夾具切換工藝設(shè)計分析范文

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摘要：介紹一種柔性化夾具切換工藝，其采用五位兩庫布局，將夾具、機(jī)器人、滑臺、轉(zhuǎn)臺構(gòu)建成一個工作站，實(shí)現(xiàn)兩車型四套夾具自動切換，具有節(jié)拍高、布局緊湊、投資少的特點(diǎn)。以CD側(cè)圍線SB005L/R工位為例,闡述其應(yīng)用背景、工藝原理、設(shè)計要點(diǎn)和實(shí)用效果。

關(guān)鍵詞：柔性化；焊裝；夾具；切換

引言

隨著科技和社會進(jìn)步，人們對焊裝線要求越來越高，既要柔性化生產(chǎn)，又要生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、作業(yè)環(huán)境好，還要投資成本低。但具體項(xiàng)目中總有一些產(chǎn)品和環(huán)境條件阻礙我們達(dá)成上述目標(biāo)，需要我們創(chuàng)新設(shè)計。本文介紹作者在D焊裝線融合C平臺改造項(xiàng)目（簡稱CD線）中為解決C平臺在D側(cè)圍線共線生產(chǎn)而提出的一種五位兩庫四夾具柔性化新工藝，供廣大焊接技術(shù)人員參考。

1應(yīng)用背景

1.1環(huán)境條件

1）原D側(cè)圍線情況。見圖1（右上框內(nèi)），由4個工位組成，左右并列布置，共用中間的焊接和搬運(yùn)機(jī)器人。其中SB010L/R、SB020L/R為上件/點(diǎn)定工位，SB030L/R、SB040L/R為補(bǔ)焊和輪罩滾邊工位。其特點(diǎn)為：a.布局緊湊，單工位占地（含線邊料框）8m×20m，兩側(cè)距離墻和主線只有一個通道寬度4m，頂部二層平臺凈高5.7m；b.設(shè)計節(jié)拍102s/臺，因左右共用機(jī)器人，可供單側(cè)焊接≤51s/臺；因環(huán)境空間限制機(jī)器人軌跡，編程優(yōu)化后取/放件30s/臺，留給人工上件+夾緊/打開21s/臺。2）CD線規(guī)劃側(cè)圍線西面（圖1中左上部分）為側(cè)圍分件焊接區(qū)，側(cè)圍線向西擴(kuò)建須限定在24m區(qū)間內(nèi)。

1.2產(chǎn)品條件

1）C、D平臺側(cè)圍的焊接流程和焊點(diǎn)差異化。圖2左，D平臺是2012年開發(fā)的產(chǎn)品，經(jīng)過SE工程梳理，工藝性優(yōu)越，側(cè)圍線上件6件，焊點(diǎn)總數(shù)125點(diǎn)，D焊裝線以D平臺為基準(zhǔn)平臺開發(fā)建設(shè)。圖2右，C平臺（含A、B長短兩種車型）是20世紀(jì)90年代老產(chǎn)品，原在C線生產(chǎn)，為充分發(fā)揮D線產(chǎn)能，搬遷合并到D線生產(chǎn)。C車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂蓋與側(cè)圍通過中間件———流水槽連接，側(cè)圍總成由16個分件構(gòu)成，焊點(diǎn)總數(shù)277點(diǎn)。將C、D側(cè)圍工藝路線進(jìn)行對照分析，以盡量少改造為原則，充分利用SB020、SB030、SB040裝備潛力后，可以發(fā)現(xiàn)矛盾集中在SB010外板總成工位。C平臺要在此工位上15件、焊125點(diǎn)。顯然，不進(jìn)行改造提升是不可能完成的。2）C平臺側(cè)圍外板小件模塊化上件的效果有限。為減少側(cè)圍外板在側(cè)圍線的上件數(shù)量，對小件先組焊成模塊再上件，但小件太多且分散，模塊化后上件數(shù)量仍多達(dá)11個，如圖3所示。3）工位數(shù)、定員限制不宜增加太多工位。在24m有限區(qū)間內(nèi)，可新增工位數(shù)最多1~2個，為節(jié)約定員，確定只新增一序SB005L/R工位，用于C平臺側(cè)圍外板總成上件及絕大部分焊點(diǎn)焊接，裝件數(shù)量9（R）~11（L）個，焊點(diǎn)數(shù)為101~102點(diǎn)，余下24點(diǎn)在SB010工位焊。

2工藝原理

2.1工序平面布置

如圖4所示，新增工序采用五位二庫布局，將夾具、機(jī)器人、滑臺、轉(zhuǎn)臺構(gòu)建成一個工作站，實(shí)現(xiàn)C平臺A、B兩車型四套夾具自動切換。采用雙夾具，有利于提高節(jié)拍內(nèi)的凈焊接時間；4臺焊接機(jī)器人+1臺搬運(yùn)機(jī)器人立體布置，有利于完成100多個焊點(diǎn)；上件位3面作業(yè)，有利于多人同時作業(yè)提高裝件速度；左右工序并排布置，實(shí)際占地21m×20m，符合場地規(guī)劃要求。

2.2工裝設(shè)備構(gòu)成

如圖5所示，用一套轉(zhuǎn)臺1構(gòu)建一個焊接位Ⅰ和一個焊接等待位Ⅱ，這個焊接等待位也是取件位；用兩套直線行走的滑臺2構(gòu)建兩個備用夾具存儲庫位Ⅲ和Ⅳ，存儲庫位Ⅲ與焊接位Ⅰ通過滑軌對接連通，存儲庫位Ⅳ與焊接等待位Ⅱ也是同樣的原理連通；再用一套直線行走的滑臺3構(gòu)建一個上件位Ⅴ，上件位Ⅴ與焊接等待位Ⅱ也是通過滑軌對接連通。每個車型分別采用兩套相同的夾具，如A車型的夾具A1（Ⅰ）和A2（Ⅱ或Ⅴ），B車型的夾具B1Ⅲ和B2Ⅳ；焊接機(jī)器人4、6布置在焊接位2的周邊，焊接機(jī)器人5布置在焊接位Ⅰ上方的鋼平臺上，從上方下探焊接；取件機(jī)器人8布置在取件位Ⅱ上方的鋼平臺上，從上方下探取件，送給下一序焊接。鋼平臺起到立體布置機(jī)器人的作用。

2.3工作原理

1）正常生產(chǎn)時工作步序。步序一、備用車型夾具（圖例中為B車型的夾具Ⅲ和Ⅳ）存儲在夾具庫里；生產(chǎn)車型夾具一套（圖例中為A車型的夾具Ⅰ）在焊接位焊接，同時一套（圖例中為A車型的夾具Ⅴ）在上件位裝件；步序二、夾具裝好件后通過滑臺3輸送到焊接等待位Ⅱ；步序三、焊接完成后轉(zhuǎn)臺1旋轉(zhuǎn)180°，焊接等待位的夾具Ⅴ轉(zhuǎn)到焊接位進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接位的夾具Ⅰ轉(zhuǎn)到焊接等待位（取件位）進(jìn)行取件作業(yè)；步序四：機(jī)器人8取走工件后經(jīng)過機(jī)器人七軸9將工件送給下一序焊接，夾具Ⅰ通過滑臺3輸送回人工上件位進(jìn)行裝件作業(yè)。如此反復(fù)循環(huán)，可以不間斷地生產(chǎn)。2）切換車型生產(chǎn)時工作步序。四套夾具按照編程分12步在5個夾具位之間騰挪，原先在庫里的B車型夾具可以切換到原先A車型夾具所在的位置，A車型夾具可以切換到夾具庫里，形成B車型生產(chǎn)的狀態(tài)。夾具騰挪的12步動作分解，如圖6所示。車型切換時間≤180s/次。換型時機(jī)：A車型夾具2（也可以是8，為方便描述此處假定為2）最后1件工件在焊接，機(jī)器人取走倒數(shù)第2件，夾具8回到上件位等待上件。此時生產(chǎn)MAS管理系統(tǒng)告知下一件是B車型。工作步序?yàn)椋翰叫蛞弧A具8停止裝A車型零件，等待換型。夾具庫里的B車型夾具5滑到取件位，空出夾具庫。步序二、轉(zhuǎn)臺1旋轉(zhuǎn)180°，取件位的夾具5轉(zhuǎn)到焊接位，焊接位的夾具2轉(zhuǎn)到取件位。步序三、取件位的夾具2滑到夾具庫，空出取件位。步序四、上件位的夾具8滑到取件位，空出上件位。步序五、轉(zhuǎn)臺1旋轉(zhuǎn)180°，取件位的夾具8轉(zhuǎn)到焊接位，焊接位的夾具5轉(zhuǎn)到取件位。步序六、取件位的夾具5滑到上件位，空出取件位。此時，夾具5可以開始裝B車型零件。步序七、轉(zhuǎn)臺1旋轉(zhuǎn)180°，取件位（空）轉(zhuǎn)到焊接位，焊接位的夾具8轉(zhuǎn)到取件位。步序八、夾具庫里的夾具3滑到焊接位，空出夾具庫。步序九、轉(zhuǎn)臺1旋轉(zhuǎn)180°，取件位的夾具8轉(zhuǎn)到焊接位，焊接位的夾具3轉(zhuǎn)到取件位。步序十、焊接位的夾具8滑到夾具庫，空出焊接位。步序十一、轉(zhuǎn)臺1旋轉(zhuǎn)180°，取件位的夾具3轉(zhuǎn)到焊接位，焊接位（空）轉(zhuǎn)到取件位。步序十二、上件位的夾具5裝好件，滑到取件位，空出上件位。步序十三、轉(zhuǎn)臺1旋轉(zhuǎn)180°，取件位的夾具5轉(zhuǎn)到焊接位，開始焊接作業(yè)；焊接位的夾具3轉(zhuǎn)到取件位，識別無件后滑到上件位開始裝件作業(yè)。換型完成。可見，五位二庫四套切換工藝在原理上是可行的。

3設(shè)計要點(diǎn)

3.1總布置

總布置協(xié)調(diào)人、機(jī)、料、環(huán)之間的空間位置關(guān)系，重點(diǎn)在于識別并確保設(shè)備運(yùn)行安全、人工作業(yè)/維修人機(jī)工程、物流效率的最低空間需求，同時要布局緊湊，提高場地利用效率。運(yùn)用DELMIA進(jìn)行焊裝線三維總布置設(shè)計，運(yùn)用RBOCAD進(jìn)行機(jī)器人模擬，在3D環(huán)境下可清晰點(diǎn)檢和修正以下內(nèi)容：1）按附表1設(shè)備清單檢查總平圖有無重大設(shè)備疏漏，避免施工時還有設(shè)備無處安放；2）檢查轉(zhuǎn)臺（帶夾具）轉(zhuǎn)動、滑臺（帶夾具）滑動、夾具打開、機(jī)器人焊接/搬運(yùn)相互之間有無干涉，是否留出安全距離；3）檢查人工裝/取件、修護(hù)維修作業(yè)有無違背人機(jī)工程的憋屈、彎腰、手不可及。4）檢查物流方向和擺放位置、數(shù)量是否滿足最短路徑、最少交叉、最小儲存原則等等，如圖7所示。

3.2焊點(diǎn)工藝

3.2.1焊點(diǎn)可打性焊點(diǎn)可打是工藝可行的前提，重點(diǎn)在于為每個焊點(diǎn)選擇合適的焊鉗型號，既要保證良好焊接又要控制焊鉗數(shù)量，減少焊鉗、機(jī)器人、換槍盤投入。運(yùn)用RBOCAD進(jìn)行焊鉗選型、焊接模擬，見圖8，校核以下內(nèi)容：1）檢查焊鉗電極是否垂直鈑件,如有傾斜，要求斜角不大于5°；2）檢查焊鉗是否有進(jìn)出夾具、接近焊點(diǎn)的路徑,要求焊鉗在白車身內(nèi)移動時電極帽距離鈑件不小于5mm，焊鉗進(jìn)出白車身時焊鉗距離鈑件不小于15mm。3）焊鉗焊合和小開、大開與鈑件有無干涉，要求焊鉗離鈑件最小間隙不小于5mm。

3.2.2焊點(diǎn)分配將焊點(diǎn)按焊鉗歸類并平衡節(jié)拍，分配給各臺機(jī)器人。要點(diǎn)在于平衡機(jī)器人的工作量，要求機(jī)器人負(fù)荷度在80%~100%之間，平均負(fù)荷度不小于90%。輸出如圖9所示的3D焊點(diǎn)球、機(jī)器人站位與焊點(diǎn)分配圖、機(jī)器人負(fù)荷度等文件，規(guī)定每個機(jī)器人/工位/工藝段要打的焊點(diǎn)，方便后續(xù)工程作業(yè)表編制、機(jī)器人焊接示教、焊點(diǎn)鑿檢檢查等工作，避免焊點(diǎn)遺漏。

3.2.3打點(diǎn)順序規(guī)定機(jī)器人焊點(diǎn)的焊接先后順序和路徑，減少機(jī)器人軌跡干涉等待，提高焊接效率。要點(diǎn)在于運(yùn)用ROBCAD離線編程模擬尋求最佳順序，要求各臺機(jī)器人均可在節(jié)拍內(nèi)打完焊點(diǎn)且負(fù)荷度不小于80%，平均負(fù)荷度不小于90%。輸出如圖10所示的打點(diǎn)順序圖，指導(dǎo)機(jī)器人焊接示教，提高示教效率。

3.3時序分析及節(jié)拍達(dá)成

時序分析是將工序內(nèi)容分解成若干可用標(biāo)準(zhǔn)時間（DST）表述的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)動作，再進(jìn)行作業(yè)編程優(yōu)化，協(xié)調(diào)操作者及機(jī)器的動作次序與邏輯，使所有工序內(nèi)容都能在節(jié)拍內(nèi)完成并循環(huán)工作。要點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)時間（DST）的準(zhǔn)確性和作業(yè)編程的科學(xué)性。輸出圖11所示的時序分析表，1/2頁顯示操作者及機(jī)器的動作分解、次序與邏輯，2/2頁顯示各操作者及機(jī)器的作業(yè)時間合成均達(dá)到102s/臺的目標(biāo)要求。

4實(shí)用效果

1）獲得高節(jié)拍（96s/臺），同時獲得合理的機(jī)器人抓件（15s/臺）、焊接（70s/臺）、人工裝件（50s/臺）的作業(yè)時間分配，機(jī)器人作業(yè)充實(shí)度高（88.5%~98.9%），人工作業(yè)舒適度好。2）實(shí)現(xiàn)少人化生產(chǎn)，定員6人/班，人工C線減少了20人/雙班。3）占地面積小，焊接效率高。一個工位102個焊點(diǎn)，平均25.4點(diǎn)/臺機(jī)器人，相當(dāng)于諸如四面體等其它工藝形式的2倍，而占地20m×20m。4）總投資（含夾具、機(jī)器人）800余萬元，回收期5.5a，投資低，效益好。

5結(jié)語

五位兩庫四夾具切換工藝較好地適應(yīng)了CD線場地?fù)頂D的環(huán)境條件，解決了C車型側(cè)圍焊點(diǎn)多、裝件多的工藝難題，這種優(yōu)勢工藝同樣適用于汽車車身前倉、車架以及副車架、后軸等由多零件構(gòu)成的大總成件的多品種、大批量、自動化焊接生產(chǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黃誠.車身焊裝線柔性化技術(shù)的應(yīng)用與思考[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018(11):327-328.

作者：黃誠 單位：東風(fēng)柳州汽車有限公司