多品種柔性智能化重載EMS生產線系統設計及應用

羅新文 胡全心 祝 宇

東風咨詢有限公司 武漢 430056

0 引言

多品種柔性智能化重載網元管理（Element Management System，EMS）生產線系統基于某汽車公司高端商務車總裝車間生產線項目，依據高端商務車產品結構及生產工藝特點，首次在同類產品底裝線采用自主研發的多品種柔性智能化重載EMS生產線系統，以滿足多品種、大噸位重載車型生產的前提下，大幅提升各配套設備裝配效率，充分體現智能、節能、柔性化生產理念。

根據中高端商務車車型品種過多、整車質量過重、承載結構復雜、底部構件繁多等問題。在設計時充分考慮將內飾到底裝再到最終線各方面采用 L形3段式布置。其中高端商務車采用承載式車身裝配方式，該系統布置共15個工位，工位間距10.5 m。再從產品工藝及智能化裝配角度出發，結合前懸、后橋、電池包等零部件進行差異性分析及系統化設計，研發出重載型多品車身吊具、重載雙胞胎式接車機構、吊具定位支撐調節鎖緊裝置、接車機構專用抱胎夾持器等配套關鍵設備，從而組建的重載EMS生產系統，實現了柔性化、多品種車型共線生產。

1 產品參數

客車類產品種類可分為3類：

1） 6m18座型，其物理參數6 810 mm×219 5 mm×2 790 mm，整車質量為4 873 kg；

2） 7m20座型，其物理參數7 490 mm×2 195 mm×2 790 mm，整車質量為5 426 kg；

3) 8m24座型，其物理參數8 310 mm×2 195 mm×2 790 mm，整車質量為5 571 kg。

商務車類產品種類可分為5類:

1) 5m12座型，其物理參數為5 590 mm×2 195 mm×2 940 mm，整車質量為4 414 kg；

2) 6m13座型，其物理參數為6 580 mm×2 195 mm×2 940 mm，整車質量為4 615 kg；

3) 7m16座型：其物理參數為7 400 mm×2 195 mm×2 940 mm，整車質量為4 835 kg；

4) 8m19座型：其物理參數為8 080 mm×2 195 mm×2 940 mm，整車質量為5 635 kg；

5) 9m22座型：其物理參數為8 900 mm×2 195 mm×2 940 mm，整車質量為5 805 kg。

2 設計思路

2.1 產品特點

1）純電動商務車系列有6種車身長度，輪邊電動機和中央電動機、左舵和右舵統籌布置、同步設計，共形成30多個基本品種。再加上不同的懸架形式、內飾配置等，變形品種可達120多種。

2）純電動商務車產品尺寸覆蓋6～9 m平臺，車型眾多，底盤結構多元化（輪邊電動機/中央電動機、板簧橋/空氣懸掛），與傳統乘用車相比，無論是車身長度，車型結構、整車質量等均存在很大差異，造成關鍵轉接設備在輸送承載、機械機構、支撐受力等方面存在很大區別。

3）純電動商務車產品最大整備質量6.8 t，比傳統乘用車整車質量高3～4倍。更使得生產的穩定性、承載的安全性、轉運的通過性、柔性化共線生產面臨巨大的挑戰。

2.2 設計難點分析

1）車身在裝配過程中，質量不斷加重，在完成底盤裝配后，已趨于整車質量狀態。

2）全新多元化的車身底盤結構及布置，零部件較多，底部結構環境異常復雜。

3）車身受到零部件質量的影響，對整車重心開始產生初始的偏移，且不同車型的底盤結構，重心偏移情況各不相同。

4）重載車型產品體積大、自身重、產品尺寸覆蓋廣，軸距差異大。

5）受重載車型結構及吊具結構影響，底部空間非常狹小，對設計及制造要求非常高。

2.3 設計構想

以柔性智能化為目標，在保證產品品質前提下最大限度地利用國內自主開發的技術和設備，形成幾點構思進行研發設計：1）重載吊具根據車型整車質量、底盤構件、承載結構進行差異化分析及系統化設計，以滿足產品多樣化需求。2）車身上線及下線按全自動、柔性對接考慮，實現車身上線及下線多品種、柔性智能化自動轉接。3）底部裝配重點對電池、前后懸架采用AVG輸送、自動跟蹤、對位進行隨線裝配。4）工序優化，對重載車身特殊工位的裝配難點進行分析，從內飾到底裝，底裝到最終線體布局、與車身吊具關鍵工位的轉接、合裝進行優化，以提高車身上件及整車下線裝配、運輸效率。5）采用生產制造執行系統（Manufacturing Execution Systems，MES），考慮從MES系統獲取車型信息并及時進行信號追蹤，從而提高重載型車型的自動化及信息化轉接水平，實現總裝車間柔性化多品種共線生產，全面提高車間生產效率。

3 工藝設備線體規劃

1）考慮到設備利用率、生產系統配置及物流方案等問題，對重載EMS生產線進行分期規劃，設備主線體及緩存區可根據產能延伸，同時預留后續二期擴展能力，以適應產品長遠期規劃需求。

2）根據總裝車間平面布局，在車身底裝上線處設有自動調銷及升降轉接工位，可同步實現吊具的自動調腿與車身從橇體到吊具的轉接；在車身底裝下線處設有四柱升降機及抱胎接車機構，可實現車身從高位吊具到地面的轉接；主線體系統設有空吊具緩存段及吊具維修區，充分考慮生產富余量及日常檢修，從而有效提高生產線效率及智能化。

3）線體按全承載式車身裝配方式進行布局，各分裝線分布在線體兩側，便于物料及時取件上線。前懸、后橋、動力電池、輪胎等采用先分裝，后上線的模塊化裝配方式，通過AGV自動上線捕捉，與重載吊具實現同步隨行合裝，以降低重載EMS系統主線的裝配工時。

4）設備定制化、系統配套開發。

5）經對車型數模進行受力和承載分析，綜合考慮穩定性、可靠性及輸送驅動力等諸多因素，研發設計出一套多品種柔性智能化重載EMS生產線系統。效果如圖1、圖2所示。

圖1 多品種柔性智能化重載EMS生產線系統仿真模型

圖2 產品高位到低位轉接仿真模型

4 關鍵技術點

4.1 重載多品種車身吊具

1）考慮整車質量因素 在型材選型上經過嚴格計算后，求得在規格為180 mm×180 mm×8 mm矩形管時，是能實現吊具最大承載及節省材料最為理想的選型。再運用有限元分析軟件對吊具支撐點進行受力分析。發現吊具支腿拐角處，是整個吊具的最大受力屈服點，對此采用支撐件對其進行了加固，以保證最大承載，最大承載量為12 t。

2）受車身尺寸規格影響 為了保證吊具吊裝時的穩定性，重載吊具設計前后支腿采用了龍門式結構；平衡框架采用矩形圍欄式結構；4個支撐點采用前銷后托式結構；通過上平衡框架與前后支腿框架的鉸接，從而搭建的矩形框架結構將整車囊括其中，這種龍門框架式不僅可以保證吊具支撐點的穩定，還能有效保護車體表面不受到傷害。

3）車身自重及吊具自重合計達15 t，為了確保車身及吊具的有效輸送，重載吊具選用雙驅八車型，對驅動電動機進行功率計算選型后，才能提供充足的驅動力；同時驅動采用的滾輪為包膠輪材質，使軌道在承受巨大載荷后，不僅車身運行穩定，還能減少噪聲。

4）通過受力承載分析，對設備自身薄弱點進行優化，設計能適用于將6～9 m多品種車型從低位內裝線橇體轉接到高位吊具的內置升降臺滾床和對多品種車型實現各零部件高精度集裝的重載型多品種吊具。該2項技術已獲得了實用新型專利，產品低位到高位轉接仿真模型如圖3所示。重載多品種車身吊具受力分析如圖4～圖7所示。

圖3 產品低位到高位轉接仿真模型

圖4 吊具應力分析圖

圖5 吊具位移分析圖

圖6 吊具生命分析圖

圖7 吊具損壞分析

由圖4應力分析可知，當吊具4個支腿承受12 t載荷時，產生最大應力為89.1 MPa;在吊腿拐角處低于矩形管的屈服應力275 MPa，所選型材滿足要求。

由圖5可知，支腿1X向位移為-0.284 mm，Y方向位移為-5.78 mm，Z方向位移為11 mm；支腿2X向位移為-0.284 mm，Y方向位移為-5.78 mm，Z方向位移為-10.9 mm；支腿3X向位移為0.279 mm，Y方向位移為-5.78 mm，Z方向位移為11 mm；支腿4X向位移為0.279 mm，Y方向位移為-5.78 mm，Z方向位移為-10.9 mm。

由圖6可知，重載吊具各處的疲勞壽命圖解顯示最小為389 900，在吊腿上端拐角處將發生疲勞失效，吊具預想壽命為17.4a。

圖7損壞圖解表明消耗重載吊具壽命損壞百分比，圖解顯示在吊腿拐角處最大為30.78%。

4.2 重載雙抱胎式自動接車裝置

受吊具內部空間結構及支撐位置的影響，重載接車機構需附帶行走、升降、鎖緊、開屏、可調等多種功能才能完成不同品種重載車型的轉接。首先通過仿真軟件對低位接車機構及重載吊具設備線路位置進行仿真及合理的布局，再用3D軟件完成接車機構的參數化建模，對接車機構設備模型和車型數據進行干涉分析，發現采用液壓剪刀叉及長矩形升降臺堆疊式結構，以壓縮接車機構整體寬度，才可以保證接車機構在吊具開檔中穿梭不會產生干涉。

由于車身底部結構及吊具空間的因素，需設計出專用于重載車型的抱胎夾持器，才能實現整車與吊具的脫離和轉運。在專用抱胎夾持器材質上首選45號鋼鑄造成型，采用拱形結構原理，在保證抱胎受力的同時，還能保證車身及機車機構能在重載吊具有效空間內自由的穿梭。

考慮到低位接車時，車型品種較多，需將專用抱胎夾持器進行不同位置的切換才能滿足多品種車型轉接。設計時將專用抱胎夾持器與直線滑軌、水平氣缸等設備進行揉合，通過同步帶電動機精準的調節前后抱胎夾持器的間距，從而最終使得接車機構滿足了不同品種重載車型空中到低位的轉接。

通過對車身底部結構、吊具空間尺寸、吊具干涉點位模擬分析，研發出能對最大12 t多品種整車輪胎自動對位捕捉，實現車身從高位到低位的重載雙抱胎式自動接車裝置及接車裝置專用抱胎夾持器。該2項技術已獲得實用新型專利，發明專利。接車抱胎機構仿真模型如圖8所示，雙抱胎式自動接車裝置受力分析如圖9 ～圖12所示。

圖8 接車抱胎機構仿真模型

圖9 接車裝置應力分析圖

圖10 接車裝置位移分析

圖11 接車裝置生命分析

圖12 接車裝置損壞分析

由圖9應力圖解可知，當接車裝置前后夾持抱胎臂承受12 t載荷時，最大應力為79.2 MPa，出現在抱胎臂拐角處，低于屈服應力275 MPa，所選型材滿足要求。

由圖10可知，前抱臂1X向位移為-1.4 mm，Y方向位移為1.75 mm，Z方向位移為0；后抱臂2X向位移為1.4 mm，Y方向位移為1.75 mm，Z方向位移為0；前抱臂33X向位移為-1.4 mm，Y方向位移為1.75 mm，Z方向位移為0；后抱臂44X向位移為1.4 mm，Y方向位移為1.75 mm，Z方向位移為0；

由圖11可知，接車裝置各處的疲勞壽命圖解顯示最小為491 100，在抱胎臂拐角處將發生疲勞失效，接車機構預想壽命為21.9 a。

圖12損壞圖解表明消耗接車裝置壽命損壞百分比，圖解顯示在抱胎臂拐角處最大為20.36%

4.3 自動同步捕捉裝配

前懸、后懸、電池包、輪胎等零部件均在線體兩側進行分裝后再上線合裝，考慮到裝配效率，通過對裝配仿真計算分析后，將前后懸及電池包產品采用AGV上線，感知車身吊具位置，自動追隨到吊具底部，與吊具同步隨行，完成零部件與車身的精準扣合；輪胎、壓縮機等部件則采用助力機械手進行線邊抓取后，與車身吊具同步隨行定位后自動扣合。

車身吊具在前懸、后橋、電池包合裝時，車身底部線束、推力桿等零件已裝配成型，使得車身底部空間十分有限。為避讓車身及吊具距離平面的高度，上線AGV在滿足前后懸自重承載時，采用浮動可調托盤，使得AGV在吊具底部能進行微調整，保證自動扣合的精度；輪胎安裝工位采用輪胎側翻機構，節省設備占用空間，便于機械手取件。

通過對內置升降臺滾床、重載型多品種吊具、定位支撐調節鎖緊機構、抱胎自動接車裝置及線邊分裝配套研發設備的深度集成。應用前后懸、電池合裝AGV的自動跟蹤和扣合；輪胎擰緊、助力裝置精準定位的重載型車身轉運輸送系統。該項技術已獲得發明和實用新型專利。自動同步對位如圖13所示。

圖13 自動同步對位

4.4 吊具定位支撐調節鎖緊機構

1）根據工藝布局需求,吊具定位支撐調節鎖緊機構需采用空中吊掛形式，對稱布置在吊具兩側；

2）考慮吊具支腿自重的影響，吊具定位支撐調節鎖緊機構通過采用齒輪電動機及齒條相互嚙合，再將齒輪電動機與直線滑軌結構相配合，從而驅動吊具支腿移動，可將吊具支腿進行不同位置的調整。

3）根據產品差異化,吊具定位支撐調節鎖緊機構通過MES系統及拍照識別技術，最大能實現6～9 m車型全范圍的吊具支腿自動精確調節。

4）通過對多品種車身吊具結構進行優化分析后，為提高車身吊具轉接效率及吊具安全穩定性。

5）研發出能對多品種吊具進行支腿調整、實現支腿精準定位、安全鎖緊的吊具定位支撐調節鎖緊機構。

5 智能信息化技術

通過工業以太網技術，根據MES系統的調度及管理，獲取車型信息，控制重載EMS系統的車組、吊具支腿調節機構、鎖緊機構、自動接車裝置等關鍵設備根據不同車型自動調整適應，并完成多品種車身與前后懸AGV、電池合裝AGV、助力機械手等設備的自動跟蹤及扣合、最終線的自動轉接，糅合了輪胎擰緊設備、助力裝置的定位精準。提高了重載EMS生產線系統的柔性化、自動化、信息化、智能化水平。

5.1 系統上位層網絡架構

MES系統是整個系統的核心，按結構化星形拓撲結構，通過光纖環網將重載EMS系統、AGV系統、最終線、輪胎擰緊系統等設備連接起來，為整個工廠生產制造管理提供一個制造協同管理平臺。支撐生產調度數字化、制造過程透明化、質量控制精細化、設備運維數字化、車間管理集成化、數據分析實時化的目標，并與ERP等系統集成實現設計制造一體化、生產過程透明化、質量控制電子化。MES系統網絡架構如圖14所示。

圖14 MES系統網絡架構

5.2 系統信息傳遞架構

如圖15所示，MES系統指令下達到PLC，PLC下達到各交換機（觸摸屏可顯示），交換機下傳到各應用點及遠程站。在信號上傳或采集現場數據時，指令信息可上傳到MES系統識別或存儲。

圖15 系統信息傳遞架構

5.3 多品種車型自動轉EMS轉接電控原理

如圖16所示，MES將車型信息傳遞給PLC，PLC進行吊具輸送系統狀態判斷從而控制輸送系統設備運行，解析和校對車型信息，將車型信息傳遞給讀寫頭。

圖16 多品種車型自動轉EMS轉接電控原理

PLC下達指令到遠程站，遠程站經過視覺傳感器對MES下達的車型信息進行校正對比，識別確認車型信息、傳感器檢查吊具位置及調腿氣缸的狀態、編碼器提高調腿機構的精度、調腿機構根據PLC下達指令調整吊具后支腿位置并進行鎖緊，同時讀寫頭將車型信息通過讀寫頭寫入吊具載碼體，檢查吊具的實際位置。

5.4 從EMS自動轉最終線轉接電控原理

如圖17所示，PLC進行吊具輸送系統狀態判斷從而控制輸送系統設備運行，解析和校對車型信息，讀取吊具載碼體的車型信息。

圖17 從EMS自動轉最終線轉接電控原理

PLC下達指令到遠程站，遠程站經過傳感器檢查接車機構的狀態及吊具的位置狀態、安全光柵及安全門開關保證安全狀態、接車機構根據PLC指令調整抱胎姿態，同時讀寫頭讀取吊具載碼體的車型信息，檢查吊具的實際位置。

6 設計創新亮點

1)研發了適用于將6～9 m多品種車型從低位內裝線轉接到高位吊具的內置升降臺滾床。

2)研發出能對多品種車型實現各零部件集裝的重載型多品種吊具，使得結構更加穩定，裝配精度更高。

3)應用了能對多品種吊具進行支腿調整、實現支腿精準定位、安全鎖緊的吊具定位支撐調節鎖緊機構。

4)研發出能將多品種車型通過四柱升降機、柔性抱胎自動接車機構等完成對輪胎自動對位捕捉及調節，實現車身從高位到低位終裝線的自動化轉接裝置。滿足產品差異化、柔性化需求。

5)研發的接車裝置專用抱胎夾持器，適用于最大12 t整車的穩定安全抱胎，強勁夾持推送。

6)研發應用的集內置升降臺滾床、重載型多品種吊具、定位支撐調節鎖緊機構、抱胎自動接車裝置為一體的智能化重載型車身轉運輸送系統。

7)適用于前后懸、電池合裝AGV的自動跟蹤和扣合，輪胎擰緊、助力裝置的精準定位，智能化裝配程度高，技術更加先進。

8)適用于整體式全承載車身結構，避開了輪邊電動機及動力電池底部大件占用空間的問題，提高設備利用率，突顯先進水平。

7 結語

該系統已成功應用于某汽車工廠總裝車間。加大了智能化總裝車間的影響力，隨著國際市場新能源汽車的需求呈逐級增量，量產的純電動整車國內訂單不斷，出口國外計劃加速增加。通過多年生產的驗證，解決了汽車行業在多品種重載型車型全自動底裝輸送、轉接、生產的問題。同時該系統應用市場寬廣，既可用于大噸位載重物流運輸車及新能源大型客車、中巴等多品種車身在底裝線上的零部件裝配作業，亦可延伸到鐵路客車車輛工程等。該系統的投入使用促進我國汽車行業制造裝備智能化、柔性化的技術升級換代，取得了顯著的經濟效益和社會效益。