察2個測點的相關性可以判斷出現數據異常時具體的失效模式，以此進行大數據診斷。

正常狀態下，整車上的監控測點與Pallet上VISION監控孔正常波動，兩者之間不會出現異常大幅度波動。當出現異常波動時，如圖13所示中的失效狀態一，整車和監控孔數據同步突變，現場對Pallet進行下線標定檢查，發現Pallet出現局部變形導致。在運營過程中，此數據特征伴隨著工裝變形失效模式，現場測量標定人員利用監控系統發現此數據特征后及時下線Pallet進行標定維護，遏制問題溢出。此外如圖13所示中的失效狀態二，整車和監控孔同步波動，且波動幅度逐漸放大，現場發現異常后對Pallet進行下線檢查，同時對測量工位Pallet定位機構進行檢查。Pallet定位機構中定位銷前X向出現異常磨損，導致Pallet的X向定位失效，整車和Pallet在X向出現異常波動?，F場運營過程中，總結類似的數據異常，此數據異常狀態均伴隨Pallet定位機構磨損的失效模式，現場測量標定人員利用監控系統發現此數據特征后及時安排Pallet下線檢查，對磨損機構進行檢查并更換。

通過圖13中2個失效狀態的數據表現和現場的實際運營經驗，可以利用Pallet監控孔和整車的大數據，根據具體失效模式的數據特征，進行失效模式診斷，以此提升現場維護的工作效率。

圖13 大數據診斷

3 結束語

柔性Pallet的應用可以使車身車間用較低的投入成本和短周期改造完成新平臺車型導入，并介紹了Pallet結構特點，針對柔性Pallet尺寸控制和在線監控進行了描述，使用VISION監控特征孔，搜集大數據后對柔性Pallet本體和柔性Bar尺寸進行判定，精確識別異常柔性Pallet進行標定，優化標定現場工作效率，同時提升工裝精度。其中基于大數據的故障診斷，可以推廣至車身制造其他區域，通過大數據自動分析判斷現場制造中出現的問題，讓整車制造更加智能，讓工程師的響應更加迅速[10]。