電池盒托盤非共用夾具自動化生產(chǎn)線方案規(guī)劃與工藝優(yōu)化

譚增欣 陳路

摘要：鑒于鋰離子電池在汽車行業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，針對兩種相似鋼制電池盒托盤共線生產(chǎn)，但各工序不能共用夾具的自動化點(diǎn)焊生產(chǎn)線的布局和優(yōu)化研究，以達(dá)到平衡物流、優(yōu)化節(jié)拍、節(jié)省投資、減少占地及節(jié)約人工的目的。

關(guān)鍵詞：鋼制電池盒托盤；自動化點(diǎn)焊生產(chǎn)線；兩種產(chǎn)品共線生產(chǎn)；各工序非共用夾具；方案規(guī)劃

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，新能源汽車在“環(huán)保、智能、駕駛性能”等方面形成了對傳統(tǒng)燃油汽車的競爭優(yōu)勢，產(chǎn)銷量保持高速增長，截至2022年底，新能源汽車銷量超過680萬輛，市場占有率提升至25.6%，新能源汽車的興起已經(jīng)成為了全球汽車行業(yè)的趨勢。新能源汽車，無論是目前火熱的電動汽車，還是未來零排放的燃料汽車的發(fā)展，均離不開電池技術(shù)的進(jìn)步。

鋼制電池盒是一種新能源汽車電池包裝形式，主要由鋼材制成，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、防爆等特點(diǎn)。相比于其他材料制成的電池盒，鋼制電池盒具有更好的安全性能和耐久性，能夠有效地保護(hù)電池模組，防止電池受到外部沖擊和損壞。鋼制電池盒在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成為新能源汽車電池包裝的重要形式之一。這主要是因?yàn)殇撝齐姵睾芯哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)。

1）安全性能好。鋼制電池盒可以提供更好的防火、防爆、防撞擊等保護(hù)，能夠有效地保護(hù)電池模組，防止電池受到外部沖擊和損壞，從而提高了電池的安全性能。

2）耐久性好。鋼制電池盒也可以采用超高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及先進(jìn)鍍層技術(shù)，提高強(qiáng)度和耐腐蝕性，從而提高了電池的使用壽命。

3）適應(yīng)性強(qiáng)。鋼制電池盒可以根據(jù)不同的電池模組進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)各種不同的電池尺寸和形狀，從而提高了電池的適應(yīng)性和靈活性。

4）成本較低。相比于其他材料制成的電池盒，鋼制電池盒的成本較低（相比鋁制電池盒托盤可以降本超過30%），能夠有效地降低電池包裝的成本，從而提高新能源汽車的競爭力。

5）環(huán)保性好。鋼制電池盒的碳排放更低，相比鋁制電池盒在生產(chǎn)過程中可以節(jié)省更多的能源和資源。鋼制電池盒托盤也更容易回收利用，符合環(huán)保理念。

總之，鋼制電池盒作為一種新型的電池包裝形式，具有良好的安全性能、耐久性能和適應(yīng)性能，已經(jīng)成為新能源汽車電池包裝的重要形式之一。

新能源汽車補(bǔ)貼政策已經(jīng)于2022年12月31日終止，這對于新能源汽車行業(yè)和主機(jī)廠都是一個重大的變化。補(bǔ)貼的退出將促使新能源汽車行業(yè)從政策驅(qū)動向市場驅(qū)動轉(zhuǎn)型，也將加速行業(yè)的整合和優(yōu)勝劣汰。同時，補(bǔ)貼的退出也會影響消費(fèi)者的購買意愿和選擇，制造成本成為車企的重要考量。鋼制電池盒基于成本、安全和環(huán)保等方面的優(yōu)勢，以及在重量方面的可控性重新得到各主機(jī)廠青睞。本文以某公司兩種不同的鋼制電池盒托盤為例，討論兩種或多種鋼制電池盒托盤非共用夾具自動化生產(chǎn)線的方案規(guī)劃和工藝優(yōu)化研究。

產(chǎn)品介紹

某公司有兩種不同的鋼制電池盒托盤，產(chǎn)品一包含下殼體（見圖1）和上蓋（見圖2）需要焊接，產(chǎn)品二僅含下殼體（見圖3）需要焊接。此項(xiàng)目要求生產(chǎn)節(jié)拍600s/件，并且兩種產(chǎn)品共用焊接生產(chǎn)線。

焊接內(nèi)容和工藝分布

按照各部件搭接關(guān)系和焊點(diǎn)分布，產(chǎn)品一工序如圖4～圖8所示，產(chǎn)品二工序如圖9～圖11所示。

由于產(chǎn)品二焊點(diǎn)和工序均比產(chǎn)品一少，產(chǎn)品相似且結(jié)構(gòu)更簡單，故采用生產(chǎn)線上切換夾具和抓手方式來切換產(chǎn)品一和產(chǎn)品二，后續(xù)工藝重點(diǎn)分析產(chǎn)品一。

布局規(guī)劃

考慮到電池托盤產(chǎn)品特性為長度2m左右，寬度1.5m左右，大部分平面焊點(diǎn)，少部分立面焊點(diǎn)，故變位機(jī)在電池托盤中應(yīng)用較少，大部分方案使用滑臺來傳遞各工位工件，使得機(jī)器人可以在電池托盤兩側(cè)焊接，布局圖如圖12所示（隱藏圍欄和維修門等外圍設(shè)施）。

其中藍(lán)色區(qū)域OP10、OP20為左側(cè)人工上件位，藍(lán)色區(qū)域OP30、OP40為右側(cè)人工上件工位；OP10和OP20通過固定連接和一個伺服電機(jī)在大滑臺上一起滑動，OP30和OP40通過固定連接和一個伺服電機(jī)在大滑臺上一起滑動。

紅色區(qū)域?yàn)闄C(jī)器人焊接工位，此區(qū)域有四臺點(diǎn)焊機(jī)器人R1、R2、R3和R4，R1、R2機(jī)器人中間為上蓋焊接滑臺，上蓋通過兩工位小滑臺滑進(jìn)滑出，小滑臺外側(cè)為上件位，內(nèi)側(cè)為R1、R2上蓋焊接位。R3、R4機(jī)器人下方為分拼夾具焊接處，固定夾具形式。當(dāng)大滑臺上工件移動到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人工作時，R1、R2焊接上蓋，R3、R4焊接分拼夾具。

綠色區(qū)域?yàn)榘徇\(yùn)機(jī)器人抓取工位，此位置上方含有固定弧焊設(shè)備和兩套空中快換抓手，機(jī)器人通過切換不同抓手來適應(yīng)兩種電池托盤。R5為搬運(yùn)機(jī)器人，機(jī)器人左側(cè)為雙層緩存架，機(jī)器人右側(cè)為固定點(diǎn)焊設(shè)備和快換焊槍和支架。R5搬運(yùn)機(jī)器人負(fù)責(zé)切換OP10、OP20、OP30和OP40夾具上的工件以及最終產(chǎn)品搬運(yùn)到下線滑臺，夾具上工件切換完成后，機(jī)器人在快換焊槍和支架處切換為焊槍，焊接固定架。

工藝循環(huán)和節(jié)拍計(jì)算

1.鋪線階段

OP10夾具開始上件，完成上件后OP10夾具移動到焊接區(qū)域由R1、R3焊接，焊接完成后移動到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP10工件抓放到OP20工位，完成抓取后OP10和OP20夾具回到左側(cè)上件位，OP10和OP20夾具同時上件（見圖13）。

OP10和OP20夾具共同移動到焊接位由R1、R2、R3和R4焊接，完成焊接后OP10和OP20夾具移動到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件放到緩存架上再將OP10工件放入OP20夾具上（見圖14），OP10和OP20夾具回到左側(cè)上件位上件。大滑臺移動和搬運(yùn)機(jī)器人工作時，R1、R2機(jī)器人焊接上蓋板，R3、R4機(jī)器人焊接分拼夾具。

搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件從緩存架上抓放到OP30夾具上（見圖15），OP30夾具滑到右側(cè)上件位上件，上完件后滑到焊接位由R1、R3機(jī)器人焊接，焊接完成后移動到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP30工件抓放到OP40夾具上。OP10和OP20夾具上件后滑到焊接位由R1、R2、R3和R4機(jī)器人焊接。

OP10和OP20夾具焊接完成后移動到抓取位置，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件放到緩存位，將OP10工件放到OP20夾具上，OP10和OP20夾具滑回左側(cè)上件位上件。OP10和OP20夾具上完件后滑動到焊接位由R1、R2、R3和R4焊接，搬運(yùn)機(jī)器人R5將緩存架上的OP20工件放到OP30夾具上，OP30和OP40滑倒最右側(cè)上件。

2.循環(huán)生產(chǎn)階段

焊接完成的OP10和OP20夾具移動到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件抓放到緩存架上，將OP10工件放倒OP20夾具上，完成搬運(yùn)后OP10和OP20夾具移動到上件位上件。R1、R2、R3和R4機(jī)器人開始焊接上蓋板和分拼夾具。OP30和OP40移動到焊接位，R1、R2、R3和R4開始焊接OP30和OP40夾具（見圖16）。

OP30和OP40夾具焊接完成后移動到抓取位，OP10和OP20夾具移動到焊接位，R1、R2、R3和R4機(jī)器人開始焊接。搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP40工件放在緩存架上，再將OP30工件放在OP40夾具上，再將緩存架上的OP20工件放在OP30夾具上，完成搬運(yùn)后OP30和OP40夾具滑動到最右側(cè)上件位上件。

搬運(yùn)機(jī)器人R5抓取緩存架上的OP40工件在OP50固定點(diǎn)焊工位進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊完成后在大滑臺上方OP60固定弧焊槍位置進(jìn)行固定弧焊補(bǔ)焊，再將焊接完成的工件放入下線滑臺。之后R5機(jī)器人在大滑臺上方的空中抓手切換架脫掉抓手，到下線滑臺旁的快換焊槍支架處裝上小焊槍，對固定架夾具上的固定架分總成進(jìn)行焊接。焊接完成后到快換焊槍支架處脫掉小焊槍，再到大滑臺上方空中抓手處裝上抓手（見圖17）。

3.清線階段

OP10和OP20夾具焊接完成后移動到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件抓到緩存架上，再將OP10工件抓到OP20夾具上（見圖18），OP10和OP20夾具滑到左側(cè)上件臺，OP10停止上件，只上OP20工件。OP30和OP40夾具滑到焊接位，R1、R2、R3和R4機(jī)器人進(jìn)行焊接。

焊接完成的OP30和OP40夾具滑到抓取位，R5機(jī)器人抓取OP40工件到緩存架上，將OP30工件抓到OP40夾具上，再將OP20工件從緩存架抓到OP30夾具上。抓放完后OP30和OP40夾具滑到最右側(cè)上件臺上件。OP20夾具上件完成后滑到焊接位進(jìn)行焊接。搬運(yùn)機(jī)器人R5將緩存臺上的工件補(bǔ)焊后放到下件滑臺上。

OP20夾具焊接完成后滑到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5抓取OP20工件到緩存臺上，OP10和OP20空夾具滑動回左側(cè)上件位。OP30和OP40夾具滑動到焊接位，R1、R2、R3和R4機(jī)器人進(jìn)行焊接。OP30和OP40夾具完成焊接后滑到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP40工件抓到緩存位，將OP30工件抓到OP40夾具上，將緩存架上的OP20工件抓到OP30夾具上。

OP30和OP40夾具滑到最右側(cè)上件位進(jìn)行上件，搬運(yùn)機(jī)器人將緩存架上的OP40工件補(bǔ)焊后放在下件滑臺上。OP30和OP40夾具上完件后滑動到焊接位，R1、R2、R3和R4機(jī)器人進(jìn)行焊接。

OP30和OP40夾具完成焊接后滑到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP40工件抓到緩存架上，將OP30工件抓到OP40夾具上。OP30和OP40工件滑到最右側(cè)上件位，OP40夾具上件。搬運(yùn)機(jī)器人R5將緩存架上的OP40工件補(bǔ)焊后放入下件滑臺。

OP40夾具上件完成后滑動到焊接位，R2、R4機(jī)器人進(jìn)行焊接，焊接完成后滑動到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5抓起OP40工件進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊完成后放入下線滑臺，清線完成。

焊點(diǎn)分配和節(jié)拍計(jì)算

1.焊點(diǎn)分配

（1）產(chǎn)品一? 分拼件共76個焊點(diǎn)，螺母板焊接26個焊點(diǎn)，固定架80個焊點(diǎn)，上蓋69個焊點(diǎn)，OP10共192個焊點(diǎn)，OP20共193個焊點(diǎn)，OP30共112個焊點(diǎn)，OP40共109個焊點(diǎn)。

R1、R2機(jī)器人焊接上蓋板35+34個焊點(diǎn)，R3、R4焊接分拼夾具51+51個焊點(diǎn)（見圖19）；OP10工位R1焊接91個焊點(diǎn)，R3焊接76個焊點(diǎn)，共167個焊點(diǎn)，剩余25個焊點(diǎn)后續(xù)補(bǔ)焊；OP20工位R2焊接92個焊點(diǎn)，R4焊接76個焊點(diǎn)，共168個焊點(diǎn)，剩余25個焊點(diǎn)后續(xù)補(bǔ)焊（見圖20）；OP30工位R2焊接56個焊點(diǎn)，R4焊接56個焊點(diǎn)，共112個焊點(diǎn)；OP40工位R2焊接54個焊點(diǎn)，R4焊接55個焊點(diǎn)，共109個焊點(diǎn)；剩余50個焊點(diǎn)和9條焊縫R5機(jī)器人進(jìn)行固定補(bǔ)焊（見圖21）；R5機(jī)器人完成固定補(bǔ)焊和搬運(yùn)后切換焊槍進(jìn)行固定架80個焊點(diǎn)焊接。

（2）產(chǎn)品二? 分拼件共74個焊點(diǎn)，OP10共111個焊點(diǎn)，OP20共108個焊點(diǎn)，OP30共129個焊點(diǎn)，OP40共237個焊點(diǎn)。

R1、R2機(jī)器人焊接分拼37個焊點(diǎn)，R3、R4機(jī)器人焊接分拼37個焊點(diǎn)；OP10工位R1焊接56個焊點(diǎn)，R3焊接55個焊點(diǎn)；OP20工位R2焊接54個焊點(diǎn)，R4焊接54個焊點(diǎn)；OP30工位R1焊接64個焊點(diǎn)，R3焊接65個焊點(diǎn)；OP40工位R2焊接65個焊點(diǎn)，R4焊接65個焊點(diǎn)，剩余107個焊點(diǎn)后續(xù)補(bǔ)焊；R5機(jī)器人完成前序剩余的107個焊點(diǎn)補(bǔ)焊。

2.節(jié)拍計(jì)算

由于產(chǎn)品二焊點(diǎn)少于產(chǎn)品一，且一般鋪線和清線都不計(jì)算在節(jié)拍內(nèi)，這里僅給出產(chǎn)品一循環(huán)生產(chǎn)節(jié)拍（見表1）。

周邊規(guī)劃與物料流動

周邊圍欄和料箱擺放示意如圖22所示，物料流動示意如圖23、圖24所示。

結(jié)語

一個優(yōu)秀的方案需要優(yōu)先考慮最少的設(shè)備投資，最少的操作人員、良好的生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)過程中的防錯防漏和通暢的物流來保證順利完成生產(chǎn)。同時也需要考慮合理的自動化率以及合適的周邊輔助設(shè)備來優(yōu)化人機(jī)操作，減少操作人員工作負(fù)荷，保證各工位節(jié)拍平衡，盡可能使機(jī)器人工作效率達(dá)到95%以上，操作工效率不超過80%，為后續(xù)工廠自動化、數(shù)字化、智能化建設(shè)提供良好保障。