高柔性白車身主拼技術的研究與應用

李磊 董雷 崔超 林增宇 畢愿江 宮正軍

（一汽模具制造有限公司，長春 130000）

1 前言

在當前汽車制造行業(yè)，白車身焊裝已經(jīng)進入到自動化、柔性化生產(chǎn)的時代，并且隨著車型的種類不斷增加，車型更新?lián)Q代速度不斷加快，為降低生產(chǎn)成本，加快車型上市速度，各汽車生產(chǎn)廠要求生產(chǎn)系統(tǒng)具備多車型柔性的生產(chǎn)能力。白車身焊裝工藝相比汽車其它工藝，剛性更強，多車型柔性的難度更大，尤其主拼柔性技術，是整個焊裝生產(chǎn)線車型柔性能力能否提高的瓶頸，已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車制造業(yè)重點研究的課題。

2 目前主流主拼柔性技術及主拼形式

2.1 主拼技術及其柔性能力

2.1.1 滑臺式主拼技術

側圍抓具由滑臺帶動，對白車身進行定位，其車型柔性能力由與滑臺對接的側圍抓具庫存放的側圍抓具數(shù)量決定，一般在3～6種車型，并且線體工位寬度比較大，對生產(chǎn)線面積及布局要求高。

2.1.2 框架式主拼技術

機器人搬運側圍框架夾具對白車身進行定位，其車型柔性能力由機器人可達范圍內(nèi)能夠存儲的側圍抓具數(shù)量決定，受工藝面積的限制，一般在2～6種車型。

2.2 主拼形式

2.2.1 GATE主拼形式[1]

GATE主拼是一種目前廣泛應用的主拼形式，核心部件為能夠沿X、Y方向移動的滑軌臺車系統(tǒng)與主拼鎖緊機構。GATE主拼通常與滾床輸送設備配合使用，滾床先將預裝好的白車身總成傳輸?shù)街髌垂の?，下夾具對地板總成進行定位，之后GATE通過滑軌臺車移動側圍定位夾具，通過鎖緊機構對側圍及頂蓋梁進行定位夾緊，最后機器人進行焊接，完成主拼工藝。

GATE主拼的柔性通過側圍抓具庫實現(xiàn)，常見夾具庫形式有2種：一種為轉臺夾具庫形式，一般可實現(xiàn)4車型柔性切換（圖1）；另一種為滑臺夾具庫形式，根據(jù)工藝面積，一般可實現(xiàn)4～6車型柔性切換（圖2）。

圖1 GATE主拼形式一

圖2 GATE主拼形式二

2.2.2 飛行夾具主拼形式

飛行夾具主拼的地板總成定位方式與GATE主拼形式相同，不同處在于飛行夾具主拼是以機器人搬運側圍、頂蓋梁等分總成框架夾具，在合拼位置使其定位后進行焊接，完成主拼工藝的一種形式。充分利用了機器人的靈活性，使生產(chǎn)線布局緊湊，提高空間利用率。通過在機器人可達范圍內(nèi)布置抓具?？空?，儲存不同車型的框架抓具實現(xiàn)車型柔性要求，一般可實現(xiàn)3～5種車型柔性切換。飛行夾具主拼根據(jù)合拼時鎖緊系統(tǒng)形式不同，可分為龍門框架飛行夾具（圖3）和無框架飛行夾具（圖4）。

圖3 龍門框架飛行夾具

圖4 無框架飛行夾具

2.2.3 其它主拼形式

除以上2種主拼形式外，根據(jù)主機廠習慣，日系車企常用內(nèi)置夾具主拼（圖5），德系車企常用康采恩框架主拼（圖6），這些主拼形式原理與GATE主拼形式類似，區(qū)別于內(nèi)置夾具與康采恩框架是利用空中立體布局，進行主拼工位的柔性提升，內(nèi)置夾具在車身內(nèi)部對白車身定位夾緊，使焊接機器人有更好的作業(yè)空間，提升了主拼工位的焊接效率。

圖5 內(nèi)置夾具主拼[2]

圖6 康采恩框架主拼

2.3 限制柔性因素分析

2.3.1 地板下夾具車型混流能力的限制

上述主流主拼技術同時存在地板總成混流能力不足的問題，地板下夾具混流能力有限，主要以加強地板總成產(chǎn)品平臺化程度和使用柔性設備增加下夾具的柔性混流能力，柔性設備通常有NC柔性單元（圖7）和風車柔性單元（圖8）。

圖7 NC柔性單元

圖8 風車柔性單元

NC柔性單元可以實現(xiàn)X、Y方向在一定范圍內(nèi)位置移動，但不同車型定位孔徑必須一致；風車柔性單元可以實現(xiàn)地板定位孔徑不同的情況進行混流，但不能進行X、Y方向的位置移動，要求定位孔坐標接近，以保證風車轉動的平衡；所以傳統(tǒng)主拼技術中地板總成下夾具實現(xiàn)多車型混流，對白車身地板定位孔是否適合混流是有一定要求的。

2.3.2 工藝面積對車型柔性的限制

目前常見主拼形式，有一個共同特點，主拼工位占地面積大，工位寬度大。6車型GATE主拼需要線體寬度至少達到18 m；5車型飛行夾具主拼需要線體寬度也要達到17 m。主拼工位線體寬，但其它主焊線工位寬度較小，一般在10 m左右即可，工位間線寬差距過大不利于平面布局，易造成工藝面積的浪費，如圖9所示為常見主焊線布局，所以工藝面積的限制及有效利用率成為高柔性主拼的制約條件。

圖9 主焊線布局

3 高柔性主拼技術方案與應用

3.1 目的及路線

為解決夾具、產(chǎn)品及工藝面積等因素對白車身主拼柔性能力制約的問題，實現(xiàn)主拼柔性能力顯著提高的目的，下面介紹一種新型高柔性主拼系統(tǒng)。

新型高柔性主拼系統(tǒng)的設計，首先放棄了傳統(tǒng)主拼系統(tǒng)中，地板總成零件使用下夾具進行車型混流的方式，改為可切換的車型專屬地板臺車，存儲在線外立體庫中，通過AGV進行轉運，在不占用主拼工位工藝面積的情況下，實現(xiàn)地板總成零件無限車型切換的能力。其次，設計一種側圍框架抓具可與滑軌臺車脫離的主拼機構，脫離后的側圍框架抓具使用同地板總成零件一樣的方法，通過AGV建立起工位內(nèi)與立體庫之間的轉運關系，把不同車型的側圍框架抓具存儲到線外立體庫中，解決側圍總成無限車型切換問題。最后頂蓋前后橫梁，由于各車型橫梁結構相似，利用柔性伺服抓具技術，進行柔性抓取，最終實現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，主拼無限柔性的設計。

3.2 主要結構及作用

高柔性主拼系統(tǒng)主要核心機構有地板臺車定位裝置和主拼機構（圖10）。

圖10 高柔性主拼機構主要組成和相對位置示意

3.2.1 地板臺車定位裝置

地板臺車定位裝置主要用于定位鎖緊不同車型的地板臺車，并且集成與側圍框架的互鎖機構，具體結構見圖11。

圖11 地板下夾具定位裝置結構示意

3.2.2 主拼機構

主拼機構主要用于白車身側圍固定及實現(xiàn)側圍與地板總成合拼功能，確保白車身總成相對位置關系，是主拼系統(tǒng)中的核心機構，具體結構見圖12。

圖12 主拼機構結構示意

3.3 主拼工位布局方案

圖13所示為高柔性主拼系統(tǒng)布局示意圖，工位上方搭建鋼結構平臺，地板總成與側圍總成零件在地面進行上件，頂蓋橫梁總成零件在鋼結構平臺進行上件，最后由主拼機構進行合拼固定。

圖13 高柔性主拼工位布局示意

3.4 主要工作流程

由于白車身為對稱構造，下面以一側為例敘述工作流程。

生產(chǎn)開始后，首先由AGV小車將某車型地板臺車和地板總成零件從滑移門7（圖13）運到主拼工位，通過地板下夾具定位裝置1（圖13）進行定位，檢測部件104（圖11）對地板總成零件車型進行校對，判定正確后，進行下一步工作。

同理，使用AGV小車將該車型側圍框架抓具通過轉運臺車運至側圍抓具轉運臺車定位裝置6（圖13）處并進行定位，側圍抓具搬運機器人3（圖13）將側圍框架抓具拾起，側圍抓具導入完成。

側圍總成零件由料車推進側圍上料口，通過側圍料車定位裝置4（圖13）進行定位后，側圍抓具搬運機器人3（圖13）從側圍總成料車中抓取側圍總成零件，將側圍抓具及側圍總成零件一同放入主拼機構2（圖13）中，通過主拼機構2上的側圍抓具互鎖裝置A端205（圖12）與側圍抓具上對應的互鎖裝置B端進行定位鎖緊，將側圍抓具固定到側圍抓具定位框架204（圖12）上，側圍抓具搬運機器人3（圖13）脫離并返回等待位置，氣電快插206（圖12）接入，接替?zhèn)葒ゾ甙徇\機器人3（圖12）對側圍抓具進行控制，導入后狀態(tài)如圖14所示。

圖14 地板總成及側圍總成導入后工作站狀態(tài)

主拼機構中臺車203（圖12）先在X向滑臺201（圖12）上滑動一定距離，再在Y向滑臺202（圖12）上滑動一定距離，最終將側圍總成合拼到地板總成上，工作位置如圖15所示。

圖15 地板、側圍合拼示意

頂蓋橫梁總成零件的合拼在二層鋼結構平臺9（圖13）上進行，工作流程如下。

a.頂蓋梁抓件及焊接機器人11（圖13）將頂蓋橫梁伺服柔性抓具放到頂蓋橫梁伺服柔性抓具上件支架10（圖13）上，人工將頂蓋橫梁放到頂蓋橫梁伺服柔性抓具上并自動夾緊，頂蓋梁抓件及焊接機器人11（圖13）將頂蓋橫梁伺服柔性抓具和頂蓋橫梁總成零件一起放到主拼機構2（圖13）上，通過頂蓋梁伺服柔性抓具上與側圍框架夾具上的互鎖機構裝置進行鎖緊，頂蓋梁抓件及焊接機器人11（圖13）脫離，換焊槍準備焊接。

b.到此主拼系統(tǒng)將白車身地板總成、側圍總成、頂蓋橫梁總成等零件合拼完成，焊接機器人5（圖13）與頂蓋梁抓件及焊接機器人11（圖13）共同完成白車身的點定焊接工藝。

c.焊接完成后主拼機構反向依次打開，白車身總成由AGV地板臺車轉入下序工位。

3.5 主要特點

新型高柔性主拼系統(tǒng)功能特點如下。

a.地板總成零件使用專屬車型臺車切換，從而實現(xiàn)地板總成零件的無限車型柔性化；

b.側圍抓具與主拼機構設計成可完全脫離形式，由機器人搬運側圍抓具進行車型切換，提高工位靈活性；

c.不同車型的工裝夾具不存放在生產(chǎn)線內(nèi)，而由立體庫對夾具進行集中存放，使用AGV切換至工位內(nèi)，解決了主拼工藝面積使用問題；

d.智能立體庫、AGV智能物流調度兩項技術應用在焊裝工藝中，使焊裝生產(chǎn)線更加智能與高效。

4 各種主拼技術性能對比

每種主拼技術特點不同，工藝規(guī)劃需要根據(jù)自身需求選擇合適的主拼技術，本文所述幾種主拼技術的性能對比如表1所示。

表1 不同主拼技術性能對比

上表性能對比，由于新型高柔性主拼系統(tǒng)的夾具庫在線體外，AGV轉運距離較長，所以切換時間較比其它主拼系統(tǒng)要長，其本質是用切換時間，換取工藝面積的降低，并且實現(xiàn)無限車型的柔性生產(chǎn)，適用于批量生產(chǎn)，車型多，平臺多的生產(chǎn)項目，如高端定制車生產(chǎn)線。

5 技術成果應用

本技術成果實現(xiàn)了汽車生產(chǎn)線主拼工位無限車型柔性切換可能性，與先進的調度系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)相結合，生產(chǎn)過程控制實現(xiàn)了程序化、數(shù)字化、遠程遙控化。生產(chǎn)中可實現(xiàn)自動車型識別和傳送，打破了車型差異、工藝面積對主拼柔性能力的桎梏，形成具有自主特色的柔性主拼焊臺結構，實現(xiàn)了焊裝柔性切換技術的自主掌握，該技術成功應用于轎車生產(chǎn)線上（圖16）。

圖16 高柔性主拼技術在轎車生產(chǎn)線示范應用