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夹具切换工艺设计分析

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摘要:介绍一种柔性化夹具切换工艺,其采用五位两库布局,将夹具、机器人、滑台、转台构建成一个工作站,实现两车型四套夹具自动切换,具有节拍高、布局紧凑、投资少的特点。以CD侧围线SB005L/R工位为例,阐述其应用背景、工艺原理、设计要点和实用效果。

关键词:柔性化;焊装;夹具;切换

引言

随着科技和社会进步,人们对焊装线要求越来越高,既要柔性化生产,又要生产效率高、产品质量好、作业环境好,还要投资成本低。但具体项目中总有一些产品和环境条件阻碍我们达成上述目标,需要我们创新设计。本文介绍作者在D焊装线融合C平台改造项目(简称CD线)中为解决C平台在D侧围线共线生产而提出的一种五位两库四夹具柔性化新工艺,供广大焊接技术人员参考。

1应用背景

1.1环境条件

1)原D侧围线情况。见图1(右上框内),由4个工位组成,左右并列布置,共用中间的焊接和搬运机器人。其中SB010L/R、SB020L/R为上件/点定工位,SB030L/R、SB040L/R为补焊和轮罩滚边工位。其特点为:a.布局紧凑,单工位占地(含线边料框)8m×20m,两侧距离墙和主线只有一个通道宽度4m,顶部二层平台净高5.7m;b.设计节拍102s/台,因左右共用机器人,可供单侧焊接≤51s/台;因环境空间限制机器人轨迹,编程优化后取/放件30s/台,留给人工上件+夹紧/打开21s/台。2)CD线规划侧围线西面(图1中左上部分)为侧围分件焊接区,侧围线向西扩建须限定在24m区间内。

1.2产品条件

1)C、D平台侧围的焊接流程和焊点差异化。图2左,D平台是2012年开发的产品,经过SE工程梳理,工艺性优越,侧围线上件6件,焊点总数125点,D焊装线以D平台为基准平台开发建设。图2右,C平台(含A、B长短两种车型)是20世纪90年代老产品,原在C线生产,为充分发挥D线产能,搬迁合并到D线生产。C车身结构复杂,顶盖与侧围通过中间件———流水槽连接,侧围总成由16个分件构成,焊点总数277点。将C、D侧围工艺路线进行对照分析,以尽量少改造为原则,充分利用SB020、SB030、SB040装备潜力后,可以发现矛盾集中在SB010外板总成工位。C平台要在此工位上15件、焊125点。显然,不进行改造提升是不可能完成的。2)C平台侧围外板小件模块化上件的效果有限。为减少侧围外板在侧围线的上件数量,对小件先组焊成模块再上件,但小件太多且分散,模块化后上件数量仍多达11个,如图3所示。3)工位数、定员限制不宜增加太多工位。在24m有限区间内,可新增工位数最多1~2个,为节约定员,确定只新增一序SB005L/R工位,用于C平台侧围外板总成上件及绝大部分焊点焊接,装件数量9(R)~11(L)个,焊点数为101~102点,余下24点在SB010工位焊。

2工艺原理

2.1工序平面布置

如图4所示,新增工序采用五位二库布局,将夹具、机器人、滑台、转台构建成一个工作站,实现C平台A、B两车型四套夹具自动切换。采用双夹具,有利于提高节拍内的净焊接时间;4台焊接机器人+1台搬运机器人立体布置,有利于完成100多个焊点;上件位3面作业,有利于多人同时作业提高装件速度;左右工序并排布置,实际占地21m×20m,符合场地规划要求。

2.2工装设备构成

如图5所示,用一套转台1构建一个焊接位Ⅰ和一个焊接等待位Ⅱ,这个焊接等待位也是取件位;用两套直线行走的滑台2构建两个备用夹具存储库位Ⅲ和Ⅳ,存储库位Ⅲ与焊接位Ⅰ通过滑轨对接连通,存储库位Ⅳ与焊接等待位Ⅱ也是同样的原理连通;再用一套直线行走的滑台3构建一个上件位Ⅴ,上件位Ⅴ与焊接等待位Ⅱ也是通过滑轨对接连通。每个车型分别采用两套相同的夹具,如A车型的夹具A1(Ⅰ)和A2(Ⅱ或Ⅴ),B车型的夹具B1Ⅲ和B2Ⅳ;焊接机器人4、6布置在焊接位2的周边,焊接机器人5布置在焊接位Ⅰ上方的钢平台上,从上方下探焊接;取件机器人8布置在取件位Ⅱ上方的钢平台上,从上方下探取件,送给下一序焊接。钢平台起到立体布置机器人的作用。

2.3工作原理

1)正常生产时工作步序。步序一、备用车型夹具(图例中为B车型的夹具Ⅲ和Ⅳ)存储在夹具库里;生产车型夹具一套(图例中为A车型的夹具Ⅰ)在焊接位焊接,同时一套(图例中为A车型的夹具Ⅴ)在上件位装件;步序二、夹具装好件后通过滑台3输送到焊接等待位Ⅱ;步序三、焊接完成后转台1旋转180°,焊接等待位的夹具Ⅴ转到焊接位进行焊接作业,焊接位的夹具Ⅰ转到焊接等待位(取件位)进行取件作业;步序四:机器人8取走工件后经过机器人七轴9将工件送给下一序焊接,夹具Ⅰ通过滑台3输送回人工上件位进行装件作业。如此反复循环,可以不间断地生产。2)切换车型生产时工作步序。四套夹具按照编程分12步在5个夹具位之间腾挪,原先在库里的B车型夹具可以切换到原先A车型夹具所在的位置,A车型夹具可以切换到夹具库里,形成B车型生产的状态。夹具腾挪的12步动作分解,如图6所示。车型切换时间≤180s/次。换型时机:A车型夹具2(也可以是8,为方便描述此处假定为2)最后1件工件在焊接,机器人取走倒数第2件,夹具8回到上件位等待上件。此时生产MAS管理系统告知下一件是B车型。工作步序为:步序一、夹具8停止装A车型零件,等待换型。夹具库里的B车型夹具5滑到取件位,空出夹具库。步序二、转台1旋转180°,取件位的夹具5转到焊接位,焊接位的夹具2转到取件位。步序三、取件位的夹具2滑到夹具库,空出取件位。步序四、上件位的夹具8滑到取件位,空出上件位。步序五、转台1旋转180°,取件位的夹具8转到焊接位,焊接位的夹具5转到取件位。步序六、取件位的夹具5滑到上件位,空出取件位。此时,夹具5可以开始装B车型零件。步序七、转台1旋转180°,取件位(空)转到焊接位,焊接位的夹具8转到取件位。步序八、夹具库里的夹具3滑到焊接位,空出夹具库。步序九、转台1旋转180°,取件位的夹具8转到焊接位,焊接位的夹具3转到取件位。步序十、焊接位的夹具8滑到夹具库,空出焊接位。步序十一、转台1旋转180°,取件位的夹具3转到焊接位,焊接位(空)转到取件位。步序十二、上件位的夹具5装好件,滑到取件位,空出上件位。步序十三、转台1旋转180°,取件位的夹具5转到焊接位,开始焊接作业;焊接位的夹具3转到取件位,识别无件后滑到上件位开始装件作业。换型完成。可见,五位二库四套切换工艺在原理上是可行的。

3设计要点

3.1总布置

总布置协调人、机、料、环之间的空间位置关系,重点在于识别并确保设备运行安全、人工作业/维修人机工程、物流效率的最低空间需求,同时要布局紧凑,提高场地利用效率。运用DELMIA进行焊装线三维总布置设计,运用RBOCAD进行机器人模拟,在3D环境下可清晰点检和修正以下内容:1)按附表1设备清单检查总平图有无重大设备疏漏,避免施工时还有设备无处安放;2)检查转台(带夹具)转动、滑台(带夹具)滑动、夹具打开、机器人焊接/搬运相互之间有无干涉,是否留出安全距离;3)检查人工装/取件、修护维修作业有无违背人机工程的憋屈、弯腰、手不可及。4)检查物流方向和摆放位置、数量是否满足最短路径、最少交叉、最小储存原则等等,如图7所示。

3.2焊点工艺

3.2.1焊点可打性焊点可打是工艺可行的前提,重点在于为每个焊点选择合适的焊钳型号,既要保证良好焊接又要控制焊钳数量,减少焊钳、机器人、换枪盘投入。运用RBOCAD进行焊钳选型、焊接模拟,见图8,校核以下内容:1)检查焊钳电极是否垂直钣件,如有倾斜,要求斜角不大于5°;2)检查焊钳是否有进出夹具、接近焊点的路径,要求焊钳在白车身内移动时电极帽距离钣件不小于5mm,焊钳进出白车身时焊钳距离钣件不小于15mm。3)焊钳焊合和小开、大开与钣件有无干涉,要求焊钳离钣件最小间隙不小于5mm。

3.2.2焊点分配将焊点按焊钳归类并平衡节拍,分配给各台机器人。要点在于平衡机器人的工作量,要求机器人负荷度在80%~100%之间,平均负荷度不小于90%。输出如图9所示的3D焊点球、机器人站位与焊点分配图、机器人负荷度等文件,规定每个机器人/工位/工艺段要打的焊点,方便后续工程作业表编制、机器人焊接示教、焊点凿检检查等工作,避免焊点遗漏。

3.2.3打点顺序规定机器人焊点的焊接先后顺序和路径,减少机器人轨迹干涉等待,提高焊接效率。要点在于运用ROBCAD离线编程模拟寻求最佳顺序,要求各台机器人均可在节拍内打完焊点且负荷度不小于80%,平均负荷度不小于90%。输出如图10所示的打点顺序图,指导机器人焊接示教,提高示教效率。

3.3时序分析及节拍达成

时序分析是将工序内容分解成若干可用标准时间(DST)表述的标准作业动作,再进行作业编程优化,协调操作者及机器的动作次序与逻辑,使所有工序内容都能在节拍内完成并循环工作。要点在于标准时间(DST)的准确性和作业编程的科学性。输出图11所示的时序分析表,1/2页显示操作者及机器的动作分解、次序与逻辑,2/2页显示各操作者及机器的作业时间合成均达到102s/台的目标要求。

4实用效果

1)获得高节拍(96s/台),同时获得合理的机器人抓件(15s/台)、焊接(70s/台)、人工装件(50s/台)的作业时间分配,机器人作业充实度高(88.5%~98.9%),人工作业舒适度好。2)实现少人化生产,定员6人/班,人工C线减少了20人/双班。3)占地面积小,焊接效率高。一个工位102个焊点,平均25.4点/台机器人,相当于诸如四面体等其它工艺形式的2倍,而占地20m×20m。4)总投资(含夹具、机器人)800余万元,回收期5.5a,投资低,效益好。

5结语

五位两库四夹具切换工艺较好地适应了CD线场地拥挤的环境条件,解决了C车型侧围焊点多、装件多的工艺难题,这种优势工艺同样适用于汽车车身前仓、车架以及副车架、后轴等由多零件构成的大总成件的多品种、大批量、自动化焊接生产。

[参考文献]

[1]黄诚.车身焊装线柔性化技术的应用与思考[J].汽车实用技术,2018(11):327-328.

作者:黄诚 单位:东风柳州汽车有限公司

夹具切换工艺设计分析责任编辑:张雨    阅读:人次
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