廢舊小型汽車(chē)柔性拆解技術(shù)研究

戴國(guó)洪，周自強(qiáng)

（1.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500；2.蘇州市汽車(chē)綠色拆解回收利用智能裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟 215500）

廢舊小型汽車(chē)柔性拆解技術(shù)研究

戴國(guó)洪1，2，周自強(qiáng)1，2

（1.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500；2.蘇州市汽車(chē)綠色拆解回收利用智能裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟 215500）

設(shè)計(jì)了廢舊小型汽車(chē)的柔性拆解方案和車(chē)身柔性拆卸站，闡述了結(jié)合其他工作站和輸送線建立柔性化小型汽車(chē)拆解生產(chǎn)線的基本方案以及利用該設(shè)備的報(bào)廢汽車(chē)回收過(guò)程.使用這種方法處理報(bào)廢汽車(chē)，在提高效率的同時(shí)還可使其能耗大幅降低.

報(bào)廢汽車(chē)；回收；柔性拆解；工業(yè)機(jī)器人

隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，民用汽車(chē)數(shù)量自2000年以來(lái)迅速增長(zhǎng)，中國(guó)已成為世界第三大汽車(chē)制造國(guó)[1].根據(jù)國(guó)家交通運(yùn)輸部報(bào)告，到目前我國(guó)汽車(chē)總量已超過(guò)九千萬(wàn).據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年會(huì)有六百萬(wàn)輛汽車(chē)達(dá)到使用壽命，如何處理報(bào)廢汽車(chē)是一項(xiàng)意義重大而又必須解決的事項(xiàng)[2].為了應(yīng)對(duì)報(bào)廢汽車(chē)日益增長(zhǎng)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，從2001年起政府部門(mén)開(kāi)始頒布了一些法律和法規(guī)，但報(bào)廢汽車(chē)回收利用的行業(yè)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展仍然受到限制.發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)發(fā)報(bào)廢汽車(chē)的回收利用技術(shù)已有很多年，但是他們的模式與我國(guó)相差甚遠(yuǎn)[3-8].雖然國(guó)內(nèi)報(bào)廢汽車(chē)回收工作進(jìn)行了很多年，但大多數(shù)都是通過(guò)人工利用簡(jiǎn)單的工具進(jìn)行拆卸，而且回收過(guò)程也不盡合理.例如，對(duì)汽車(chē)中的廢液沒(méi)有進(jìn)行收集和循環(huán)利用，結(jié)果是回收?qǐng)?bào)廢汽車(chē)所引起的污染又成了一個(gè)問(wèn)題.由于受到較高的人力成本限制，發(fā)達(dá)國(guó)家多采用粉碎、分選技術(shù).而我們應(yīng)該注意到，這些粉碎分選設(shè)備往往是非常耗能的，并且這些設(shè)備的體積巨大，會(huì)占用較多的空間.與之相反，我國(guó)的人力成本較低，所以粉碎前我們可以較多地采用人工拆卸方式，提高汽車(chē)的內(nèi)部材料和部件的再利用率，另一方面，大多數(shù)的汽車(chē)回收企業(yè)一般難以承受高價(jià)位的大型設(shè)備，因此研究開(kāi)發(fā)一些具有廣泛適應(yīng)性的柔性化報(bào)廢汽車(chē)拆解技術(shù)具有十分重要的意義.

1 廢舊小型汽車(chē)車(chē)身的結(jié)構(gòu)分析

圖1 小型汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)度分布

為了確保車(chē)輛的安全，小型汽車(chē)車(chē)體的結(jié)構(gòu)由變形部分和形狀保持部分組成.形狀保持部分應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度且不容易變形，以保護(hù)車(chē)內(nèi)乘客的安全.圖1中粗實(shí)線表示的區(qū)域是形狀保持區(qū).在車(chē)輛的前部和后部的易變形區(qū)用于發(fā)生交通事故時(shí)吸收碰撞能量.

車(chē)體是由支撐結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)組成的.如圖2所示，垂直方向的支撐結(jié)構(gòu)主要包括一些立柱和結(jié)構(gòu)件，用來(lái)支持車(chē)體的側(cè)部，并在上下部件之間形成一個(gè)安全空間.需要說(shuō)明的是，用來(lái)制造垂直結(jié)構(gòu)所用的材料都是高強(qiáng)度鋼.因此，如果將所有垂直結(jié)構(gòu)的立柱切斷后再進(jìn)行后續(xù)的拆卸，就能大大降低后續(xù)打包和破碎過(guò)程中的能耗.此外，在開(kāi)放式的車(chē)身空間中拆卸座椅等內(nèi)部零件十分容易，也能大大提高勞動(dòng)效率.如果進(jìn)一步將車(chē)身上的非金屬材料如塑料、玻璃完全清除掉，甚至可以取消破碎和分選的工作.而且由于較大尺寸的廢鋼可以直接用于熔煉，因此在最后的破碎環(huán)節(jié)中，車(chē)體無(wú)需再粉碎成小塊.

圖2 車(chē)身結(jié)構(gòu)的主要布局形式

圖3 報(bào)廢小型汽車(chē)的拆解回收流程

圖4 柔性拆解單元的基本結(jié)構(gòu)

2 廢舊小型汽車(chē)柔性拆解方案

由于傳統(tǒng)的離散式拆解方法既耗時(shí)且不容易進(jìn)行有序的管理，而生產(chǎn)線方式能夠在保證一定的生產(chǎn)效率的情況下降低工人的技術(shù)復(fù)雜度，因此是一種很有前景的拆解流程布局形式.圖3說(shuō)明了基于生產(chǎn)線的報(bào)廢汽車(chē)拆解過(guò)程，其中包括預(yù)處理，預(yù)拆卸，拆解車(chē)身，分離車(chē)身與懸掛系統(tǒng)，處理汽車(chē)內(nèi)飾件、車(chē)體壓縮，然后將車(chē)體打包送到鋼鐵廠進(jìn)行剪碎、廢鋼冶煉.預(yù)處理包括抽取車(chē)內(nèi)殘液（殘余汽油，機(jī)油，冷卻液等），取下電池和車(chē)輪.然后將報(bào)廢汽車(chē)放置在拆卸工作輸送線上.第一步工作是預(yù)拆卸，其中包括拆除發(fā)動(dòng)機(jī)罩，車(chē)門(mén)，保險(xiǎn)杠和后視鏡.之后，報(bào)廢小型汽車(chē)轉(zhuǎn)移到車(chē)身柔性拆解站.在拆解站內(nèi)擋風(fēng)玻璃和車(chē)身立柱將被切斷，然后由機(jī)械手拆掉車(chē)頂.這樣，在一個(gè)開(kāi)放的操作空間，工人可以輕松地拆卸座椅，方向盤(pán)，儀表板和其他內(nèi)飾.最后，將汽車(chē)車(chē)身轉(zhuǎn)移到液壓打包機(jī)上壓縮成便于運(yùn)輸?shù)慕饘賶K，最后被運(yùn)輸?shù)戒撹F廠.

圖4是小型汽車(chē)車(chē)身柔性拆解單元的基本結(jié)構(gòu)，它是整個(gè)拆卸線上一個(gè)重要的工作站.報(bào)廢小型汽車(chē)通過(guò)托盤(pán)從一個(gè)工作位置轉(zhuǎn)換到另一個(gè)位置.當(dāng)車(chē)身進(jìn)入柔性拆解工作站后，托盤(pán)將停止工作，并且由自動(dòng)夾具進(jìn)行定位.然后，工作人員調(diào)整剪切工具位置、夾緊機(jī)構(gòu)、擋風(fēng)玻璃切割的路線.隨后，拆解工作將由三個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行：（1）擋風(fēng)玻璃切割系統(tǒng)；（2）立柱切割系統(tǒng)；（3）車(chē)頂轉(zhuǎn)移系統(tǒng).

2.1 擋風(fēng)玻璃切割系統(tǒng)

圖5所示的是擋風(fēng)玻璃切割系統(tǒng)，將6自由度工業(yè)機(jī)器人安裝在可以水平移動(dòng)的滑臺(tái)上，滑臺(tái)可以在豎直方向上移動(dòng)以調(diào)整工作高度.同時(shí)，通過(guò)沿軌道移動(dòng)支架也可以沿縱向調(diào)整機(jī)器人的位置.為了切割報(bào)廢汽車(chē)的擋風(fēng)玻璃，考慮到報(bào)廢汽車(chē)的車(chē)型和規(guī)格差別很大，因此切割路徑必須要求能夠自動(dòng)生成.為了達(dá)到這一目的，在支架上安裝了兩個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的機(jī)器人末端執(zhí)行器.一個(gè)用來(lái)跟蹤擋風(fēng)玻璃的輪廓，另一個(gè)用來(lái)將擋風(fēng)玻璃從車(chē)身上切割下來(lái).機(jī)器人能夠自動(dòng)快速更換這兩種執(zhí)行器.為了提高效率，可以將常見(jiàn)車(chē)型的軌跡數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果進(jìn)入柔性拆解單元的報(bào)廢汽車(chē)類(lèi)型能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到，計(jì)算機(jī)就立即讀取該數(shù)據(jù)文件，并把它下傳給機(jī)器人控制器，機(jī)器人將根據(jù)數(shù)據(jù)切割擋風(fēng)玻璃.如果計(jì)算機(jī)中沒(méi)有保存該報(bào)廢汽車(chē)的類(lèi)型，則應(yīng)啟動(dòng)一個(gè)新的檢測(cè)程序.機(jī)器人首先將末端執(zhí)行器更換為輪廓檢測(cè)傳感器，然后帶動(dòng)輪廓檢測(cè)器沿?fù)躏L(fēng)玻璃表面移動(dòng).如果輪廓探測(cè)器檢測(cè)到金屬邊緣則把該點(diǎn)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)反饋到機(jī)器人控制器.需要說(shuō)明的是，為了提高效率，并不對(duì)擋風(fēng)玻璃的輪廓進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，而是根據(jù)NURBS （Non-uniform rational B-spline）理論只對(duì)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)即可.最后根據(jù)這些特征點(diǎn)擬合出擋風(fēng)玻璃輪廓的三維空間曲線.當(dāng)然，這種新的軌跡和汽車(chē)型號(hào)應(yīng)立即保存在計(jì)算機(jī)中.因此，隨著擋風(fēng)窗切割系統(tǒng)的應(yīng)用，拆解效率將顯著提高.

2.2 立柱切割系統(tǒng)

與擋風(fēng)窗切割系統(tǒng)不同，立柱切割系統(tǒng)是手動(dòng)操作的半自動(dòng)化機(jī)電系統(tǒng).如圖4所示，傳送線的兩側(cè)有兩對(duì)液壓剪切工具，用來(lái)剪切車(chē)身兩側(cè)的立柱.工人只需要對(duì)一側(cè)的剪切工具進(jìn)行操作即可，如調(diào)整高度和縱向位置，而另一側(cè)的剪切工具在隨動(dòng)控制系統(tǒng)的作用下會(huì)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)的動(dòng)作，因此可以減少操作工人的數(shù)量.立柱被分為兩組，前立柱和后立柱.如圖2所示，對(duì)a類(lèi)型車(chē)輛，A柱和B柱被定義為前立柱，C柱被定義為后立柱.對(duì)于b類(lèi)型車(chē)輛，A柱被定義為前立柱，C柱定義為后立柱.然而對(duì)于c類(lèi)型車(chē)輛A，B和C柱被定義為前立柱，D柱被定義為后立柱.因?yàn)楹罅⒅^寬，對(duì)液壓剪切工具的尺寸要求較大，因此所采用的剪切方式和前立柱的剪切方式不同.

2.3 車(chē)頂轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

當(dāng)采用液壓剪切工具對(duì)車(chē)身立柱進(jìn)行剪切時(shí)，必須通過(guò)安裝在縱向托架上的夾緊機(jī)構(gòu)固定車(chē)頂?shù)奈恢靡苑乐姑撀?夾緊機(jī)構(gòu)可以沿著縱向方向和垂直方向調(diào)整.夾緊機(jī)構(gòu)通過(guò)滑輪和電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng).當(dāng)報(bào)廢汽車(chē)進(jìn)入柔性拆解工作站后，工人沿縱向調(diào)整夾緊機(jī)構(gòu)的位置，以確?？梢哉_夾持車(chē)頂.當(dāng)所有立柱都被切斷后，托架將沿橫向梁運(yùn)動(dòng)到存儲(chǔ)架上方并將其存放到料箱中.

圖5 擋風(fēng)玻璃切割系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

從我國(guó)的基本國(guó)情出發(fā)，開(kāi)發(fā)柔性化和適應(yīng)性強(qiáng)的拆解裝備能夠降低報(bào)廢汽車(chē)拆解企業(yè)的投資規(guī)模.這種模式能夠大大降低整個(gè)拆解流程中的能源消耗，提高材料利用率和拆解全過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益.另外，經(jīng)過(guò)這種相對(duì)精細(xì)的拆解過(guò)程后，最后進(jìn)入破碎和分選階段的車(chē)體中所含的各種雜質(zhì)和廢料的比例也大大降低，對(duì)報(bào)廢汽車(chē)拆解回收過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)工作也具有一定的幫助.

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A Research on Flexible Disassembly Technology for End-of-Life Vehicles

DAI Guo-hong1,2,ZHOU Zi-qiang1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China; 2.Suzhou Key Laboratory of Intelligent Equipment for ELV Recycling Technology,Changshu 215500,China)

According to the analysis of the structure of vehicle body,the scheme of flexible dismantling cell is illustrated.It is composed of a window shield cutting system,pillars cutting system and roof transforming system. By combining other work cell and conveyer line,a product line based on dismantling mode for ELV recycling is implemented.The recycling process that is based on this equipment is introduced.By this means,the energy consumed during the ELV recycling can be decreased considerably.

end-of-life vehicle;recycling;flexible dismantling;industrial robot

X76

A

1008-2794（2012）10-0005-04

2012-08-22

戴國(guó)洪（1966—），男，江蘇吳江人，教授，工學(xué)博士，研究方向：數(shù)字化制造技術(shù)與裝備．