汽車(chē)合裝失敗問(wèn)題的研究與改進(jìn)

王愷，李金貴，鄭大元

（北京奔馳汽車(chē)有限公司，北京 101300）

合裝，即將汽車(chē)兩大主體：車(chē)身與底盤(pán)，裝配在一起的過(guò)程。其英文更是被形象地翻譯為Marriage。目前汽車(chē)行業(yè)中，底盤(pán)與車(chē)身合裝的組裝模式主要有以下3種：自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)AGV（Automated Guided Vehicle）、軌道導(dǎo)引車(chē)RGV（Railed Guided Vehicle）以及工位組裝，其主要區(qū)別在于AGV以及RGV是在生產(chǎn)線(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)完成合裝，而工位組裝是在固定工位完成合裝。其共同點(diǎn)在于這三種合裝模式，均先將車(chē)身固定在某一個(gè)高度，升降底盤(pán)尋找車(chē)身，實(shí)現(xiàn)合裝。該過(guò)程中涉及到底盤(pán)與車(chē)身兩個(gè)最大主體之間的非常復(fù)雜的連接和配合關(guān)系，包括發(fā)動(dòng)機(jī)，前橋，后橋，傳動(dòng)軸以及車(chē)身等重要組件。如何準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車(chē)身與底盤(pán)眾多主要組件的定位以滿(mǎn)足合裝要求是合裝設(shè)備面臨的關(guān)鍵難題。底盤(pán)組件之間在合裝之前并沒(méi)有完全固定，底盤(pán)的整體姿態(tài)依靠托盤(pán)實(shí)現(xiàn)組件之間的相對(duì)位置關(guān)系。

在與車(chē)身進(jìn)行合裝時(shí)，通過(guò)托盤(pán)主定位尋找車(chē)身，使用托盤(pán)傳遞底盤(pán)與車(chē)身的定位關(guān)系。而升降臺(tái)作為裝配過(guò)程中主要?jiǎng)幼髟O(shè)備，其穩(wěn)定性將會(huì)成為合裝定位成功的關(guān)鍵因素。

1 合裝定位方案以及存在問(wèn)題

1.1 合裝設(shè)備簡(jiǎn)介

北京奔馳某總裝車(chē)間合裝線(xiàn)采用工位組裝模式，其主體設(shè)計(jì)概念對(duì)標(biāo)德國(guó)Kecskemet工廠。合裝線(xiàn)由8個(gè)工位組成，其中1工位（合裝工位）和8工位（分裝工位）是由皮帶式雙剪升降臺(tái)復(fù)合高架鏈床的復(fù)合設(shè)備組成，如圖1所示。2～7工位是高架鏈床以及配套的EC工具，完成底盤(pán)和車(chē)身之間螺栓連接工作。

圖1 合裝工位

合裝線(xiàn)工作流如下：承載底盤(pán)的托盤(pán)及承載車(chē)身的EMS抱具同時(shí)進(jìn)入合裝工位，完成前后減震與車(chē)身合裝，并用Downholder將車(chē)身與底盤(pán)鎖緊在托盤(pán)上，隨后跟隨托盤(pán)繼續(xù)前進(jìn)；2～7工位依次完成底盤(pán)與車(chē)身主要連接螺栓的擰緊工作；分裝工位打開(kāi)Downholder，將車(chē)身（連底盤(pán)）與托盤(pán)分離并由EMS抱具輸送至底盤(pán)線(xiàn)。

在此階段，底盤(pán)與車(chē)身的定位對(duì)合裝過(guò)程顯得尤其關(guān)鍵，一旦定位出現(xiàn)問(wèn)題，托盤(pán)的主定位銷(xiāo)與車(chē)身定位孔無(wú)法匹配，必然會(huì)引起合裝的失敗，導(dǎo)致停線(xiàn)。

1.2 合裝定位方案

合裝過(guò)程中，車(chē)身與底盤(pán)的定位是合裝的前提，它們之間的定位在設(shè)計(jì)時(shí)全部分解到設(shè)備并由設(shè)備來(lái)保證，其定位方案如表1所示。

表1 車(chē)身與底盤(pán)合裝定位設(shè)備

EMS抱具，如圖2所示，由EMS控制系統(tǒng)通過(guò)軌道上的連續(xù)條形碼控制其在X方向停止位，卷?yè)P(yáng)機(jī)沿Z方向上升下降抱具，編碼器控制上升下降的高度，并且在抱具下方由固定在地面的兩個(gè)定位氣缸裝置（如圖3所示）精確定位抱具的X,Y位置。

圖2 EMS抱具

圖3 抱具定位氣缸

載有底盤(pán)的托盤(pán)沿X方向運(yùn)行到位，由于到位傳感器存在一定的感應(yīng)公差，為彌補(bǔ)傳感器造成的托盤(pán)位置偏差，托盤(pán)到位后，升降臺(tái)上設(shè)計(jì)有托盤(pán)定位氣缸裝置，其工作前，高架鏈床打開(kāi)電機(jī)抱閘，定位氣缸帶動(dòng)定位銷(xiāo)通過(guò)錐面導(dǎo)向進(jìn)入托盤(pán)上的定位孔，拉拽托盤(pán)到固定位，實(shí)現(xiàn)X、Y方向的精確定位，以保證托盤(pán)位置的高度一致性，Z方向高度由升降臺(tái)控制。

1.3 合裝定位存在的問(wèn)題

從生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)以來(lái)，合裝失敗的現(xiàn)象屢次發(fā)生，主要分為2類(lèi)：設(shè)備問(wèn)題以及人為操作失誤。本文研究的是設(shè)備問(wèn)題引起的合裝失敗。具體現(xiàn)象表現(xiàn)為：托盤(pán)上的主定位銷(xiāo)在Y方向上偏離車(chē)身定位孔，導(dǎo)致兩者無(wú)法合裝。如圖4所示。

圖4 車(chē)身定位孔與托盤(pán)主定位銷(xiāo)

2 合裝定位失敗分析

合裝過(guò)程中，設(shè)備引起的合裝失敗現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：車(chē)身與托盤(pán)在Y向定位存在偏差，導(dǎo)致托盤(pán)的主定位銷(xiāo)無(wú)法進(jìn)入車(chē)身定位孔。

合裝定位涉及的設(shè)備主要包括EMS抱具、托盤(pán)、升降臺(tái)，抱具定位裝置，托盤(pán)定位裝置。因此，從設(shè)備角度，合裝定位失敗只可能是以上設(shè)備中的一種或者多種產(chǎn)生定位偏差導(dǎo)致。

2.1 基于停機(jī)報(bào)告的故障分析

根據(jù)停機(jī)報(bào)告的5W原因追溯方法，合裝定位失敗的故障追溯到原因是升降臺(tái)兩端止退機(jī)構(gòu)（Catch hook）沿Y向?qū)ι蹬_(tái)的推力，如圖5所示。

圖5 停機(jī)報(bào)告5W根本原因追溯

涉及合裝定位的五種設(shè)備及其位置控制因素，如表2所示。

表2 合裝定位設(shè)備位置控制因素

因此，對(duì)托盤(pán)與車(chē)身定位失敗的問(wèn)題，首先，檢查兩個(gè)固定不變的定位裝置上是否發(fā)生位置變化，一般通過(guò)觀察漆封即可判斷，如果未發(fā)生變化，則記錄托盤(pán)號(hào)以及抱具號(hào)，并追蹤他們?cè)谥笱b配過(guò)程中是否仍然存在問(wèn)題，如果存在問(wèn)題，則使用標(biāo)定樣架重新校正，但多數(shù)情況，在下一輪裝配中，托盤(pán)與抱具沒(méi)有問(wèn)題（托盤(pán)和抱具都會(huì)定期進(jìn)行標(biāo)定保證其精度），可排除托盤(pán)與抱具的原因。

大部分情況，合裝定位失敗是因?yàn)樯蹬_(tái)在Y方向上發(fā)生了移動(dòng)，升降臺(tái)上升至與托盤(pán)與車(chē)身接觸時(shí)，發(fā)現(xiàn)托盤(pán)上定位銷(xiāo)的位置與車(chē)身定位孔位置無(wú)法匹配造成的。而且在檢查升降臺(tái)時(shí)，發(fā)現(xiàn)升降臺(tái)的滾輪左右相對(duì)導(dǎo)軌的位置不一樣，如圖6所示，即也證明了其在Y方向確實(shí)發(fā)生了移動(dòng)。

圖6 滾輪左右相對(duì)導(dǎo)軌的位置不一致

采用激光標(biāo)線(xiàn)儀，對(duì)升降臺(tái)高位和低位在Y方向上的位置進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)合裝工位升降臺(tái)在到達(dá)低位和高位時(shí)（即止退機(jī)構(gòu)打開(kāi)），在Y方向上有明顯移動(dòng)。升降臺(tái)在前后兩端裝有止退保護(hù)機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 止退機(jī)構(gòu)

其工作原理：兩工位之間的止退機(jī)構(gòu)相互擠壓，帶滾輪的旋轉(zhuǎn)止退桿沿固定的導(dǎo)向塊斜面滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)止退桿的打開(kāi)和關(guān)閉，如圖8所示。

圖8 止退桿打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)

升降臺(tái)入口與出口處的止退機(jī)構(gòu)，工作狀態(tài)如圖9所示4種狀態(tài)，其中“低位打開(kāi)”以及“高位打開(kāi)”對(duì)升降臺(tái)Y方向上會(huì)產(chǎn)生側(cè)向推力Fy。

圖9 止退機(jī)構(gòu)四種狀態(tài)

升降臺(tái)在下降過(guò)程中到達(dá)低位時(shí)，在入口受到止退機(jī)構(gòu)的Y向力Fy，上升過(guò)程中，到達(dá)合車(chē)位置時(shí)，在出口處受到Y(jié)向力Fy，且入口與出口Y方向受力相反，升降臺(tái)在合車(chē)過(guò)程中左右產(chǎn)生位移，影響合裝定位成功率。

現(xiàn)有的止退機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)只能通過(guò)調(diào)整相對(duì)位置減小Y向推力，但是，不可避免Y向推力，因此，我們以工位之間止退機(jī)構(gòu)互不影響為改造目標(biāo)，通過(guò)更改其結(jié)構(gòu)以及控制方式，從而達(dá)到消除Y向推力的目的。

2.2 基于深度挖掘方法的故障分析

由于升降臺(tái)是雙剪刀叉機(jī)構(gòu)，升降行程大，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不如單剪刀叉升降臺(tái)。因此，合裝升降臺(tái)對(duì)Y向推力更加敏感，其最直接的影響即造成合裝定位的失敗。然而，除此之外，我們聯(lián)想到升降臺(tái)還存在一種不正常故障現(xiàn)象，可能也與此有關(guān)：升降臺(tái)行走滾輪損壞，如圖10所示。

圖10 升降臺(tái)行走滾輪損壞

升降臺(tái)剪刀叉結(jié)構(gòu)以及滾輪分布如圖11所示。

圖11 升降臺(tái)剪刀叉結(jié)構(gòu)以及滾輪分布

剪刀叉與升降臺(tái)框架的連接一端為固定軸承箱（Y向固定），另一端為滾輪。升降臺(tái)受Y向力，以升降臺(tái)在高位為例，Y向力使上框架整體向左側(cè)偏離，則剪刀叉滾輪向左側(cè)有移動(dòng)，但由于剪刀叉另一端固定，則滾輪將不再與行走軌道完全貼合。

首先，檢測(cè)并調(diào)整滾輪行走軌道的水平，其后通過(guò)在軌道和滾輪表面涂抹適量黃油，升降多次后，觀察滾輪表面黃油殘留區(qū)域。沒(méi)有黃油殘留區(qū)域，表明該區(qū)域與軌道完全接觸；表面殘留黃油，表明該區(qū)域滾輪并沒(méi)有與軌道完全貼合，檢查結(jié)果如圖12所示。

圖12 滾輪與行走軌道貼合狀態(tài)

通過(guò)圖12可以看出，滾輪與軌道只有部分接觸，并且D滾輪甚至完全沒(méi)有與軌道完全貼合。其趨勢(shì)呈現(xiàn)的狀態(tài)是剪刀叉呈向左傾斜。滾輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13所示，3個(gè)深溝球軸承組合而成，如果接觸面不完全接觸，代表滾輪內(nèi)部3個(gè)軸承受力不均，導(dǎo)致出現(xiàn)滾輪損壞的設(shè)備故障。

圖13 滾輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)

因此，Y向受力對(duì)滾輪損壞有激勵(lì)作用，加速滾輪損壞，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況平均2～3個(gè)月需要更換一次滾輪。

3 合裝設(shè)備的改造方案

上文分析指出，合裝設(shè)備主要問(wèn)題是止退機(jī)構(gòu)對(duì)升降臺(tái)的Y向推力。該力不僅對(duì)車(chē)身與底盤(pán)的合裝定位有影響，而且會(huì)加速滾輪損壞。為解決該問(wèn)題，本文提出以下設(shè)備改造方案。

3.1 消除升降臺(tái)受到的Y向力

現(xiàn)有止退機(jī)構(gòu)方案，相鄰兩個(gè)工位相互作用，依靠Y向推力打開(kāi)或關(guān)閉機(jī)械擋塊，Y向推力無(wú)法避免，故更改其工作原理從根本上解決Y向受力問(wèn)題。新方案如圖14所示，每個(gè)工位的止退機(jī)構(gòu)由獨(dú)立的氣缸打開(kāi)或關(guān)閉機(jī)械擋塊，可完全避免Y向推力。

圖14 新止退機(jī)構(gòu)方案

3.2 提高滾輪與軌道貼合狀態(tài)

滾輪損壞主要原因是滾輪內(nèi)部軸承受力不均。Y向推力的消除，消除了左右移動(dòng)對(duì)滾輪受力的影響，除此之外，滾輪軌道高低不平也是滾輪受力不均的重要影響因素，由于升降臺(tái)結(jié)構(gòu)特性，分為上下兩層框架，升降臺(tái)滾輪行走軌道為中間層，處于懸空狀態(tài)，因此，在該段軌道下方與地面之間增加支撐立柱，加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度抵抗變形，如圖15所示，從而消除因軌道高低差異造成的滾輪內(nèi)部軸承受力不均問(wèn)題。

圖15 軌道支撐立柱

3.3 設(shè)備的維護(hù)策略的優(yōu)化

從設(shè)備的維護(hù)角度，優(yōu)化完善維護(hù)策略，除了日常的緊急性維護(hù)、修正性維護(hù)、增加預(yù)防性以及預(yù)測(cè)性維護(hù)，從多個(gè)維度增強(qiáng)對(duì)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，同時(shí)，對(duì)重點(diǎn)設(shè)備制定維修應(yīng)急預(yù)案，做到心中有數(shù)。

（1）預(yù)防性維護(hù)是指制定周期性的檢查工單，如月檢、季度檢、半年檢、年檢等，其中包含主要活動(dòng)件以及功能件的狀態(tài)檢查、潤(rùn)滑，比如，電機(jī)有無(wú)異響、軸承定期潤(rùn)滑、皮帶檢查有無(wú)裂紋、編碼器有無(wú)損壞等等，主要目的是發(fā)現(xiàn)偏差，并對(duì)偏差進(jìn)行修正和追蹤。

（2）預(yù)測(cè)性維護(hù)是收集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并尋找規(guī)律，用以判斷設(shè)備的變化趨勢(shì)，比如，皮帶張緊值以及差異比例，上框架前后水平差值，剪刀叉滾輪貼合面以及內(nèi)部軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，上框架上輸送鏈條張緊值等。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)值比較，以及自身變化趨勢(shì)，判斷并預(yù)估設(shè)備狀態(tài)，在極限值之前即做出相應(yīng)的調(diào)整或者更換將要損壞的零件，以達(dá)到避免故障發(fā)生在生產(chǎn)期間的目的。

（3）維修應(yīng)急預(yù)案是指針對(duì)某些特定的故障（發(fā)生或者可能發(fā)生），提前制定維修的方案，并且提前進(jìn)行實(shí)操演練，從而確保預(yù)案的可操作性以及正確性，它不僅提高了維修熟練程度，縮短了維修時(shí)間，更重要的是可以基于各種各樣的預(yù)案，制作數(shù)據(jù)庫(kù)，提供參照以及查詢(xún)，是維修部門(mén)一項(xiàng)重要的工作成果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以北京奔馳某車(chē)間合裝線(xiàn)設(shè)備為例，研究頻繁出現(xiàn)的合裝定位失敗問(wèn)題。對(duì)合裝定位失敗主要原因進(jìn)行追溯和分析，定位到止退機(jī)構(gòu)的Y向推力并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證證實(shí)了問(wèn)題確實(shí)存在，并且它還是導(dǎo)致升降臺(tái)滾輪損壞的一個(gè)重要原因，在此分析基礎(chǔ)上，我們提出了對(duì)止退機(jī)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)方案，并且通過(guò)改善滾輪軌道的水平，降低滾輪受力不均問(wèn)題，增加其的使用壽命。除此之外，通過(guò)對(duì)設(shè)備的偏差檢查以及趨勢(shì)分析，降低設(shè)備的停線(xiàn)時(shí)間，并且引入維修應(yīng)急預(yù)案概念，不僅加強(qiáng)了對(duì)設(shè)備的預(yù)防維護(hù)，也提高了緊急性維修的可操作性以及有效性。