基于Tecnomatix的T型汽車柔性切換系統設計及仿真驗證

摘要：為提升汽車白車身焊接生產線的柔性，提出一種T型汽車柔性切換系統。首先，研究了T型汽車柔性切換系統的組成及各組件的工作過程，提出了切換（2N+1）種車型的目標；其次，研究了T型汽車柔性切換系統的動力和傳動部分，確認了電機參數及導向和定位方案；再次，提出了T型汽車柔性切換系統的模塊劃分和接口部分設計，得到模塊劃分圖；最后，利用Tecnomatix環境仿真T型汽車柔性切換系統的工作過程，結果表明，T型柔性切換系統的方案設計合理，可以實現（2N+1）種車型的切換。

關鍵詞：柔性切換系統 Tecnomatix 仿真驗證 模塊化設計

中圖分類號：U466 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240208

Structural Design and Simulation Verification of T-Shaped Automotive Flexible Switching System Based on Tecnomatix

Han Yuting1， Li Chunlei2， Liu Yanfeng1， Li Yuchen1， Yan Jintao1

（1. Dalian Vocational amp; Technical College， Dalian 116035; 2. Dalian Auto Industry-automation Equipment Co.， Ltd.， Dalian 116050）

Abstract： In order to improve the flexibility of the welding production line for car body in white， this paper proposes a T-shaped automotive flexible switching system. Firstly， this article studies the composition of the T-type flexible switching system and the working process of each component， and proposes that this switching system can switch 2N+1 vehicle models. Secondly， the power and transmission parts of the switching system are studied， and the motor parameters， guidance and positioning schemes are determined. Moreower，the module division and interface design of the switching system is proposed， and a module division diagram is obtained. Finally， the working process of the switching system is simulated in the Tecnomatix environment. The results show that the design of the T-type flexible switching system is reasonable and can achieve switching between 2N+1 vehicle models.

Keywords： Flexible switching system， Tecnomatix， Simulation verification， Modular design

1 前言

汽車的柔性生產系統是一種高效、靈活的生產方式，它允許生產線在短時間內從一種車型切換為另一種車型，從而實現多品種、小批量的生產。汽車柔性生產系統具有模塊化設計、高度自動化、高度柔性的特點，是一種高效、靈活的生產方式，可以快速地響應市場變化、降低生產成本、提高產品質量。隨著汽車市場的不斷發展和消費者對汽車多樣化和個性化的需求不斷增加，汽車柔性生產線將成為未來汽車行業的主流生產方式之一。本文提出一種T型汽車柔性切換系統，該系統可以實現多種車型的切換生產，可實現模塊化設計，以更好地滿足產線后續升級改造的要求，符合當前汽車市場多元化的發展趨勢。

2 汽車柔性切換系統

2.1 傳統汽車切換系統

汽車生產線的切換系統能夠快速、準確地切換不同車型，顯著提高生產線的靈活性和效率。汽車生產線的切換機構通常包括多種復雜的機械、電氣和控制系統以實現生產線上各部分的快速調整，包括焊裝、沖壓、涂裝等[1-6]。

圖1所示為一種汽車焊裝生產線的切換系統，主要由切換軌道、滑移小車、焊接夾具、工作位、庫位和定位機構組成。焊裝夾具設在滑移小車上，主軌道從左到右依次是工作位和庫位，滑移小車上設有滑動輪組，使滑移小車可以左右移動，定位機構用于滑移小車工作位置的精確定位，該設計可以使焊裝夾具在不同庫位之間快速切換，提高生產線的效率。

另外，該種切換機構通常配備先進的控制系統，如PLC、伺服電機等，能夠精確控制切換機構的動作。

但該切換系統僅能實現2種車型的切換，即使如圖1所示增加1塊基板，可以配備2套焊接夾具，能同時焊接2種零件，仍不能滿足當前汽車生產線高柔性的需求，為此，需對切換系統進行升級。

2.2 其他汽車柔性切換系統

目前，已經出現了具備一定柔性能力的切換系統，該切換系統的切換軌道更為復雜，且一般具有多個庫位，可實現2種以上車型的切換，李磊等提出4+N柔性切換系統，包括有轉臺4+N柔性切換系統和滑臺4+N柔性切換系統，該系統的柔性程度高，結構緊湊，占地面積小，但成本較高且結構復雜，不利于生產線的后續改造[7]。黃敏鶇等提出了一種典型汽車車身多品種柔性生產線車型切換效率提升方案，所使用的切換系統可實現4種車型切換，使用了翻轉切換和插拔切換，但該系統只能解決特定的生產線問題，無法通用，且最多可切換4種車型，柔性程度無法提升[8]。

2.3 T型汽車柔性切換系統

基于目前已經提出的柔性切換系統，本文提出一種新型的T型柔性切換系統，可實現模塊化設計和生產，降低了生產成本，且電機和夾具之間采用滾輪軸承和滑槽的柔性連接方式，系統的柔性程度更高。本文提出的T型柔性切換系統三維結構如圖2所示，工作過程如下：首先，當滑移小車在庫位移動時，由庫位動力小車帶動滑移小車移動，當滑移小車運送到切換等待位后自動安裝到主線動力小車的滑槽內，然后由主線動力小車帶動滑移小車在主線移動，同時脫離庫位動力小車的滑槽，實現滑移小車X、Y方向移動的轉換；最后由主線動力小車帶動滑移小車至工作位，滑移小車上有安裝夾具及白車身組件，由焊接機器人對白車身組件進行焊接。

由圖2可知，T型柔性切換系統可以切換的車型為（1+2）種，且Ⅱ車型和Ⅲ車型切換部分可以擴展，能實現（2N+1）種車型的切換。

3 T型柔性切換系統的結構設計

3.1 T型柔性切換系統的動力和傳動部分設計

圖3所示為T型柔性切換系統的動力和傳動部分，動力部分采用變頻減速電機，傳動部分采用直齒輪齒條。

3.1.1 電機參數

動力電機的參數如表1所示。

3.1.2 導向部分

動力小車和滑移小車的導向部分采用Z向承重輪+Y向右側基準輪和Z向承重輪+Y向左側調整輪的方式，采用機械強度更高、耐磨性更好的方形軌道取代傳統的重軌（GB/T 2585—2021《鐵路用熱軋鋼軌》），為保證軌道的清潔和車輪運行的可靠性，在每個車輪組件兩端均安裝了銅質鋼軌毛刷。

3.1.3 定位方案

為提高裝配精度，導軌在架體上的定位采用定位面+定位銷的方式，且兩側導軌的安裝平行度誤差不超過±0.05 mm，采用調整地腳和增加墊片的方式調整導軌的水平度。同時，齒條的定位采用定位面+定位銷的方式。由于電機需要一定的調整量，所以變頻電機定位采用定位面+偏心銷的方式。最后，為保證滑車的車輪和架體導軌的順利安裝，滑車上的車輪組件采用定位銷定位。

3.2 T型柔性切換系統的模塊化設計

對T型柔性切換系統進行模塊化設計，可以降低設計和生產成本，增加T型柔性切換系統的庫位數量，滿足更多車型的切換需求。

3.2.1 接口設計

為實現T型汽車柔性切換庫的模塊化設計，首先需要統一各模塊之間的接口，庫位動力小車和主線動力小車等動力小車需要采用統一接口與無動力小車（滑移小車）連接。

T型汽車柔性切換庫的接口采用滾動軸承和滑槽的柔性連接，如圖4所示。在設計時，需要將滾動軸承安裝到無動力小車（滑移小車）上，滑槽安裝到動力小車上，當無動力小車在庫位和主線位進行切換時，可使滾動軸承從滑槽側面的引導面進入滑槽，接口部分可順利連接，使無動力小車在柔性連接時有更高的可靠性。

在設計滾動軸承和滑槽時，主線和庫位選擇同樣規格型號的軸承，滿足了模塊化設計中互換性的要求。

3.2.2 模塊劃分

為實現T型汽車柔性切換庫的模塊化設計，且能夠任意增加庫位，需要合理劃分T型汽車柔性切換庫的各個模塊。根據T型汽車柔性切換庫各部分的功能和結構，最終劃分的模塊如圖5所示。

4 T型柔性切換系統的仿真驗證

4.1 仿真工作站的建立

4.1.1 工作站數據導入

首先將已經建立好的T型汽車柔性切換系統的仿真模型、夾具模型和白車身零件模型導入仿真軟件，在Tecnomatix環境下搭建一個T型柔性切換系統的仿真工作站[9-10]。數據導入過程如下：

a. 對所有模型文件的格式進行預處理。模型文件均以jt格式導出，然后使用批處理文件trans_jt2cojt為文件加殼，生成cojt文件。

b. 建立Project和Library文件，用于存放仿真時所需的所有模型文件。

c. 按照一定順序將cojt文件導入到Process Simulate軟件，根據實際情況完成T型汽車柔性切換系統的布局。

4.1.2 工作站的仿真設置

工作站仿真設置包含以下內容：

a. 運動設置：T型汽車柔性切換系統需要設置3個部分的運動，分別為左庫位動力電機的運動設置、右庫位動力電機的運動設置、主線動力電機的運動設置。

b. 庫位切換設置：在姿態編輯器中創建切換位置架體在旋轉后的工作姿態，并設置旋轉角度和特殊點屬性。

c. 傳感器設置：設置T型柔性切換系統傳感器參數，Ⅰ車型庫位、Ⅱ車型庫位、Ⅲ車型庫位、切換等待位和工作位均需要光電傳感器，感應滑移小車到達的位置共需設置5個光電傳感器。

d. 仿真序列設置：在操作瀏覽樹中設置Ⅰ車型、Ⅱ車型、Ⅲ車型的滑移小車及庫位和主線動力小車的Op文件。

4.2 仿真驗證

將操作瀏覽樹中建立的操作加入序列仿真器，得到T型汽車柔性切換系統仿真的操作節點時序，如圖6所示。

按照圖6所建立的時序進行仿真運行，在Ⅰ車型、Ⅱ車型和Ⅲ車型切換的過程中，當Ⅱ車型、Ⅲ車型在切換位時，Ⅰ車型可同時動作，可降低節拍，且Ⅱ車型、Ⅲ車型的切換節拍最長，后續可以將生產數量少的車型放置在Ⅱ車型、Ⅲ車型庫位，或者增加庫位的長度，實現Ⅱ車型、Ⅲ車型的同步切換。

5 結束語

本文對汽車柔性生產系統的特點進行總結，并提出一種新型的T型汽車柔性切換系統，實現（2N+1）種車型的切換，很好地解決了目前汽車生產線多品種生產的要求。同時，本文設計了T型汽車柔性切換系統的結構，且利用Tecnomatix軟件對該T型汽車柔性切換系統進行仿真驗證，結果表明：Ⅰ車型、Ⅱ車型、Ⅲ車型可以進行切換，且Ⅱ車型、Ⅲ車型的切換時間較長，需要合理控制節拍或者增加庫位長度，縮短Ⅱ車型、Ⅲ車型切換的時間。

參考文獻：

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作者簡介：韓玉婷（1990—），女，助教，碩士學位，研究方向為柔性生產線研發與優化。

基金項目：2023年度大連職業技術學院（大連開放大學）校級科研課題（ZK2023QN01）。

參考文獻引用格式：

韓玉婷， 李春雷， 劉彥鋒， 等. 基于Tecnomatix的T型汽車柔性切換系統設計及仿真驗證[J]. 汽車工藝與材料， 2024（8）： 63-66.

HAN Y T， LI C L， LIU Y F， et al. Structural Design and Simulation Verification of T-Shaped Automotive Flexible Switching System Based on Tecnomatix[J]. Automobile Technology amp; Material， 2024（8）： 63-66.