高自動化高柔性化條件下的車身尺寸精度控制

蔣治松 劉國斌 張爭 廖志梅

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 柔性制造策略

1.1 本公司焊裝車間采用高速輥床+隨行夾具的柔性線模式，實(shí)現(xiàn)多平臺全車型柔性共線（三廂、兩廂、SUV、MPV等） 。既可滿足爆款產(chǎn)品（單一品種月銷2萬輛以上），也可兼顧同平臺多品種需求。

1.2 線體方式：雙層輥床+隨行夾具，上層輥床為焊接平臺，下層為隨行夾具返回通道，由PLC和變頻電機(jī)共同實(shí)現(xiàn)驅(qū)動和控制，單工位輸送時(shí)間比往復(fù)桿形式減少7s。不同品種車型通過UB10#夾具庫的機(jī)器人進(jìn)行隨行夾具定位單元的切換，生產(chǎn)線每小時(shí)最高節(jié)拍為50JPH，整條線自動化率達(dá)到95%。

1.3 主夾具NBL結(jié)構(gòu)，框架式懸掛和移動。主夾具平臺上設(shè)有7個(gè)存儲為，最大可容納6個(gè)車型主夾具，通過電控程序操作即可進(jìn)行切換，單次切換時(shí)間約8min。

1.4 主線零件定位采用機(jī)器人+柔性抓手+Docking定位方式，不同車型切換待換槍盤的抓手即可。工裝基體部分一致，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同重新設(shè)計(jì)專用部分定位單元。

1.5 左右側(cè)圍采用人工預(yù)裝+工裝自動定位+機(jī)器人焊接和搬運(yùn)；由Pickup輸送系統(tǒng)+自動預(yù)裝將側(cè)圍線與主線結(jié)合，實(shí)現(xiàn)側(cè)圍與下車體的自動預(yù)裝。自動化率達(dá)90%。

1.6 夾具定位精度：定位銷±0.1，同基準(zhǔn)定位銷±0.1；定位面±0.15，測量符合率100%。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化：名義值驅(qū)動和偏公差設(shè)計(jì)間隙理念相結(jié)合

在設(shè)計(jì)面向制造的背景下，我們提出了偏公差設(shè)計(jì)間隙和名義值驅(qū)動理念：偏公差設(shè)計(jì)間隙是針對制造過程中零部件的封閉盒狀配合、制造難點(diǎn)（材料回彈、冷作變形/硬化等）位置進(jìn)行偏公差設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)上允許0.5~1.0mm的間隙。名義值驅(qū)動是零件數(shù)模及GD&T圖紙鎖定后，零部件的制造偏向名義值靠攏，避免因公差累計(jì)帶來的尺寸問題。

2.1 偏公差設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）偏公差的要求直接在3D數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)，開發(fā)模具和檢具可直接體現(xiàn)在零件和檢具上；

（2）偏公差的要求在模具和檢具制造過程中體現(xiàn)，模具調(diào)試周期短，后期匹配成本低；

偏公差間隙設(shè)計(jì)原則：

圖1 側(cè)圍與地板（多零件、多型面）配合間隙的偏公差設(shè)計(jì)

（1）保證重要定位系統(tǒng)的可靠性

例如：為保證車身坐標(biāo)系下側(cè)圍X方向的穩(wěn)定性，在側(cè)圍與地板合裝工位需要設(shè)計(jì)輪罩與地板的X方向的設(shè)計(jì)間隙。對地板按照圖示方向設(shè)計(jì)偏移1mm：各留1mm設(shè)計(jì)間隙 。

（2）保證重要功能面到位

例如：圖示兩根梁存在2Z+2Y面貼合要求，為了保證兩根梁Z向功能面尺寸穩(wěn)定性，需要考慮Y和Z向設(shè)計(jì)間隙；按照圖示方向設(shè)計(jì)偏移Y向0.5mm，Z向0.5mm：各留0.5mm設(shè)計(jì)間隙，見圖2。

（3）保證零件裝配到位

例如：為了保證兩個(gè)加強(qiáng)件在公差范圍內(nèi)每次都能夠順利裝配到縱梁上， 需要考慮Y向的設(shè)計(jì)間隙；按照圖示方向設(shè)計(jì)偏移Y向0.25mm：各留0.25mm設(shè)計(jì)間隙，見圖3。

2.2 名義值驅(qū)動

名義值驅(qū)動，即零部件的重要匹配特征盡可能向數(shù)模值靠攏，避免公差累計(jì)帶來的尺寸問題。簡單來說，就是以結(jié)果為導(dǎo)向，為了能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的最終狀態(tài)無限接近設(shè)計(jì)值，需要考慮材料在拉延、切邊、沖孔、翻邊、整形過程中的的力學(xué)性能以及材料回彈、頸縮、開裂的失效模式，充分研合模具，使量產(chǎn)零件無限接近設(shè)計(jì)值。

3 工藝方法、工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 高速輥床及隨行夾具（也稱為滑撬）

高速輥床系統(tǒng)采用PLC、變頻器的閉環(huán)控制，變頻器的工作啟停由PLC信號控制，PLC與變頻器之間采用總線控制方式。高速輥床的速度和位置采用變頻器閉環(huán)控制方式。檢測馬達(dá)轉(zhuǎn)速的編碼器和輥床位置的編碼器，直接接入變頻器編碼器的編碼器板卡，變頻器通過編碼器反饋信號 ，實(shí)現(xiàn)了輥床速度和位置的控制。

根據(jù)定位功能的不同，輥床分為定位升降輥床和非升降輥床，定位升降輥床應(yīng)用在尺寸精度要求高的工位，如重要的尺寸定位及零部件安裝工位，非升降輥床用于普通的焊接工位。其目視差別最明顯的有兩點(diǎn)：①輥床后部有個(gè)直徑Ф40mm的定位銷及隨行夾具的升降導(dǎo)向輪，采用硬質(zhì)耐磨材料，定位精度到+/-0.05mm。②升降輥床前部采用X/Y向?qū)蜉?，精度?/-0.1mm，普通輥床只有Y向?qū)蜉?。升降過程中，隨行夾具在變頻器和PLC信號控制下，只有Z向存在自由度，見圖4。

隨行夾具的主定位孔在后部，配合輥床的主定位銷使用，上部分布有4組柔性工裝，當(dāng)產(chǎn)品切換時(shí)，可在主線入口處UB10#工位采用機(jī)器人自動切換和堆垛。上部4組柔性工裝由氣控元件+機(jī)械部分固定在滑撬的基體上，為了保證柔性工裝的穩(wěn)定性，在尺寸精度要求高的工位，當(dāng)升降輥床下降到位后便接通安裝在輥床鋼結(jié)構(gòu)上的氣源并進(jìn)行充氣鎖緊，見圖5。

為便于隨行夾具定期進(jìn)行測量和維護(hù)，需要安裝一個(gè)離線的測量輥床。為了實(shí)現(xiàn)測量的穩(wěn)定和精度，需要該離線輥床具有很高水平度（±0.05mm）以及良好的穩(wěn)定性。輥床上分布有8個(gè)X/Y/Z向帶坐標(biāo)值的測量基準(zhǔn)孔，使用便攜式三坐標(biāo)測量設(shè)備建標(biāo)確認(rèn)水平度符合后，即可開始隨行夾具的測量。隨行夾具上也部有8個(gè)建標(biāo)基準(zhǔn)孔，采用同樣的建標(biāo)方式及測量方式測量隨行夾具精度，見圖6。

3.2 下車體門檻、前側(cè)板Docking工裝：工裝的基礎(chǔ)部分共用，不同車型之間根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的差異及定位策略的不同，只需調(diào)整定位孔/夾緊點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)。車型切換時(shí)只需通過換槍盤切換抓手工裝即可實(shí)現(xiàn)柔性。

圖2 頂梁配合（盒狀空間）間隙的偏公差設(shè)計(jì)

圖3 腔體結(jié)構(gòu)配合間隙的偏公差設(shè)計(jì)

圖4 升降輥床的定位

圖6 線下測量輥床及隨行的結(jié)構(gòu)、建標(biāo)基準(zhǔn)

3.3 側(cè)圍自動預(yù)裝的精度控制：升降輥床+機(jī)器人預(yù)裝（升降輥床能保證隨行夾具的一致性（以隨行夾具為基準(zhǔn)，采用整車坐標(biāo)來測量側(cè)圍），通過檢測能確認(rèn)側(cè)圍預(yù)裝的精度及一致性；

3.4 NBL主夾具的柔性及尺寸精度控制。

與傳統(tǒng)側(cè)框式主夾具相比，NBL主夾具具有柔性高的優(yōu)點(diǎn)，但也有不少弊端：

①主夾具由整個(gè)框架承載，由于懸臂太長，其剛性不足；且長期承受變頻電機(jī)加減速負(fù)載（最大速度50m/min），容易產(chǎn)生撓度。

②主夾具Z向行程受限，Z向不能對整個(gè)側(cè)圍約束；

③主夾具由側(cè)圍上端進(jìn)入車身，Z向到位后工裝由內(nèi)向外展開對車身進(jìn)行定位，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性偏弱；

④由于受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，所選取的焊鉗型號及工裝的空間約束，主夾具工位的定位焊點(diǎn)位置和數(shù)量有限；使產(chǎn)品在隨隨行夾具轉(zhuǎn)移過程中容易發(fā)生尺寸偏差。

改進(jìn)方法：

①側(cè)圍A柱主定位由90°DCU旋轉(zhuǎn)氣缸結(jié)構(gòu)改為由氣缸+滑塊結(jié)構(gòu)從向內(nèi)向外進(jìn)行定位。該位置的內(nèi)板孔改為翻邊孔，通過冷作硬化，提高鈑金的剛性。

②采用柔性NC工裝。NC由PLC和變頻器控制，單側(cè)在側(cè)圍裙邊上布置3組，配合主夾具工裝，提高側(cè)圍的Z向穩(wěn)定性。不同車型之間根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的差異，設(shè)置NC的參數(shù)。NC的精度可達(dá)±0.1mm。

③主夾具后部增加2個(gè)變頻器控制的立柱，提高主夾具框架的剛性。

④主夾具運(yùn)功結(jié)構(gòu)件采用優(yōu)質(zhì)材料，滿足強(qiáng)度和剛度性能。提高氣缸、滑塊、旋轉(zhuǎn)鉸鏈副結(jié)構(gòu)的加工精度，見圖7。

3.5 頂蓋總成的安裝和定位，目前常用的有兩種方式

（1）日系車頂蓋總成與側(cè)圍總成在同工位定位和焊接，上部Y向剛性充足，不容易變形；

（2）本公司車型頂梁較多（通常5~7根），頂蓋必須獨(dú)立在分拼工位生產(chǎn)，最后通過機(jī)器人預(yù)裝和定位。由于MB30#工位上部無頂梁，不能形成穩(wěn)定的盒狀結(jié)構(gòu)；且側(cè)圍總成與下車體的定位焊點(diǎn)數(shù)量少，側(cè)圍上部容易出現(xiàn)Y向尺寸偏差。

優(yōu)化方案：

①3#頂梁由頂蓋分拼轉(zhuǎn)移至MB30#焊接（如圖8），可以有效提高側(cè)圍上部的剛性，避免白車身在轉(zhuǎn)移過程中因振動等產(chǎn)生的尺寸偏差。

②MB70#工位增加柔性Docking工裝（如圖8），該工裝對側(cè)圍B/C柱上端Y向及頂蓋進(jìn)行定位，機(jī)器人及抓手將頂蓋總成由分拼工位搬運(yùn)至MB70#工位進(jìn)行定位焊接，消除了白車身由MB30#工位至MB70#轉(zhuǎn)移和焊接的尺寸偏差。

3.6 使用精確料架，提高機(jī)器人抓取的精度和穩(wěn)定性。

圖7 NBL主夾具、三立柱升降機(jī)、NC結(jié)構(gòu)

圖9 MB70#頂蓋工裝，可兼容其它車型

3.7 如圖10所示X/Y/Z三向可調(diào)節(jié)待刻度標(biāo)示塊，工裝夾具切換后，只需檢查該處的X/Y/Z刻度對齊情況便可判斷本次切換的狀態(tài)。

3.8 全面使用工裝設(shè)計(jì)模板和大力推廣標(biāo)準(zhǔn)化，以提高效率并縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)提高柔性化和再利用率，從而達(dá)到降低工裝設(shè)備成本和提高其設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量的目的。

3.9 以尺寸工程科開發(fā)的CDLS為指導(dǎo)，結(jié)合以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)尺寸控制理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。為便于安裝、測量和調(diào)試，采取獨(dú)立定位，多向可調(diào)的定位方式。

圖10帶刻度標(biāo)識塊：

5 檢測方法

（1）PA件采用藍(lán)光掃描：對于外觀覆蓋件的型面尺寸連續(xù)性、圓角一致性情況，成像報(bào)告可清晰呈現(xiàn)出，為外觀配合的提升提供了便利。

（2）雙懸臂式cmm測量設(shè)備：根據(jù)CDLS基準(zhǔn)策略開發(fā)測量系統(tǒng)的定位基準(zhǔn)，通過柔性測量支架切換可以實(shí)現(xiàn)多品種/多車型兼容。根據(jù)整車的尺寸差異，測點(diǎn)約1500~1700個(gè)，單車測量時(shí)間約4h。目前本公司的一個(gè)焊裝車間具有2套雙懸臂測量設(shè)備，提升測量能力。

（3）公共補(bǔ)焊線安裝在線測量設(shè)備：編制關(guān)鍵測點(diǎn)后，系統(tǒng)能100%實(shí)時(shí)監(jiān)控所生產(chǎn)的車輛尺寸數(shù)據(jù)情況，避免了雙懸臂測量抽檢的監(jiān)控盲區(qū)。由于測點(diǎn)選取較少，可在50s內(nèi)測量完成單車。與雙懸臂測量形成互補(bǔ)。

（4）單懸臂測量：工裝檢具測量、零件的柔性測量。通過柔性支架，理論上能對任一零件進(jìn)行測量。

（5）開閉式檢具：車身鈑金件檢具、內(nèi)外飾檢具、前后罩燈開口檢具、整車TAC檢具。

（6）局部測量基準(zhǔn)（相對基準(zhǔn)）建立：局部基準(zhǔn)是根據(jù)所關(guān)注區(qū)域而建立的一定范圍內(nèi)的尺寸基準(zhǔn)，可靈活選取，與整車坐標(biāo)系基準(zhǔn)不同。局部測量基準(zhǔn)可根據(jù)整車的尺寸關(guān)注范圍分為前臉（前蒙皮、前格柵、發(fā)罩、前照燈、翼子板）、中部（前后側(cè)門、水切、翼子板A柱）、尾部（后蒙皮、后照燈、尾門燈），適當(dāng)選取基準(zhǔn)體系，同于比較與基準(zhǔn)體系的尺寸相關(guān)性，更方便工程師在實(shí)際過程中的問題解決，具有更高的靈活性。