一種伺服柔性定位單元技術(shù)

高順恩 孟大慶

關(guān)鍵詞：柔性制造;生產(chǎn)線;焊裝;伺服;定位單元

1 引言

隨著汽車市場的發(fā)展，新車型的上市越來越頻繁。為了保持企業(yè)競爭力，滿足消費(fèi)者越來越多的個(gè)性化需求，汽車制造業(yè)由傳統(tǒng)的單品種、大批量生產(chǎn)方式逐步向多品種、中小批量的生產(chǎn)方式過渡，以生產(chǎn)者為主導(dǎo)的生產(chǎn)方式正逐步向以消費(fèi)者為主導(dǎo)的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變[1]。

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式下，汽車生產(chǎn)線兼容較少的車型、切換頻次低、柔性差。針對不同的車型，每次都要重新設(shè)計(jì)工藝及設(shè)備，設(shè)計(jì)周期長、成本高，且兼容性不好。當(dāng)生產(chǎn)線需要導(dǎo)入新的車型時(shí)就要對原生產(chǎn)線重新設(shè)計(jì)并改造，耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本，這種模式將很難滿足市場的競爭力。為彌補(bǔ)不足，提高汽車生產(chǎn)線的柔性化程度，伺服柔性定位單元技術(shù)逐步被應(yīng)用于各大汽車主機(jī)廠的焊裝生產(chǎn)線上[2-4]。

在這樣的情況下，為了加強(qiáng)市場競爭力，本司開始研究新的柔性制造生產(chǎn)技術(shù)，以應(yīng)對市場越來越激烈的競爭。

2 現(xiàn)有技術(shù)

以往的焊裝生產(chǎn)線為了兼容不同的車型，主要采用工裝定位單元的部分切換或者整體切換方式，切換時(shí)間長且繁瑣。并且切換下來的單元還需要大量的場地進(jìn)行存儲(chǔ)和維護(hù)保養(yǎng)，造成空間和時(shí)間上的巨大浪費(fèi)。

生產(chǎn)線的定位單元主要采用隨行夾具的結(jié)構(gòu)，主要包括橇體、切換機(jī)構(gòu)和定位工裝（圖1）。橇體是所有車型兼容共用的;定位工裝有2 個(gè)工作位，只能兼容生產(chǎn)2 種車型，通過氣缸的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)車型的切換。當(dāng)需要導(dǎo)入第3 種車型時(shí)就需要打開切換機(jī)構(gòu)，將切換機(jī)構(gòu)上的安裝板和定位工裝整體切換走并存入夾具庫里，將新車型的定位工裝導(dǎo)入進(jìn)來，從而實(shí)現(xiàn)新車型的柔性導(dǎo)入。

由于生產(chǎn)線布局的限制，夾具庫空間小，而且整條線共有20多個(gè)隨行夾具，夾具庫只能存放整條線的一套隨行夾具。所以包括夾具庫存放的和生產(chǎn)線上運(yùn)行的，現(xiàn)有的生產(chǎn)線只能允許2套隨行夾具共4 組車型同時(shí)生產(chǎn)。

企業(yè)為了滿足顧客的需要，提升企業(yè)競爭力，同時(shí)開發(fā)生產(chǎn)了多種車型。但由于場地和生產(chǎn)成本等限制，生產(chǎn)線并不能無限布置，這就需要生產(chǎn)線能夠同時(shí)滿足五六種甚至更多車型的生產(chǎn)需要。在這種情況下，開發(fā)一種不需切換就能滿足汽車在X、Y、Z 方向定位精度要求的新技術(shù)迫在眉睫。

3 技術(shù)開發(fā)

經(jīng)過多年的研究和試驗(yàn)，本司最終開發(fā)出一種可三向滑移的伺服柔性定位單元技術(shù)（圖2）。該技術(shù)設(shè)計(jì)的柔性定位系統(tǒng)主要由水平移動(dòng)系統(tǒng)、水平回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)裝置、豎直升降系統(tǒng)和最上方的定位裝置4 部分組成。該系統(tǒng)主要零件構(gòu)成如圖3 所示。

3.1 水平回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的定位裝置

定位銷、連接板和氣缸一起組成定位裝置，位于整個(gè)機(jī)構(gòu)的頂部，屬于車型的定位工裝。定位工裝是汽車生產(chǎn)線上必不可少的裝置，保持零件在生產(chǎn)線的絕對位置不變化。對于定位工裝來說，有更多的方向、高度切換是至關(guān)重要的，可以運(yùn)用于很多不同的場合。

3.2 豎直升降系統(tǒng)

豎直升降系統(tǒng)包括升降驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、豎直板、安裝板、豎直滑動(dòng)滾珠絲杠及升降機(jī)構(gòu)安裝座。升降機(jī)構(gòu)安裝座的下端與回轉(zhuǎn)裝置安裝座連接，上端與定位裝置連接。通過伺服電機(jī)給出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)Y 向滾珠絲杠沿Y 向上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)定位裝置沿Y向運(yùn)動(dòng)。

3.3 水平回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)裝置

回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、回轉(zhuǎn)裝置安裝座、減速機(jī)和移動(dòng)滑臺(tái)，一起組成水平回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)裝置（繞Y 向旋轉(zhuǎn)，控制X、Z 方向），通過移動(dòng)滑臺(tái)安裝在水平移動(dòng)系統(tǒng)的上方?；剞D(zhuǎn)裝置通過回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)減速機(jī)，通過齒輪嚙合的方式，使得回轉(zhuǎn)裝置安裝座得以繞Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。而豎直升降系統(tǒng)就設(shè)置在回轉(zhuǎn)座上，所以當(dāng)回轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定位機(jī)構(gòu)也會(huì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.4 水平移動(dòng)系統(tǒng)

水平移動(dòng)系統(tǒng)（X 向）由X 向滾珠絲杠、X 向?qū)к墶⑺揭苿?dòng)伺服電機(jī)和拖鏈組成。伺服電機(jī)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠沿X 向移動(dòng);滾珠絲杠通過一塊安裝板和兩側(cè)的導(dǎo)軌連接起來，帶動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊一起做水平X 向運(yùn)動(dòng)。采購件導(dǎo)軌的高精度可以確保連接在導(dǎo)軌滑塊上的運(yùn)動(dòng)單元不發(fā)生Y 向和Z 向的偏差，保證水平移動(dòng)系統(tǒng)的X 向移動(dòng)精度。

3.5 伺服柔性定位單元技術(shù)精度控制

伺服柔性定位單元的電氣控制系統(tǒng)采用多軸聯(lián)動(dòng)控制，支持多種通訊協(xié)議（ 如Modbus、Ethernet/IP、Devicenet、EtherCAT 和CANopen 等），支持本地I/O 直接控制，支持示教調(diào)試，并通過主線擴(kuò)展的方式可以聯(lián)動(dòng)控制更多的運(yùn)動(dòng)位置（圖4）。

伺服柔性定位單元技術(shù)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配合滾珠絲杠和導(dǎo)軌等高精度采購件，通過系統(tǒng)內(nèi)編寫的控制程序控制其運(yùn)動(dòng)軌跡，重復(fù)定位精度可達(dá)±0.1 mm 以內(nèi)，足以滿足汽車的定位精度要求[5-6]。

本技術(shù)可通過采用不同行程的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)范圍。在本次開發(fā)的技術(shù)中，該柔性定位單元NC 可以根據(jù)需要進(jìn)行3 個(gè)自由度組合，包括水平直線運(yùn)動(dòng)X 軸、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Y 軸、豎直直線運(yùn)動(dòng)Z 軸及穿孔定位裝置。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)合既對應(yīng)空間X、Y、Z 位置，也實(shí)現(xiàn)多車型快速切換的柔性定位需求。

通過分析本司各個(gè)在產(chǎn)車型定位孔的差異，并預(yù)留一些開發(fā)余地，該伺服柔性定位單元技術(shù)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)行程分別為X 向450 mm、Y 向200 mm、Z 向160 mm， 足以滿足公司目前在產(chǎn)車型的定位要求。另外在實(shí)物加工裝配好之后，還經(jīng)過了長達(dá)3 個(gè)月百多萬次的重復(fù)試驗(yàn)，確保重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度保持在設(shè)計(jì)范圍±0.1 mm 以內(nèi)。

4 技術(shù)應(yīng)用

將伺服柔性定位單元安裝在滑橇上，取代如圖1 所示的隨行夾具機(jī)構(gòu)上定位工裝和切換機(jī)構(gòu)，就構(gòu)成如圖5 所示的一種新的隨行夾具結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過程序控制隨行夾具上的伺服柔性定位單元運(yùn)動(dòng)行走到多個(gè)位置，從而能夠定位多種孔位距離差異在定位單元活動(dòng)范圍內(nèi)的車型。

每次導(dǎo)入新的車型時(shí)，不需考慮新的工藝和定位工裝，不需切換工裝，只需要增加一些電控硬件單元，通過主線擴(kuò)展和程序控制的方式，將伺服柔性定位單元行走到正確的位置，就能滿足新車型的定位要求，大大提高生產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)程度。因此，只要新導(dǎo)入的車型孔位距離差異在定位單元活動(dòng)范圍內(nèi)，就能將這些車型集中在一條生產(chǎn)線上，實(shí)現(xiàn)多車型的柔性共線生產(chǎn)。

即使有新的車型，孔位距離差異超出伺服柔性定位單元的行程范圍，只需選用更大行程的導(dǎo)軌等采購件，就能做出更大工作范圍的伺服柔性定位單元。將之運(yùn)用到生產(chǎn)線的定位工裝上，可以大大減少新生產(chǎn)線的投入，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，最終可以大幅降低汽車的市場售價(jià)，提高企業(yè)競爭力，促進(jìn)企業(yè)更快更好發(fā)展。