白車身高柔性4+N車型自適應切換系統開發與應用

李磊 畢愿江 馬立新 林增宇 戚才人

摘要：為適應汽車快速更新換代，提高生產線柔性制造能力，設計了一種基于4種車型，可擴展滿足多車型線上線下隨機切換焊接夾具的快速柔性切換系統。該系統結合物流轉運和線外夾具庫自動存取技術，解決了汽車焊裝多車型柔性、快速切換、精準定位、夾具存儲問題，突破了多種車型隨機切換的技術難題，提升了焊裝生產線柔性及利用率。

關鍵詞：汽車焊裝 多種車型 快速切換 柔性能力 夾具存儲

中圖分類號：U466? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220203

Abstract： A fast and flexible switching system based on four models was designed， which could be extended to meet the requirements of random switching welding fixtures online and offline for multiple models， to adapt to the rapid upgrading of automobiles and improve the flexible manufacturing ability of production line. Combined with logistics transfer and automatic access technology of offline jig library， the system solved the problems of flexibility， fast switching， precise positioning， jig storage， made breakthrough in the knotty technical problems of random switching of multiple models， and improved the flexibility and utilization rate of welding production line.

Key words： Automotive welding， Multiple model， Quick switching， Flexibility， Fixture storage

1 前言

隨著社會進步和生產力水平逐步提高，全球汽車市場發生了巨大變化，車企競爭加劇，車型消費呈現多樣化、個性化、差異化、扁平化。傳統汽車批量生產模式無法適應當下及未來發展，一種可適應市場動態變化與車型換代頻率增加的生產模式應運而生，即高柔性生產模式。

高柔性生產模式區別于一般柔性生產模式，不僅需要適應車型數量大幅增加，同時能夠做到車型快速導入導出，在車型數量及新車型導入時間2個維度上都有質的提升。符合要求的高柔性生產系統已經成為國內外汽車制造業重點研究的課題。

2 傳統柔性技術

2.1 柔性夾具技術

柔性夾具技術是指通過夾具自身柔性部件的使用，使夾具具備一定的柔性能力，在產品尺寸、形狀發生一定變化時，夾具還能適應這種變化并繼續使用。常見夾具柔性機構如下[1]。

a.氣缸切換機構。通過氣缸開閉位置，進行定位部件切換，滿足不同產品定位位置差異性需求，具備躲避產品及焊接工具操作空間的功能，但受空間布置限制，柔性能力一般為2種車型，如圖1所示。

b.滑臺切換機構。通過滑臺，使整個定位部件位置移動，多用在寬窄、長短等系列車型柔性生產中，柔性能力為2～3種車型，如圖2所示。

c.風車切換機構。多用于地板定位夾具，風車沿Y軸90°擋位旋轉，切換定位銷部件，實現定位孔徑不同的車型產品混流，為保證風車轉動平穩，要求定位孔坐標接近，柔性能力為4種車型，如圖3所示[2]。

d.NC切換機構。可以實現X、Y、Z方向在一定范圍內位置移動，但要求不同車型的定位孔徑必須一致，如圖4所示。

2.2 夾具切換柔性技術

夾具切換柔性技術是指通過外部設備，對夾具進行整體切換，提高生產線生產車型數量，由于受工藝面積、節拍因素影響，傳統切換模式的柔性能力一般在6種車型以內。

汽車焊裝生產線發展過程中，創造了許多種切換夾具的機構和設備，原理均為在線體內存放夾具，需要時通過機構快速對夾具切換，讓正確的夾具移動到工作位置，以下列舉3種常見且有代表性機構或設備。

a.轉臺（圖5）、轉轂（圖6）設備。通過旋轉實現夾具快速導入、導出，可以實現2～4種車型柔性。優點為切換速度快、結構穩定、占用空間小，缺點為無法進行車型拓展。

b.線內夾具庫自動切換機構。該機構本質為在線體內建立夾具存儲庫，需要時從庫內調出夾具到工作位固定，可適用于大型夾具，典型機構為主拼OPENGATE及其各種衍生機構。該類型機構優點為結構穩定可靠、定位精度高，缺點為占地面積大、切換時間長、受工藝面積約束，常見柔性為6種車型，如圖7所示。

c.機器人搬運切換。框架夾具擺放在線體機器人工作范圍內，依靠機器人的靈活性進行抓取切換，典型結構為主拼龍門框架飛行夾具，如圖8所示。

以上柔性方式均受外部因素影響，導致汽車焊裝生產線柔性能力有限，一般在6種車型以內，這也是導致焊裝生產線線體柔性無法拓展的主要原因。

3 高柔性4+N車型自適應切換系統

3.1 開發目的及路線

為解決焊裝線體柔性能力不足問題，實現生產線柔性能力質的突破，從而適應汽車產業向車型多樣化、個性化、差異化、扁平化發展，需要開發一種切換快速、定位精準、車型柔性數量更多、車型導入時間短的焊裝車型柔性系統。

高柔性4+N車型自適應切換系統是在這種背景下進行開發，即基于夾具切換柔性技術，使用4面轉臺和4庫位滑臺為基礎，沿用其定位準確、結構穩定、切換快的優勢，實現生產線內車型切換快速準確。同時放棄了傳統夾具切換形式依賴生產線內進行全部夾具存儲的思路，改為線內存儲4個車型，4個以上的車型夾具存儲在線外夾具庫中，在生產間隙，使用AGV或人工進行轉運，依據生產計劃自適應切換夾具。理論上線外夾具庫容量足夠大，在不占用線體工藝面積情況下，能夠實現N種（無限）車型切換，基于該原理開發了高柔性4+N車型自適應切換系統。

3.2 轉臺4+N柔性切換系統

轉臺4+N柔性切換系統以轉臺為主體，創新設計切換機構，進行不同車型夾具切換。主要適用于門蓋或尺寸相近產品焊接夾具的柔性切換。該柔性切換系統線內產品切換時間為6～8 s，線外切換可通過物流提前調度，轉臺切換機構切換夾具時間為36～40 s，應用布局如圖9所示。

3.2.1 轉臺4+N柔性切換系統主要結構及作用

轉臺4+N柔性切換系統主要核心機構有四面轉臺、轉臺框架、夾具托架、切換小車，如圖10所示。

該系統對傳統轉臺結構中的轉臺框架進行了結構創新，在轉臺框架與車型夾具之間增加了夾具托架，通過夾具托架與轉臺框架銜接、脫離進行夾具切換。通過夾具鎖緊機構中的伸縮氣缸和定位銷與車型夾具的定位孔配合，實現車型夾具的精準定位。轉臺框架結構如圖11所示。

該系統設計了能與轉臺框架進行對接的切換小車，使其能夠順利接收夾具托架，并在生產線與夾具存儲庫之間轉運，進行自適應切換夾具，如圖12所示。

切換小車通過楔形對接塊實現切換小車與轉臺準確對接，關閉手動鎖緊機構，保證對接時切換系統的穩定性，利用手動夾緊機構對夾具托架進行固定，保持夾具轉運過程穩定。

3.2.2 轉臺4+N柔性切換系統工作流程

4+N柔性切換系統可實現線內切換車型與線外切換車型：線內切換速度快，適應連續生產，線外切換時間相對較長，需要在生產間隙進行。增加線體柔性能力，實現車型快速導入導出，同時保證定位精準，滿足焊裝夾具精度要求，根本性解決夾具存儲問題，在產能匹配時，可以隨機進行多種車型柔性生產。

線體內，夾具通過四面轉臺帶動轉臺框架及焊裝夾具進行90°擋位切換，從而將工裝快速切換到工作位，滿足車型匹配功能。

線體外，需要進行夾具導入導出時，先將夾具框架上的氣電快插設備斷開，鎖緊裝置打開，通過切換小車將夾具托架帶著焊裝夾具快速從轉臺框架上切出，人工轉運到夾具庫內存儲，同時將夾具庫內的夾具導到該切換小車上，再轉運回線體內，夾具托架帶著焊裝夾具用同樣方式反向切回到轉臺框架上，進行鎖緊，最后將氣電快插設備接通。

3.3 滑臺4+N柔性切換系統

滑臺4+N柔性切換系統以滑臺為主體，創新設計切換機構，進行不同車型夾具的切換。主要適用于門蓋滾邊和大尺寸夾具的柔性切換。該柔性切換系統線內產品切換時間為25～30 s，線外切換可通過物流提前調度，轉臺切換機構切換夾具時間為30～35 s，應用布局如圖13所示。

3.3.1 主要結構及作用

滑臺4+N柔性切換系統主要包括夾具轉接機構、滑臺驅動傳動機構、快速切換機構、氣電快插機構，如圖14所示。

該系統對傳統十字滑臺結構中夾具轉運托盤進行了結構創新，設計了雙層滑臺軌道，可實現夾具X、Y雙向進行滑動，同時夾具可脫離滑臺到快速切換機構上進行轉運。在工作位置，使用鎖死氣缸、限位塊以及圓柱定位銷對夾具進行精定位。夾具轉接機構如圖15所示，快速切換機構如圖16所示。

夾具轉接機構設計上、下2套滾輪組，下滾輪組與滑臺驅動傳動機構配合，在驅動單元驅動下，可以將夾具沿X向轉運到工作位。上滾輪組與夾具配合，在庫位驅動單元驅動下，將夾具進入庫位，進而進入到快速切換機構上。

由于滑臺柔性設備可以進行大型重載夾具切換，所以該場景設計取消了人工轉運形式，使用電動叉車或AGV自動設備進行轉運，當夾具進入快速切換機構，自動轉運設備將快速切換機構及上面的夾具一同轉運到線外夾具庫進行儲存。

3.3.2 工作流程

滑臺4+N柔性切換系統實現功能與轉臺4+N柔性切換系統一致，工作流程相近。

線體內，夾具通過夾具轉接機構將夾具從庫位轉運至工作位，氣電快插設備接入后即可開始工作。

線體外，需要進行夾具導入導出時，先將夾具通過滑臺驅動傳動機構轉運至快速切換機構，使用定位鎖緊機構將夾具固定。通過PLC控制電動叉車或者AGV將快速切換機構整體轉運至夾具庫內存儲，同時將夾具庫內的夾具導入到該快速切換機構上，再轉運回線體內，反向將夾具用同樣方式切回到滑庫位中。

3.4 夾具存儲庫

夾具存儲庫用于車型夾具出入庫、緩存，并獲取和管理夾具信息。存儲庫由多層貨架、堆垛機、出入庫夾具定位裝置組成，如圖17所示。

夾具出入庫流程如下。

a.夾具入庫前，經過人工檢驗工位，操作人員通過掃碼槍掃碼，顯示屏顯示夾具對應屬性信息。

b.人工確認后將對應夾具放入出入庫夾具定位裝置，完成工作后按下確認完成按鈕。隨后將轉運小車移動至出料口處。

c.夾具庫得到出庫請求，堆垛機先進入庫內，將對應夾具取出，放置出庫口，然后將入庫夾具送至空出位置，同時倉儲系統記錄物料信息。

d.夾具存儲庫倉儲管理系統具備智能選擇同類庫位功能，能夠以優路徑完成夾具切換。

4 柔性技術性能對比

本文所述3種柔性技術的性能對比如表1所示。

上表性能對比，4+N柔性系統可極大拓展車型柔性數量。由于需要建立夾具庫，增加物流轉運工作，建設一次投入成本增高，但夾具庫建設完成后，后續車型導入成本會大幅度降低。同時該系統可以縮短車型導入周期，也可以適時對線體進行分段調試，最大限度降低了新車型融入對原有車型生產的影響，所以4+N車型自適應切換系統各項性能優勢突出，適應當前汽車行業發展趨勢。

本技術成果實現了汽車焊裝生產線無限車型柔性切換可能性，同時保留了快速切換、精準定位的優勢，與先進的倉儲系統相結合，實現夾具集中存儲及調度。模具公司獨自研發的4+N柔性切換系統，形成具有自主特色的柔性結構，實現了焊裝柔性切換技術的自主掌握，突破多種車型隨機切換的技術難題，該技術成功應用于繁榮新能源項目焊裝生產線，如圖18、圖19所示。

參考文獻：

[1] 胡國雨， 段國強. 汽車焊裝生產線的柔性化分析[J]. 福建質量管理， 2016（2）： 179-179.

[2] 劉國斌. 白車身焊裝線柔性方式研究[J]. 企業科技與發展， 2019（11）： 28-30.