夹具切换工艺设计分析范文

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