一种车身柔性线多种车型顶盖运送装置

霍炳武　肖春燕　刘浩　曾显政

摘要：国内部分汽车制造厂车身柔性线上多种车型顶盖的运送由人工操作，这样会存在车型开发速度快与辅助设备开发缓慢之间的矛盾、人机工程及安全隐患等问题。文章运用轨道机构和吸盘原理，开发一种多种车型顶盖运送装置，达到符合简易自动运送技术的生产要求，满足单个生产线多种车型的顶盖上线及转运要求。

关键词：顶盖；轨道机构；吸盘；运送装置；汽车车身 文献标识码：A

中图分类号：U223 文章编号：1009-2374（2016）21-0008-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.004

1 研究背景

随着国内汽车工业的快速发展和人力成本的逐渐上升，车身工艺自动化已经成为时代发展的必然趋势。然而现今国内部分汽车厂制造白车身时，车身顶盖的拼装运送依旧是人工操作，而人工操作存在以下问题：车型开发速度快与辅助设备开发缓慢之间的矛盾、人机工程及安全隐患等问题。以某公司某车身车间为例，车身顶盖的运送需要两名操作工将其安装到拼台，同样也存在类似问题：（1）零件过大不方便取拿，每次拿取零件都会浪费不必要的时间，如果每班次生产计划350台，累计时间将很可观；（2）需要2人操作步行时间浪费共达到10秒；（3）在转移过程中，容易碰凹或掉落，每班次10台，需要返修15分钟，每班次需要返修2.5小时。为解决企业生产中的实际问题，本研究采用一种车身柔性线多种车型顶盖运送装置代替人工运送。

2 车身柔性线多种车型顶盖运送装置的设计

2.1 结构设计

本机构的工作场所位于顶盖分拼区域，其设计思路为通过料框-焊接拼台-机器人取料拼台中心线，设计吊运中心线，运用吸盘抓取车身顶盖，并且根据拼台与转接台弧度变化，在地面上增加滑移导轨，实现运送装置落料后，在不同位置自动达到精准放置。

根据轨道机构和真空吸盘加载技术工作原理，该运送装置采用气控升降装置、气控防护装置、独立吸盘装置、轨道转向等结构，组成一种物料吸取、物料运送、物料防护的结构形式，代替传统人工运送的模式，减少劳动力，提高工作效率，避免零件损坏，保证员工不受伤害等安全问题。

在实际工作区域中，有两个该运送机构实现车身顶盖的运送装配，以下便以前运送机构为例来进行说明。图1为该机构工作示意图，本文将重点介绍轨道机构与吸盘的结构设计。表1为机构部件明细表：

2.1.1 轨道机构的设计。本运送装置的移动机构由到导轨完成，因此轨道机构的设计十分重要。轨道机构的大致分布可从图1看出，根据拼台结构形式，在拼台地面上左右增加一条轨道，实现吊运机构根据轨道轨迹移动，避免偏移。在外框结构的底部增加3个滑轮连接（右侧2个滑轮，左侧1个滑轮位于右侧2个滑轮之间的中心线，满足左转弯条件），滑轮与外框连接处增加圆锥滚子轴承，使滑轮水平面360°可旋转，达到整个框式机构可根据轨道弧形转弯。由于焊接拼台线与机器人焊接线不在同一条直线上，因此运送装置在导轨上需要偏移一定角度，经过计算，设计导轨转角为135°，实现运送装置转弯之后到达指定终点，顶盖定位没有偏差，自动达到精准效果。

2.1.2 吸盘机构的设计。在外框结构的顶部上增加气动葫芦吊，作为动力装备，通过气控元件控制系统，由人工控制、调节控制器实现取料机构在Z方向精确移动。在吊装框式结构与外框结构，使用配套的导向杆2根，防止被吊取零件在XY方向随意转动，在导向杆和外框结构之间增加垫片，使导向杆在XY方向起微调作用。外框结构的连接件为：GB6728-86冷弯矩空心型钢50X50，并在外框结构上部增加相同材料形成三角结构，加强外框结构的牢固性。吊装框式结构的连接件为：GB6728-86冷弯矩空心型钢25X25，结构轻巧，并在吊装框式结构连接处放置6个吸盘。

实际工作时，拼台上有两个10mm的定位销与顶盖后部的定位孔配合，每次操作时，为防止拼台上的定位销可能会导致零件变形或者是顶盖定位销孔变形，必须保证顶盖落位准确，因此在结构设计时，采用滑移导轨的精确限位和吸盘导向杆的精确固定双重定位方式，保证了顶盖在前后输送及上下升降过程中能够精确定位。

2.2 优化设计

考虑到生产线的柔性与该机构的推广性，该机构应该满足多种车型顶盖的运送，同时也可以应用到其他工作区域，在此就对吸盘机构做以下五点优化设计：

2.2.1 针对不同尺寸零件同一吊点问题，使用外框结构作为物料料架参考点/停止点，不同物料切换时，可实现不需手动调节吊点，对不同车型的零件同时吊装转运，进而配合主线完成柔性生产不同车型的需求。

2.2.2 使用吊装框式结构的链接件材料换成强度高、耐磨性好的铝合钢材料，从而使结构轻巧，同时，链接方式也由开始的焊接方式改为螺杆链接方式，这样便于吊装框式结构安装、调节以及更换零部件。

2.2.3 顶盖的吸取采用6个可在Z向做升降的弹簧式套杆进行定位，用以弥补不同车型在Z方向的差异，吸盘选择独立式吸盘，可避免某个吸盘吸失效，其他吸盘也能吸住零件，同时因为不同顶盖，吸取面的弧面不一致，所以顶盖吸盘在X/Y方向不能是固定不动的，必须是可自动活动的，这样才能更好地与不同顶盖型面贴合，防止吸盘漏气导致零件坠落，造成零件损坏及安全风险，现场设计时，每个吸盘上方都采用了一个万向机构与吸盘连接。吸盘结构实际图如图2所示：

2.2.4 考虑到顶盖有天窗和非天窗之分，天窗框架会让整个顶盖的重心偏向天窗一侧，因此吊取吸盘数量及吸取位置必须在设计上解决可能出现的吊取不平衡问题，在设计上，吸盘采用三对（6个）双列布置；针对分拼台焊接后顶盖总成，吊装方式的吊装框式结构为：一对吸盘靠近天窗型顶盖侧，另外两对远离天窗的非对称式布置。

2.2.5 在吊装框式结构上增加防落机构，通过气缸与转轴连接，推动防落装置，当吸盘失效时，防落机构也能保护零件，使零件无法掉落。

2.3 输送装置运作

该运送装置的正常工作循环可以分为以下四个动作：

2.3.1 吸取顶盖：人工通过控制气动葫芦升、降开关按钮进行分导气源，使气动葫芦内部运转工作，气动葫芦的钢丝绳连接外框机构，使外框机构整体下降，使吸盘贴近顶盖，然后吸盘接入高压气源，人工操作气动元件导气开关按钮，控制主导气主阀的气源至气动元件真空发生器，连接吸盘，吸盘产生吸力，从而吸住顶盖。然后控制外框机构整体吸住顶盖上升到指定高度，动作结束，准备下一个动作。

2.3.2 运送顶盖：人工控制运送装置吸住顶盖，按照指定的轨道（设计好的导轨），平稳准确地将顶盖运送到下一个工位，动作结束，准备下一个动作。

2.3.3 释放顶盖：人工控制外框机构整体吸住顶盖下降，吸盘内充入空气，释放吸力，从而使吸盘与顶盖分离，然后外框机构整体上升，动作结束，准备下一个动作。

2.3.4 复位：人工控制运送装置，按照指定的轨道（设计好的导轨），平稳准确地回到原点，动作结束，准备下一个循环。

2.4 关键技术难题

在设计该运送机构时，遇到以下四个关键技术

难题：

2.4.1 在吊装框式结构与外框结构连接处，使用配套的两根导向杆，通过夹板夹住导向杆撑套，加垫片控制X方向的相对稳定，防止被吊取零件在XY方向随意转动，并保正导向杆在Z方向能够正常移动。

2.4.2 在外框结构的底部增加滑轮机构，滑轮与外框结构连接处增加圆锥滚子轴承，使滑轮水平面360°可旋转，并在拼台地面增加轨道，实现外框结构可在轨道上正确移动，确保被吊装零件在X方向正常移动，Y方向的定位以铺设导轨为参照物。

2.4.3 在吊装框式结构上增加防落机构，通过气缸与转轴连接，推动防落装置，当吸盘失效时，防落机构也能保护零件无法掉落。

2.4.4 由于焊接拼台线与机器人焊接线不在同一条直线上，因此运送装置在导轨上需要偏移一定角度，经过计算，设计导轨转角为135°，实现运送装置转弯之后到达指定终点，顶盖定位没有偏差，自动达到精准效果。

3 实际生产效果

作为一条生产多种车型的柔性线，顶盖分拼拼台可实现兼容多种车型的切换，使得不同车型将使用同一吊运设备，配合主线生产，可达到生产要求，其产生的经济效益（包括提高生产效率，降低生产成本，节能降耗）如下：

操作步骤优化获得的节约值Vn为：

Vn=

假定：s=50600元，表示年人均工资；JPH=60元，表示车间的节拍；T=3600秒，表示一小时的时间；t=15秒，表示节约时间；F=3，表示班次，算得Vn=37590。

节约的报废成本C1为：

C1=n1×m1×v

假定：n1=13，表示报废部件的件数；m1=12，表示月的个数；v=180元，表示部件的商品价值；算得C1=30420。

节约的返修浪费费用C2为：

假定：t′=14小时，C2=t′×m2×P1×2表示返修耗时；m2=12，表示月的个数；P1=26.77元/小时，表示每小时所需返修花费的资金；算得C2=8994。

减少吊具节约的成本C3为：

C3=St×Pn×P2

假定：St=2，表示工位数；n2=12，表示吊具个数；P2=20000元，表示吊具单价；算得C3=480000元。

则累计节约总额C=Vn+C1+C2+C3=55.7万元。

4 结语

经过结构设计与实际生产，本文针对顶盖运送装置的实际需求，设计了一种车身柔性线多种车型顶盖运送装置，来解决人工操作所出现的问题以及多种车型顶盖运送无需切换装备的问题，满足了实际生产需求，并且提高了生产效率，给公司带了巨大效益。本文按发现问题→查阅文献→动手操作→解决问题→优化设计的路线，实际问题通过建立模型、受力分析、再计算、校核数据得以理论解决。

然而本文以及该研究还有许多不足之处，如有发现，还望指出。该研究还有待改进，有些地方仍需加强完善：（1）轨道机构的精确性还有待改进。滑轮使用圆锥滚子轴承在轨道上运动存在晃动，难以保证运送机构的精确性；（2）外框结构、吊装框式结构、气控升降装置这三者之间的连接配合有待改进；（3）新型多种车型顶盖运送装置的开发。现今的顶盖运送装置仍需一名员工操作，随着机器人技术的发展，一种无人操作的车型顶盖运送装置将会产生，来满足多种车型顶盖的运送。

参考文献

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（责任编辑：黄银芳）