柔性焊装线的规划及应用

柔性焊装线的规划及应用

王航陈立峰杨晖胡有建余友松

王航陈立峰杨晖胡有建余友松

神龙汽车有限公司湖北省武汉市430056

摘要：近年来，随着产品平台化建设，零部件的通用化和标准化得到很快的发展，并且汽车制造方面的机器人视觉、激光焊接、传感技术和柔性工装等的方面技术和装备的突破，使得先前车身柔性焊装线建造中无法解决的问题，必将会有一个新的思路，同时也有效的促进了汽车焊装生产线的多品种柔性化的实现。鉴于此，本文主要分析柔性焊装线的规划及应用。

关键词：柔性焊装线；规划；应用

我国经济迅猛发展，各行各业也不断发展。由于交通工具的不断改革，汽车产业发展迅速。汽车制造，作为我国第二产业的重要组成部分，在国民经济中发挥重要的作用。毫不夸张地说，自20世纪50年代开始，中国就结束了不能自主生产汽车的历史。随着经济的发展、科技的进步，现在汽车已经基本上在生活当中得到了普及。而从汽车工业的全球发展角度以及当前其在中国目前的发展状态来看，中国的产能规模已经可以说是达到了目前世界先进汽车制造企业的水平。成为我国工业生产上最为典型的产业之一，其自主品牌彰显了一定的发展趋势和竞争优势，充分体现了中国汽车制造业深厚的技术进步潜力以及巨大的发展空间。随着我国汽车保有量和销售量的持续稳步增长，汽车经济的市场规模逐步扩大，市场主体逐年丰富，市场竞争力逐年增强，与此同时，市场领域范围也在逐年扩大并更加的细化和完善。获得足够的市场是汽车经济能够大幅度增长的前提，中国的汽车产业在国外的市场越来越大，这种趋势增加了中国自主研发的汽车在国外市场所占份额，同时也增加了国家经济的增长。

1、柔性焊装线的概念及组成

1.1、车身焊装线的组成

车身焊装线就是将几百上千个冲压零件，由工装夹具定位，然后焊接成分总成、总成部件直至白车身的生产线。如图1所示，它由焊接设备（点焊焊钳、螺柱焊枪、激光焊枪、焊接机器人等）、涂胶设备、工装夹具、输送设备、上件集放站、自动化设备以及一些辅助设备等组成。焊装线的开发水平直接决定了白车身的车身质量、设备投资以及工厂绩效。

图1车身焊接生产线

汽车白车身的构成如图2所示，分为上车体、下车体。上车体一般由侧围总成、顶盖总成、前/后车门、机罩、行李箱（尾门）、前翼子板外板等组成；下车体由前端总成、后端总成两大块组成。首先将冲压件和标准件（主要有螺母、螺柱）连接成焊合件，再将焊合件装配连接成分总成，分总成进行合拼焊接成车身总成，最后通过调整线，装配四门两盖后，形成白车身总成。根据白车身最多可划分为8级，一般能够达到200个以上的装配和焊接工序，由于投资有限，大多数的汽车企业只将主焊装线规划成柔性焊装线。

图2白车身工艺制造流程

1.2、柔性焊接生产线规划的理论基础

简单来讲，在机械加工中，用来固定工件，使机床、刀具、工件相互间保持正确位置的工艺装备。柔性夹具是由一套预先制造好的，有各种不同形状，不同规格尺寸的标准元件和组合件所组成的夹具，这些元件相互配合部分尺寸精度高、表面硬度高、耐磨性好、单个元件功能多样、互换性好。根据被加工工件的工艺要求，可以很快地组装出用于机械加工、电加工、检验等各种各样的夹具，而这些元件可方便地拆开，并重复使用。柔性夹具作为工艺装备的一部分，在公司的生产过程中同样起着重要的作用。柔性夹具组装迅速，方便灵活，通用性强。柔性夹具具有通用性和专用性双重性质，即组成夹具的元件是通用性的，而一旦组成成套夹具即为专用夹具。由于该类型环形管类零件由很多个零件组成，如果按照专用夹具的使用及设计方法，夹具设计及制造周期长，零组件不能通用，在产品研制或单件生产时夹具浪费严重，当零件更改或紧急生产时夹具供应不及时，不能满足生产进度要求。为了解决这个困扰公司生产的问题，我们想将柔性夹具概念引入其中，利用柔性夹具的优势，及多年以来推广应用柔性夹具在公司其他单位零件生产应用的成果加以借鉴，研究设计适合环形管类零件定位焊接使用的柔性夹具，降低成本，提高效率，满足公司生产要求。

2、多车型柔性焊装线的规划与应用分析

2.1、柔性焊装线规划需考虑的因素

要依据实际情况来规划一条具备高质量的柔性焊装线，要从诸多方面来进行综合分析，其中主要涵盖效率、质量、成本、环保、安全、场地空间、物流、厂房结构、输送方式、自动化程度、产品、节拍以及重要工位构造形式等等。其主要因素主要表现在柔性线需要共线生产车型种类与生产方式。

2.2、柔性单元输送设计

柔性单元输送可大大的减少设备运行时间，从而减少磨损，提高设备的使用寿命，降低能耗。本部分的主要研究内容是开发各种不同于连续输送和积放式输送方式的柔性单元输送设备。其中包括以下内容。（1）单元辊道采用自主开发的铝合金机架，不锈钢辊子，自润滑性能良好的PE1000链条导条，带有自补偿张紧的驱动装置。（2）双层回转辊床上层用于输送带有工件的托盘，下层用于空托盘返回。（3）90°锥辊弯道实现连续输送过程中的90度转向输送。（4）翻转辊床用于与物流车对接；以及安装工位配合机械手需要的垂直翻转设备。（5）备胎翻转机在备胎安装工位前，按照备胎安装的需要，备胎翻转180度。满足输送及安装的需要。（6）移行机在物流的水平分支处，按照总体布置的需要，布置多种形式的移行机、伺服动力移行车。（7）联动停止器运用多种擒纵方式，将不同形状的连续物料分解成单体输送。

2.3、产品工艺性分析

根据前期制造策略输入可确定需要共线生产的A、B、C三种车型，以及预留的未来D车型，焊装生产线的最初规划决定了它的柔性制造能力，因此规划初期就需要对产品结构进行工艺性分析，分析产品的分块模式、结构型式、零件上件流程等，评估几种产品共线生产的可行性及实现共线生产的难易程度，据此选择最合适、最经济的柔性焊接装线方案。一是整个电控系统通过三层网络，建立网络数据管理中心，实现了生产过程管理、质量管理、设备管理等的统一化。提高了生产调度管理的灵活性，信息处理的及时性，对汽车装配过程进行实时监测，实现数据实时采集、各设备生产状况实时显示，实时诊断出故障发生的部位和原因，引导维修人员迅速排除故障，系统智能化程度高。二是系统中在设备层成功集成条码、二维码、视觉识别、光电、激光测距、WCS定位、射频识别系统（RFID）、接近、安全、无接触取功、伺服精确定位等多种技术。配合执行器件的动作，保证系统高精度定位的实现，自动识别功能的实现，高节拍的实现，线上产品追踪定位功能的实现，提高了系统的智能化程度和安全级别。

2.4、柔性焊装线的线体设计及布置

目前，在汽车制造中，模块化程序控制夹具、可调整夹具和组合夹具具应用较多。焊装夹具是整个焊装生产线的核心。据初步统计，仅设计制造夹具所占的费用是整个汽车制造成本的10%～20%。焊装夹具的柔性化程度对汽车生产线柔性有着直接影响，这使得改善夹具柔性化具有必要的意义。美国Y.Koren教授首次提出的可重构制造系统（RMS），利用孔系定位和组合式模块设计夹具可以提高夹具柔性；由于伺服控制技术和在线检测技术逐步成熟，在焊装生产过程中开始大量应用可编程柔性变位机和多轴操作机械手，通用汽车公司为使焊装线能够快速适应多种车型，采用了工业机械手和组合模块搭建车身焊装生产线；日本丰田公司综合运用现场总线技术、传感控制技术以及逻辑控制技术，设计了高精度的柔性焊装线，使得投资降低50%，年产量增长46%，极大程度改善了汽车生产制造的质量和效率。德国大众汽车在设计出3条平行混流的柔性焊装线，其利用多工位柔性焊装夹具配合多机器人点焊作业，极大程度提高了生产率，达到日产量2400辆。2016年同济大学的汤达、刘海江等人设计与研究了柔性化车顶激光钎焊夹具，解决了工位节拍不高、工位柔性度差的问题，简化了现有胎膜的夹具系统，为多车型混线生产奠定了基础。

3、柔性焊装线的调试

柔性焊装线从联线空运行开始一直达到首个车型交付使用条件，通常都会要经过8～10个月的调试周期，在该环节之中，主要是经过实车的焊接来进行调试，分别从人、机、料、法、环、测等几个方面，来针对其中所发生的各项问题来进行分析并解决，直至可以和使用标准一致。焊装线的调试，是一项系统性、较为繁杂的工程，通常依据产品培育的环节来细化焊装线的调试，其主要可以分成工程调试与生产调试两个环节。在这之中，工程调试ET（Engineeringtrial），主要就是初次依照具体工序来这对车辆实施组装，是其中尤为关键的一个调试步骤，一般会进行两轮，要将重点放在工装精度、适用性，生产线的通过性以及工艺的科学合理性来进行一一验证。该环节还得要这对人、机、料、法、环的各个要素来实施调试并逐步的将其确认出来，值得注意的就是，还得要注重工位布置、焊接设备以及夹具的科学性。

PT（Productiontrial）生产调试是为确认生产现场正式投产前的准备工作，主要确定工艺技术文件，生产组织模式，柔性共线模式，夹具，设备，工具，工位器具，物流计划，人员配置和培训，零部件供应商的生产能力和质量控制，工厂的质量控制能够满足大批量生产的要求。这个阶段是对人，机器，材料，方法，环系统元素进行验证调试的资格，这一阶段关注生产线之间的工作站，线路之间的线路，人与工艺设备之间的整体生产线不平衡。

本文主要介绍了柔性焊接生产线的规划设计，与传统自行车焊接生产线的比较，柔性焊接生产方式的机体设计反馈和工艺管理模型四个方面，分别是：①柔性焊接线的规划设计柔性焊接线的规划设计应按照计划，分阶段实施的原则，因为柔性焊接线承重多种型号，不同型号的产品开发周期不同，所以规划和设计计划。②关键柔性技术：灵活的总体，输送，灵活的定位支持，夹具开关类型的整体侧面，上部夹具返回转换，机器人类型，伴随夹具技术。③输送技术：小车（撬装）滚床输送技术，机器人输送技术，链条和产品输送技术，地面往复传动技术④关键站数字模拟：用于总工作站，涉及车辆开关的开关夹具需要数字模拟。特别是工作总位置，夹具位置复杂，焊接设备数量多，操作次数多。数字仿真可以提前合理的人员划分，适当的设备安装位置，站点可事先验证，避免硬件安装后不可逆转。⑥机器人焊接部位的选择顺序：手动操作设备不能或难以焊接焊点，在手动操作中，焊点处于高工作危险点的现场，重要部位的表面（如安装门挡密封条，体貌型焊点（如三角窗位置，天窗点焊点等）的焊点和如果存在弧形曲面的稳定性差的点，手动操作是容易扭曲。

4、柔性焊装线在汽车制造业中的应用

目前，在汽车制造中，模块化程序控制夹具、可调整夹具和组合夹具具应用较多。焊装夹具是整个焊装生产线的核心。据初步统计，仅设计制造夹具所占的费用是整个汽车制造成本的10%～20%。焊装夹具的柔性化程度对汽车生产线柔性有着直接影响，这使得改善夹具柔性化具有必要的意义。美国Y.Koren教授首次提出的可重构制造系统（RMS），利用孔系定位和组合式模块设计夹具可以提高夹具柔性；由于伺服控制技术和在线检测技术逐步成熟，在焊装生产过程中开始大量应用可编程柔性变位机和多轴操作机械手，通用汽车公司为使焊装线能够快速适应多种车型，采用了工业机械手和组合模块搭建车身焊装生产线；日本丰田公司综合运用现场总线技术、传感控制技术以及逻辑控制技术，设计了高精度的柔性焊装线，使得投资降低50%，年产量增长46%，极大程度改善了汽车生产制造的质量和效率。德国大众汽车在设计出3条平行混流的柔性焊装线，其利用多工位柔性焊装夹具配合多机器人点焊作业，极大程度提高了生产率，达到日产量2400辆。2016年同济大学的汤达、刘海江等人设计与研究了柔性化车顶激光钎焊夹具，解决了工位节拍不高、工位柔性度差的问题，简化了现有胎膜的夹具系统，为多车型混线生产奠定了基础。

总之，汽车制造企业柔性自动化装配系统在国内汽车制造行业中处于技术领先水平，完全替代进口。该系统是为满足汽车生产多品种、小批量、智能化、柔性化、高节拍、高产能、免维护的市场需求而研发的。系统主要由网络数据管理中心、电气控制系统、机器人、机械手及多种类机械传输系统组成一套完整的、专用的柔性装配控制系统。大量的“光、机、电”一体化技术已应用于装配系统，使整套系统具有“自动感知、自我诊断、自我决策”的功能。因此，本文的研究也就显得十分的有意义。

参考文献

[1]谢宁,覃鑫.多品种柔性焊装线工艺规划研究[J].装备制造技术,2016(07):128-130.

[2]何道聪.柔性焊装线的规划及应用[J].装备制造技术,2016(05):236-240.

[3]曹彦玲.汽车多车型柔性焊装线研究[D].湖南大学,2015.

[4]李占营,年雪山,魏迎旺.论轿车车身柔性焊装线的规划及应用[J].汽车工艺与材料,2010(09):17-20.

[5]王长润.机器人柔性焊装线整线控制技术研究[D].合肥工业大学,2009.