车身零件积放式输送器的应用与设计

张晓龙 王迪 刘久月 唐广辉 陈卓 曹弘

（一汽模具制造有限公司，长春130013）

1 前言

近年来汽车市场竞争日趋激烈，汽车生产商不断探求新方法来提高自身竞争力，追求高自动化、高节拍已成为行业共识。在车身连接普遍使用自动机械手的今天，对于高纲领的自动化生产线来说，上料形式和区域衔接形式对其自动化程度和生产节拍的影响日渐凸显。

车身零件积放式输送器是1 种集输送和缓存功能于一体的车身传输设备。其主要应用形式有2 种：一是应用于自动线的人工上料口，二是应用于自动区间的零件传输。

对于高节拍的生产线，如果采用普通的单一夹具上料口，需要每个节拍上一次件，操作者就必须始终守在料口旁等待上件，否则就可能造成生产停顿。当采用积放式料口，因为其缓存功能，操作者可以在一个料口连续多次上件，零件自动到达取件位，操作者上件间隔拉长，这样就有时间完成其它积放式料口的上件。原本由多人完成的上件工作由1 人就能完成，提高了人员利用率，降低了生产成本。该设备还可用于自动区域之间的零件传递。因为其具备工件缓存功能，这样即使前序出现短时间停台，后序通过消耗缓存零件而不必连带停台；反之，当后序短时停台，前序生产零件可以进入输送器缓存，也不必连带停台。这样能够有效减少前后区域之间的停台等待，提高生产线开动率，进而保证高节拍。随着积放链在焊装车间的应用越来越普遍，国内外的车身装备厂家提供了不少产品备选，其产品在功能性、工艺性和可靠性上均已比较成熟。

2 积放式输送器的结构形式

焊装线积放链常见形式有4 种，分别是水平托举式、水平悬挂式、倾斜式和竖直式，此外还有具备转弯和升降功能的设备产品。

2.1 水平托举式积放链

如图1，水平托举式积放链通常通过支腿固定到地面上，料车托举车身零件在设备上层传输和积放，并通过下层返回，设备两端可实现料车向上和向下翻转。

图1 水平托举式积放链

2.2 水平悬挂式积放链

水平悬挂式积放链（图2）与水平托举式结构大体相同，不同之处在于零件悬挂于积放链下方，设备本体通过横梁架装在钢结构上。两者虽结构相似，但一般不能互换使用，主要受限于停止器位置及逆止器方向。

2.3 倾斜式积放链

倾斜式积放链（图3）采用料车斜置，一般用于人工挂载较长的零件或者区域空间受限的情况。

图2 水平悬挂式积放链

图3 倾斜式积放链

2.4 竖直式积放链

竖直式积放链（图4）采用料车竖直放置的结构形式，其不仅具备倾斜式积放链工艺特点还加强了设备的柔性。这是因为料车始终保持竖直，不需要上下翻转，零件可在设备上循环输送。从空中俯视，料车在整个循环过程中运行轨迹始终保持水平。

图4 竖直式积放链

2.5 带转弯和升降功能的积放链

当现场空间受限或不便操作时，也可采用带转弯和升降功能的积放链，如图5 所示。

图5 带转弯和升降功能的积放链

3 积放式输送器的应用选型

积放链的应用选型涉及基本参数、料车工装设计和控制系统设计等。

3.1 积放链基本参数的确定

积放链的基本参数一般包括设备长度、宽度、料车数量、运行速度、停止器数量和位置等。

图6 积放链选型表设备图例

通常料车数量根据使用需要而定，人工上件的积放链需要考虑料车数量是否满足操作节拍，区域间衔接的积放链需要考虑生产线物流和车型传递等，同时也需要考虑现场空间。设备具体参数信息按照设备厂家提供的选型表逐一填写即可，选型表一般包含2 部分，即参数列表（表1）和设备图例（图6），参数列表用文字说明各项参数的意义，设备图例则借助图片及标注展示各项参数对应的设备尺寸等以便于用户理解。

表1 积放链选型参数列表

3.2 料车工装的设计

料车工装除需考虑零件挂载需求外，还需考虑设备料车的负载能力。料车的负载分为工装和车身零件2 部分，工装与料车刚性连接，始终随料车运动。通常情况下，设计工装需要计算料车空载（即只承载工装）和带件情况下的质量和中心分布，以及料车空载式的翻转力矩等。设备厂家会提供料车能承担的负载分布区间（图7）和工装的质量-重心高度要求（图8）。

图7 设备要求的负载分布区间

3.3 控制和安全

在焊装车间，积放链最常用的形式是人工上件-机器人下件（简称人上机下）和上下件都是机器人（简称机上机下）。这2 种使用方式采用的控制和安全形式有明显不同，此外，按照具体工况每条积放链的使用形式可能略有不同。

图8 工装的质量-重心高度要求

3.3.1 人上机下的积放链

人上机下的积放链的上件端位于自动区围栏外侧，下件端在自动区内。操作者在上件端，空料车停在上件位，人工上件后通过拍按钮使得带件的料车向前传输，之后料车自动运行，经过缓存区通过仿形门到达下件位，机器人取件后料车向下翻转通过返回区返回上件端。料车的自动运行过程由程序设定，通过接近开关、检件开关和气动阻挡器等来实现。为了防止料车在翻转过程中伤人，上件端一般设有防护罩。

料车在进入下件端和返回上件端之前经过仿形门。下件端之前的仿形门用于检测工件是否摆放到位，零件不到位时会触发仿形门报警，防止因零件姿态原因造成下件端机器人无法取件或取件时发生碰撞。上件端之前的仿形门主要是为了防止人在料车翻转时与其过近，当人通过该仿形门靠近料车翻转区间时设备应自动停止运行。

3.3.2 机上机下的积放链

机上机下的积放链位于1 个自动区内或者2个自动区之间，上下件都有机器人完成，设备自动运行，正常工作时无需人为干预。同人上机下的积放链相比，料车的运行完全由程序设定，也是由检件开关、接近开关和气动阻挡器来实现运转。

3.4 其它注意事项

积放链是1 个机械系统，各种使用工况对设备的要求不同，各个厂家的产品也各有其优劣。下面介绍一些影响设备的调试和使用的细节问题。

3.4.1 检件开关的选用

多车型共线生产是车身制造的发展趋势，线体的柔性化对积放链的车型检测提出更多要求，光电开关是目前常用的检测方法。光电开关多种多样，技术参数千差万别，选用时有4点需要注意。

a.光斑太大容易出现其它设备（如机器人抓具）干扰积放链运行或者开关对零件细节识别精度不够等问题，因此积放链选用的光电开关以激光光源为最佳，其照射在工件表面只有一个直径4 mm左右的点。

b.光电开关的检测距离需要根据工件和开关的距离而定，各个厂家有各自不同的分档。根据工件的检测难度不同，光电开关的检测距离可以选择检测距离是否可调，对混线生产的积放链通常建议选用检测距离可调的光电开关。

c.部分光电开关支持窗口检测模式，即用户可以在开关的测量范围内选择触发开关的距离区间，此类开关一般应用在多车型共线且零件识别特征不明显或出现层叠的情况。

d.开关一般分PNP 和NPN 2 种输出形式，有的产品可互换。选择开关前需要结合线体的通讯协议确定信号输出形式。

3.4.2 上件端的料车存放数量

通常情况下，料车返回上件端的翻转过程用时较长，如果上件端只有一个空料车的存放空间，则容易造成前后2 次上件之间需要等待空料车从积放链下层经过翻转运行到上件位，部分用户对此不能接受。这时可以采用双料车位形式的上件端，如图9 所示。上件位的料车上件放行后，后面上件等待位的料车可以快速到达上件位，避免了等待，有利于提高上件速度。

图9 双料车位的人工上件端

3.4.3 停止器的数量

停止器（图10）用来控制料车前进或停止，在积放链的缓存区和返回区会出现1 个停止器阻挡多个料车的情况。由于停止器的阻挡能力有限，在选用积放链时需要注意停止器的最大阻挡数量，必要时增加阻挡器，避免出现缓存区无法排空的情况。

图10 停止器示意

4 水平托举式积放链的设计

介绍水平托举式积放链（以下简称积放链）的设计过程。设计前需要确定积放链的运行参数，如速度、宽度、长度等。

4.1 托举式积放链的结构组成及运动原理

水平托举式积放链（图11）由基架、驱动系统、限位机构（多个）、料车（多个）、润滑系统、控制系统和防护系统等7 个部件组成。

图11 水平托举式积放链的结构

积放链以普通三相异步电动机作为动力源，链条作为主要传动介质，在工作过程中电机带动链条始终保持运转。如图12 所示，每个料车底部都装有4 个滚轮，用来承担料车及其上部的负载。料车的水平运动靠链条推动阻尼链轮实现，其前进或停止通过气缸驱动挡块的旋转来控制。阻尼链轮由普通链轮和磁滞阻尼器构成，当阻力不大时，阻尼器可以防止链轮旋转，这样链轮就可在链条推动下带动料车水平行走；而当料车受到挡块阻挡，阻力超过阻尼器的阻尼上限，阻尼链轮开始旋转，料车会停止运动，直至挡块移开。

料车每次到达输送器的一端时（图13）,料车滚轮会在导向槽的导引下进入圆弧轨迹；与此同时，料车中部的齿形板与轴上的环形链条进入啮合，料车在环形链条的带动下完成翻转动作。翻转完成后，齿形板与环形链条脱离，料车仍然只靠阻尼链轮带动前进。这样的运动设计既能保证料车正常传输又避免其在缓存时给系统造成过大负载，降低了系统能耗，增强了系统可靠性。

图12 积放链的行走机构

图13 积放链的翻转机构

4.2 积放链的控制方案

积放链由4 个功能区组成1 个封闭循环，分别是上件区、缓存区、下件区和空料车返回区，各区之间主要通过3 组机械限位机构隔开。每个区的末端位置都有接近开关，用于检测是否有料车在位。各区前端也有接近开关，用来检测料车是否存满，当料车存满，前端接近开关将通过控制区域前端的机械限位阻止料车进入该区。在上件区和机械手抓件区还装有光电开关，用来检测料车上是否已放工件。上件区的光电开关用来判断该区末端位置的料车是否带件，有件则开关触发，料车可以继续前进进入缓存区，否则等待上件；抓件区的光电开关用来控制机械手是否可以进行取件动作。此外，在系统必要位置需要加安全开关以保护操作人员及设备。图14 为积放链检测开关布局示例，图中的检测开关用4 位代号表示，代号前2 位用于区分位置和功能，后2 位为检测开关编号。代号前2 位中，“1S”代表设备关键位置状态检测开关，“2S”代表上件区料车检测开关，“2Z”代表上件区零件检测开关，“3S”代表缓存区料车检测开关，“3Z“代表缓存区零件检测开关，“4S”代表下件区料车检测开关，“4Z”代表下件区零件检测开关。

图14 积放链的检测开关布局示例

4.3 关键设计步骤

4.3.1 电机选型

积放链的驱动系统由电机、链条、链轮及轴等部分构成，设备工作时电机持续带动链条转动。链条为3 排并列式，其中2 排用于链轮间传动，另1排用于驱动料车。以下是电机选型步骤。

a.确定电机减速比i。

式中，v 为链条行走速率，根据用户规划要求一般为4.2～9 m/min；d 为驱动链轮分度圆直径，与连接结构设计有关；n0为电机额定转速，一般取1 450 rpm。

根据计算结果，参照电机选型样本选取接近值作为减速机减速比。

b.计算电机输出扭矩TD。

电机机械负载主要来源于3 个方面：料车行走驱动力（即磁滞阻尼器极限扭矩）、料车翻转扭矩负载和传动机构摩擦力。摩擦力可以忽略。综上，电机负载扭矩TD公式如下。

式中，N为料车个数；T0为磁滞阻尼器极限扭矩；m为单个料车及其负载总质量；R为单个料车及其负载重心与翻转轴间距。

c.计算电机功率P。

式中，k为使用系数，一般取1.2～2。

根据计算结果，参照电机样本选择电机功率，确定减速机型号及相关附件。

4.3.2 传动链条选型

积放链采用的是3 列组合链条，依据电机的输出扭矩折算成拉力乘以一定的安全系数后可计算出链条的拉力负载，计算公式如下：

式中，F 是链条承受拉力；K 是安全系数，一般取4～5。

根据相关样本，确定链条的规格型号。

4.3.3 基架

积放链的基架采用6061 铝型材，其上安装有支撑架、料车导轨、链条导轨及其他部件。主框架铝型材根据使用要求设计截面形状尺寸，委托专业型材厂家制造。料车导轨采用合金钢板材，要求平面度高，耐磨性好。链条导轨采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，具备优异的耐磨性，同时有利于设备的轻量化。

积放链的框架由支腿撑起，间隔1 m左右，为防止型材的形变影响料车运行，设计过程需要对其做变形和应力分析，分析示例如图15、图16所示。

图15 框架型材的形变分析示例

4.3.4 料车托盘

料车用于积放链与工装夹具的连接，对于工装的重复定位精度具有决定性影响。因此，对料车托盘的加工一致性和整体刚性都有很高要求。同时，为提高单托盘的承载能力以及降低设备整体能耗水平，托盘要尽量做到轻量化。托盘主体采用钢质钣金结构，重量轻，刚性好。

图16 框架型材的应力分析示例

5 结束语

积放式输送器在车身焊装领域的应用已经十分普遍，其在提高自动化车身生产线的开动率，优化人力成本等方面作用明显。以线间缓存为基础的拉动式生产方式为国际先进汽车制造企业所采用，积放链是其中不可或缺的关键环节。近年来，国内汽车制造商也加强了积放链的应用，收到良好效果。国内的线体集成商和装备制造企业也纷纷投入资源进行积放链的自主开发，对打破国外车身装备公司的技术垄断、服务自主车企意义重大。在可预见的未来发展中，积放链仍将是车身制造业的一项重要装备。