废旧小型汽车柔性拆解技术研究

戴国洪，周自强

（1.常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500；2.苏州市汽车绿色拆解回收利用智能装备技术重点实验室，江苏常熟 215500）

废旧小型汽车柔性拆解技术研究

戴国洪1，2，周自强1，2

（1.常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500；2.苏州市汽车绿色拆解回收利用智能装备技术重点实验室，江苏常熟 215500）

设计了废旧小型汽车的柔性拆解方案和车身柔性拆卸站，阐述了结合其他工作站和输送线建立柔性化小型汽车拆解生产线的基本方案以及利用该设备的报废汽车回收过程.使用这种方法处理报废汽车，在提高效率的同时还可使其能耗大幅降低.

报废汽车；回收；柔性拆解；工业机器人

随着中国汽车工业的发展，民用汽车数量自2000年以来迅速增长，中国已成为世界第三大汽车制造国[1].根据国家交通运输部报告，到目前我国汽车总量已超过九千万.据统计，每年会有六百万辆汽车达到使用寿命，如何处理报废汽车是一项意义重大而又必须解决的事项[2].为了应对报废汽车日益增长所带来的挑战，从2001年起政府部门开始颁布了一些法律和法规，但报废汽车回收利用的行业技术和设备的发展仍然受到限制.发达国家开发报废汽车的回收利用技术已有很多年，但是他们的模式与我国相差甚远[3-8].虽然国内报废汽车回收工作进行了很多年，但大多数都是通过人工利用简单的工具进行拆卸，而且回收过程也不尽合理.例如，对汽车中的废液没有进行收集和循环利用，结果是回收报废汽车所引起的污染又成了一个问题.由于受到较高的人力成本限制，发达国家多采用粉碎、分选技术.而我们应该注意到，这些粉碎分选设备往往是非常耗能的，并且这些设备的体积巨大，会占用较多的空间.与之相反，我国的人力成本较低，所以粉碎前我们可以较多地采用人工拆卸方式，提高汽车的内部材料和部件的再利用率，另一方面，大多数的汽车回收企业一般难以承受高价位的大型设备，因此研究开发一些具有广泛适应性的柔性化报废汽车拆解技术具有十分重要的意义.

1 废旧小型汽车车身的结构分析

图1 小型汽车车身结构中的强度分布

为了确保车辆的安全，小型汽车车体的结构由变形部分和形状保持部分组成.形状保持部分应具有足够的强度且不容易变形，以保护车内乘客的安全.图1中粗实线表示的区域是形状保持区.在车辆的前部和后部的易变形区用于发生交通事故时吸收碰撞能量.

车体是由支撑结构、上部结构和下部结构组成的.如图2所示，垂直方向的支撑结构主要包括一些立柱和结构件，用来支持车体的侧部，并在上下部件之间形成一个安全空间.需要说明的是，用来制造垂直结构所用的材料都是高强度钢.因此，如果将所有垂直结构的立柱切断后再进行后续的拆卸，就能大大降低后续打包和破碎过程中的能耗.此外，在开放式的车身空间中拆卸座椅等内部零件十分容易，也能大大提高劳动效率.如果进一步将车身上的非金属材料如塑料、玻璃完全清除掉，甚至可以取消破碎和分选的工作.而且由于较大尺寸的废钢可以直接用于熔炼，因此在最后的破碎环节中，车体无需再粉碎成小块.

图2 车身结构的主要布局形式

图3 报废小型汽车的拆解回收流程

图4 柔性拆解单元的基本结构

2 废旧小型汽车柔性拆解方案

由于传统的离散式拆解方法既耗时且不容易进行有序的管理，而生产线方式能够在保证一定的生产效率的情况下降低工人的技术复杂度，因此是一种很有前景的拆解流程布局形式.图3说明了基于生产线的报废汽车拆解过程，其中包括预处理，预拆卸，拆解车身，分离车身与悬挂系统，处理汽车内饰件、车体压缩，然后将车体打包送到钢铁厂进行剪碎、废钢冶炼.预处理包括抽取车内残液（残余汽油，机油，冷却液等），取下电池和车轮.然后将报废汽车放置在拆卸工作输送线上.第一步工作是预拆卸，其中包括拆除发动机罩，车门，保险杠和后视镜.之后，报废小型汽车转移到车身柔性拆解站.在拆解站内挡风玻璃和车身立柱将被切断，然后由机械手拆掉车顶.这样，在一个开放的操作空间，工人可以轻松地拆卸座椅，方向盘，仪表板和其他内饰.最后，将汽车车身转移到液压打包机上压缩成便于运输的金属块，最后被运输到钢铁厂.

图4是小型汽车车身柔性拆解单元的基本结构，它是整个拆卸线上一个重要的工作站.报废小型汽车通过托盘从一个工作位置转换到另一个位置.当车身进入柔性拆解工作站后，托盘将停止工作，并且由自动夹具进行定位.然后，工作人员调整剪切工具位置、夹紧机构、挡风玻璃切割的路线.随后，拆解工作将由三个子系统进行：（1）挡风玻璃切割系统；（2）立柱切割系统；（3）车顶转移系统.

2.1 挡风玻璃切割系统

图5所示的是挡风玻璃切割系统，将6自由度工业机器人安装在可以水平移动的滑台上，滑台可以在竖直方向上移动以调整工作高度.同时，通过沿轨道移动支架也可以沿纵向调整机器人的位置.为了切割报废汽车的挡风玻璃，考虑到报废汽车的车型和规格差别很大，因此切割路径必须要求能够自动生成.为了达到这一目的，在支架上安装了两个专门设计的机器人末端执行器.一个用来跟踪挡风玻璃的轮廓，另一个用来将挡风玻璃从车身上切割下来.机器人能够自动快速更换这两种执行器.为了提高效率，可以将常见车型的轨迹数据保存在数据库中，如果进入柔性拆解单元的报废汽车类型能够在数据库中找到，计算机就立即读取该数据文件，并把它下传给机器人控制器，机器人将根据数据切割挡风玻璃.如果计算机中没有保存该报废汽车的类型，则应启动一个新的检测程序.机器人首先将末端执行器更换为轮廓检测传感器，然后带动轮廓检测器沿挡风玻璃表面移动.如果轮廓探测器检测到金属边缘则把该点的位置坐标数据反馈到机器人控制器.需要说明的是，为了提高效率，并不对挡风玻璃的轮廓进行逐点检测，而是根据NURBS （Non-uniform rational B-spline）理论只对特征点数据进行检测即可.最后根据这些特征点拟合出挡风玻璃轮廓的三维空间曲线.当然，这种新的轨迹和汽车型号应立即保存在计算机中.因此，随着挡风窗切割系统的应用，拆解效率将显著提高.

2.2 立柱切割系统

与挡风窗切割系统不同，立柱切割系统是手动操作的半自动化机电系统.如图4所示，传送线的两侧有两对液压剪切工具，用来剪切车身两侧的立柱.工人只需要对一侧的剪切工具进行操作即可，如调整高度和纵向位置，而另一侧的剪切工具在随动控制系统的作用下会进行对称的动作，因此可以减少操作工人的数量.立柱被分为两组，前立柱和后立柱.如图2所示，对a类型车辆，A柱和B柱被定义为前立柱，C柱被定义为后立柱.对于b类型车辆，A柱被定义为前立柱，C柱定义为后立柱.然而对于c类型车辆A，B和C柱被定义为前立柱，D柱被定义为后立柱.因为后立柱较宽，对液压剪切工具的尺寸要求较大，因此所采用的剪切方式和前立柱的剪切方式不同.

2.3 车顶转移系统

当采用液压剪切工具对车身立柱进行剪切时，必须通过安装在纵向托架上的夹紧机构固定车顶的位置以防止脱落.夹紧机构可以沿着纵向方向和垂直方向调整.夹紧机构通过滑轮和电机来驱动.当报废汽车进入柔性拆解工作站后，工人沿纵向调整夹紧机构的位置，以确保可以正确夹持车顶.当所有立柱都被切断后，托架将沿横向梁运动到存储架上方并将其存放到料箱中.

图5 挡风玻璃切割系统

3 结束语

从我国的基本国情出发，开发柔性化和适应性强的拆解装备能够降低报废汽车拆解企业的投资规模.这种模式能够大大降低整个拆解流程中的能源消耗，提高材料利用率和拆解全过程的经济效益.另外，经过这种相对精细的拆解过程后，最后进入破碎和分选阶段的车体中所含的各种杂质和废料的比例也大大降低，对报废汽车拆解回收过程中的环境保护工作也具有一定的帮助.

[1]Ming Chen,Fan Zhang.end-of-Life Vehicle recovery in china:consideration and innovation following the EU ELV Directive[J]. JOM Journal of the Minerals,Metals and Materials Society,2009,61:45-52.

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[3]Daniels,Edward J,Carpenter Jr.Sustainable end-of-life vehicle recycling:R&D collaboration between industry and the U.S.DOE [J].JOM Journal of the Minerals,Metals and Materials Society,2004,56:28-32.

[4]Hill R M,Keoleian.Management of End-of Life Vehicles(ELVs)in the US,a report of the Center for Sustainable Systems[EB/OL]. http://css.snre.umich.edu/css_doc/CSS01-01.pdf.

[5]Carla K,Smink.Vehicle recycling regulations:lessons from Denmark[J].Journal of Cleaner Production,2006,15:1135-1146.

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[7]Paulo Ferrao,Jose Amaral.Assessing the economics of auto recycling activities in relation to European Union Directive on end of life vehicles[J].Technological Forecasting&Social Change,2005,73:277-289.

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A Research on Flexible Disassembly Technology for End-of-Life Vehicles

DAI Guo-hong1,2,ZHOU Zi-qiang1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China; 2.Suzhou Key Laboratory of Intelligent Equipment for ELV Recycling Technology,Changshu 215500,China)

According to the analysis of the structure of vehicle body,the scheme of flexible dismantling cell is illustrated.It is composed of a window shield cutting system,pillars cutting system and roof transforming system. By combining other work cell and conveyer line,a product line based on dismantling mode for ELV recycling is implemented.The recycling process that is based on this equipment is introduced.By this means,the energy consumed during the ELV recycling can be decreased considerably.

end-of-life vehicle;recycling;flexible dismantling;industrial robot

X76

A

1008-2794（2012）10-0005-04

2012-08-22

戴国洪（1966—），男，江苏吴江人，教授，工学博士，研究方向：数字化制造技术与装备．