柳州柳新汽车冲压件有限公司 广西柳州 545006
摘要：某平台汽车白车身发动机舱焊接生产线由三条手工生产线组成，由于产品更新换代，线体已经无法满足新车型的生产任务。通过应用机器人工作站，引入夹具库系统、“一字”滑台、“十字”滑台等线体模块，经过产线布局分析、夹具切换系统分析、产品焊接工艺分析、线体生产节拍分析、仿真模拟等多种分析方法，设计出一条柔性化焊接生产线，能够实现多车型发动机舱焊接总成共线生产。
关键词：汽车；发动机舱；机器人；夹具库系统；柔性化
引 言
近年来，随着汽车在国民生活中的普及率越来越高，汽车在人们的生活中也扮演着越来越重要的角色。由于机器人具有安全性高、便于监管、重复性较好等优点，焊接机器人的应用能有效提高汽车焊接工艺的柔性，实现汽车生产的进步[1]。
汽车智能柔性自动化焊接生产线中运用的技术，主要包含多车型柔性切换生产线、数字化工艺规划系统、总线技术可编程控制系统、在线产品质量检查系统、数字智能装配系统、闭环伺服传感系统、数据库管理系统等[2]。
本文以某平台白车身发动机舱焊接生产线改造方案设计为例，从线体结构、夹具切换系统结构、生产工艺及生产节拍、仿真模拟等方面进行分析，提出一种基于机器人工作站的柔性化生产线方案。
1 生产线主体结构分析
对生产线整体结构进行布局分析是生产线设计初始的工作之一，也是较为重要的设计环节。生产线结构布局的好坏直接影响整个生产线的运行效率。良好的生产线结构布局方案能够合理利用厂房空间，尽可能缩小生产线的占地面积，提高厂房的空间利用率。
某平台白车身发动机舱焊接生产线主体结构布局方案如图1所示。生产流程及生产线结构由下至上分别是：人工上件工位1→焊接工位1（机器人点焊作业）→机器人转运→人工上件工位2→焊接工位2（机器人点焊作业）→机器人转运→下工序生产线。
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图1 结构布局简图
方案应用了两个机器人焊接工作站、两个机器人转运工作站、两个夹具库切换系统、两套滑台转运系统等线体模块。
在方案的下半部分，线体生产自人工上件工位1开始，由工人将零件组装到第一序焊接夹具，通过第一套滑台转运系统将零件连同夹具一起运送到焊接工位1。焊接工位1是由两台焊接机器人组成的焊接工作站，负责对夹具上组装的零件进行点定焊接，然后通过第一个机器人转运工作站将零件运送到人工上件工位2。
方案的上半部分与下半部分相似，经过工人装配零件、机器人焊接、机器人转运后，完成产品的焊接生产任务。当需要切换车型进行生产时，通过布局方案左侧的两套夹具库切换系统对车型焊接夹具进行切换，从而达到错车型共线生产的目的。
生产线结构布局应具备一定的可扩展性，当新车型导入或产品设变时，便于对生产线体进行改造，从而融合更多的车型进行共线生产。在本方案中，左侧的两个夹具库切换系统可以向外侧增加更多的夹具存放库位，以满足新车型导入或设变的需求。
2 夹具切换系统结构分析
为了实现多车型共线生产，在方案设计上要结合各车型零件结构的差异、定位系统的差异设计共用夹具，或者对不同车型的夹具设计切换系统。
某平台白车身发动机舱焊接生产线运用夹具库切换系统实现不同车型共线生产，夹具库系统结构如图2所示。上下半部分为两套独立的夹具库切换系统，左侧为夹具存放库位，右侧为焊接生产区域。
当正在生产的车型1完成生产任务，需要切换车型2进行生产时，处在焊接工位1的夹具1-1首先在伺服电机的拖动下，沿着滑台转运系统“一字”滑台从右至左移动到夹具1-1库位。到位之后，滑台转运系统 “十字”滑台进行轨道切换；夹具1-2在电机的拖动下沿着轨道从库位移动到库区中央位置。“十字”滑台再次进行轨道切换，夹具1-2沿着“一字”滑台从左至右移动到焊接工位1即可完成夹具切换。生产线下半部分进入车型2 的生产工作状态后，生产线的上半部分随后进行夹具切换，切换流程与下半部分相似。
在本方案中，由于两个焊接工位所焊接的零件不同，零件定位方式及焊接窗口也不同，需要采用两套独立的夹具库切换系统。当生产计划变更，需要切换车型生产时，夹具库切换系统可在短时间内自动完成夹具切换。每套夹具库系统可存放三套不同车型的夹具，并可通过改造向外扩展，以此增加夹具存放库位和车型焊接夹具数量。系统内的夹具库位之间通过“十字”滑台进行连接，库区与焊接区之间、焊接工位与上件工位之间通过“一字”滑台进行连接。
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图2 建付精度尺寸功能图
3 工艺内容及节拍分析
为了实现多车型共线生产，在方案设计上还需要对各个车型的具体工艺内容进行分析，了解各车型工艺内容的异同点，从而更加合理地进行方案规划，满足生产节拍要求。
某平台白车身发动机舱焊接生产线三种量产车型的焊接工艺主要内容如表1所示。在第一道焊接工序，三种车型中焊点数量最多的为车型3，数量达到48个；三种车型的零件装配个数都为2个。在第二道焊接工序，三种车型中焊点数量最多的为车型2和车型3，数量达到35个；三种车型的零件装配个数都为2个。
表1 工艺内容差异表
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在本方案中，根据三种车型的工艺内容的异同点，结合生产线焊接流程，列出焊接工位1和焊接工位2两个焊接工序的循环动作时间分析表，如表2所示。
由于焊接工位2相比焊接工位1零件的复杂程度更高，焊接难度更大，单个焊点的焊接时间更长，将该工序整体作业时间进行综合计算后，得出以下结论：
1、焊接工位1在配置2台焊接机器人的情况下，最多可以焊接52个焊点，大于三种车型中焊点数量最多的车型的焊点数量，能够同时满足三种车型的焊点焊接需求，且有富余时间。
2、焊接工位2在配置2台焊接机器人的情况下，最多可以焊接36个焊点，大于三种车型中焊点数量最多的车型的焊点数量，能够同时满足三种车型的焊点焊接需求，基本没有有富余时间
表2 工位循环动作节拍表
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4 模拟仿真分析
模拟仿真技术用于检查设计方案的正确性，包括对生产线运行的动态模拟、碰撞检测等。国外对工业机器人三维模拟仿真技术的研究起步较早[3，4]，虽然我国的机器人三维模拟仿真技术研究起步都比较晚，但近年来随着汽车工业的技术发展，在理论研究和实践技术方面都取得了一定的成果[5]。随着机器人技术的发展，以CAD和图形仿真技术为基础的机器人离线编程技术[5]在生产线设计中应用越来越广泛。
本方案中，通过模拟仿真，对线体各组成部件的设计结构和设计尺寸进行检查，提前识别出设计方案的问题点，将检查发现的问题在设计方案中进行优化和修改，尽可能减少施工改造期间出现问题。反复经过几轮检查和优化，总共发现问题点20项；逐项排查和验证后，通过方案更改完成问题点关闭18项，通过产品设变完成问题点关闭2项，形成最终设计方案（如图3）。
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图3 线体仿真最终方案3D示意图
5 结语
随着汽车行业的竞争逐渐激烈，消费者对产品定制化需求的不断逐渐增强，各汽车主机厂产品更新换代的速度越来越快，对生产线柔性化的需求也越来越大。基于机器人工作站，采用夹具库切换系统，并辅以滑移转运系统的柔性化生产结构形式，可以实现多车型产品共线生产，并具备一定的可扩展性，对汽车行业白车身焊装生产线设计思路提供经验参考。
参考文献：
[1]赵渊博.焊接机器人在焊接生产线中的应用意义与在汽车车身焊接生产线中的应用.科技展望.2016/32.134~135
[2]赵晓利，邢晓燕，钱红丽，梁 艳，贾信朝，冉令坤，杨松. 智能柔性自动化焊接生产线.2020中国汽车工程学会年会论文 集.2658~2659
[3]MADSENO，SORENSENCB.Asystemforcomplexroboticwelding[J].IndustryRobot，2002，29（2）：127-131.
[4]OLSSONT，ROBERTSSONA，JOHANSSONR.Flexibleforcecontrolforaccuratelow-costrobotdrilling[C]//ProcofIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.2007：4770-4775
[5]张瑞海，王淑营.基于机器人三维模拟仿真的焊接生产线柔性主拼技术研究.计算机应用研究.2014/31.435~436
作者简介：毛小辉，1992年出生，学士，柳州柳新汽车冲压件有限公司焊接工艺员。主要从事焊装线体焊接工艺维护和工艺问题整改、线体项目改造等。