一种新型的高节拍高柔性的汽车前盖机器人滚边设备

乔福龙 杨磊 农明满 劳世达 农胜夫 段绍川

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

1 前言

家用轿车、MPV、SUV作为当下中国乘用车市场销量的佼佼者，在人们的日常交通出行中占据十分重要的地位，消费者对于车身线条轮廓曲面的外观造型也越来越重视。汽车门盖一般为左右前门、左右后侧门、尾盖和前盖，共计4门2盖，汽车门盖的覆盖面积约占整个车身外观的60%以上，承担着车内空间启闭、窗框玻璃升降、实现外观造型感知意图的功能。其中车身制造过程中的车门包边工艺对车门总成的强度、外观造型感知影响尤为重要。

汽车门盖包边是常见的内外板钣金连接工艺，主要有专机包边、压机包边、机器人滚边3种形式。机器人滚边工艺因其柔性化、机械机构简单、成本较低、占地布局小的优点，在车身制造行业中已得到广泛运用。本文以前盖滚边为例，主要从包边工艺特点、产品造型特征对包边工艺的要求、高节拍实现、高柔性实现4个方面进行分析并提出一种高节拍高柔性包边方案。

2 门盖包边工艺

2.1 包边形式

机器人滚边的产品截面形式主要有4种：正常包边、水滴包边[1]、楔边包边、半包边，如图1所示。正常包边的轮廓包边圆角R角与外板的R角半径保持不变（R一般为1.0 mm）。为符合外凸物法规方面的要求，水滴包边工艺在轮廓外凸区域进行水滴状终包边，增大包边R（R一般为2.5～3.5 mm），减小车门轮廓圆角对外界的伤害，一般常见在前盖、前保险杠区域。

图1 包边类型

2.2 滚边工序

在机器人滚边工艺中，一般分为预滚边、终滚边2道工序[2]，如图2所示。

图2 滚边工序

2.3 滚边工具

滚边工具又称滚头，前盖主要用到锥形滚头和水滴滚头2种，2种滚头均内置压力调节结构，如图3所示。滚头与钣金接触的工作部分为滚轮，锥形滚头的滚轮分为大柱面、锥面、小柱面3部分，分别负责预压、主压、小特征线主压的任务。水滴滚头为水滴包边专用，其滚轮分为大柱面、水滴面、小柱面3部分，分别负责预压、水滴状预压及主压、小特征线过渡段的处理任务。

图3 前盖滚边工具

2.4 产品零件对滚边节拍提升的制约因素

2.4.1 翻边角度及圆角

前盖包边形式中，正常包边与水滴包边由于受外板翻边角度过大、水滴圆角变化[3]、前挡搭接处表面波浪因素的影响，会增加滚边工序次数，对于滚边工艺节拍的制约是最大的。工程实践经验总结的工序分布如表1所示。结果表明翻边角度≥105°，需增加要65°预压[4]；包边总成圆角与外板不一致，需要增加包边圆角的预压与主压各1次。

表1 翻边角度、包边圆角对滚边工序的要求

2.4.2 前盖产品特征

以某车型为例，影响发盖滚边节拍的主要特征分为3类，如图4所示。

图4 某车型前盖轮廓特征示意

小拐角特征：主要集中在前端水滴与正常包边的过渡区圆角（图4中A处）、轮廓小拐角（图4中B处）、主特征线棱线与轮廓相交处（图4中C处）。滚头大、小柱面滚轮的直径分别为φ17 mm、φ90 mm。小拐角直径≤φ90 mm时，需要小滚轮进行主压处理，存在3～4 s的工具切换时间。

轮廓凸边、凹边处（图4中E、F、G处）：工程实践中发现，轮廓曲率半径≤500 mm，机器人需要减速50%，轨迹点动作指令定位类型由CNT100降低为CNT50，以保证滚边路径拟合与实际前盖轮廓匹配，同时防止凸边堆料、轮廓波浪问题的出现[5]。

表面问题易发区域（图4中D处）：前挡区域易存在表面波浪、圆角不均的问题，优化方法为预压次数由1次增加到2次[6]，将预压翻边角度变化控制在40°以内，一序增加4～5 s。

综上所述，外板零件的翻边、轮廓特征、特征棱线、表面质量问题都会降低滚边节拍。1个滚边生产周期包括搬运、滚边工艺2大部分，如何降低搬运、滚边2部分的时间成为了提升节拍的难点所在。

2.5 产品零件对滚边柔性生产的要求

在汽车市场产品快速迭代的浪潮中，车身造型是变化的重点区域，门盖特征线、轮廓、曲面的造型更是体现新车型理念的最直观元素。因此机器人滚边设备需要提高柔性生产能力[7]。

滚边工艺一般由上料、滚边、下料3工位组成，滚边设备按照其与产品关联有无，可分为特性设备（与产品特征相关）和通用设备（与产品特征无关），特征设备包括上料台、上胎模、下胎模、下料输送装置；通用设备包括机器人、滚头、换模小车、换模过渡台、围栏。

通用设备[8]为一次性投入，并在各生产线之间实现设备平台化，实现互换性。特性设备在滚边岛里的进出切换是提高柔性生产能力的关键所在。

3 原有前盖机器人滚边工艺

3.1 原有某车型前盖机器人滚边工艺布局

如图5所示，原有某车型前盖机器人滚边工艺布局分为3个工位，图5上方2个加粗箭头为上下胎模切换方向，图5下方4个加粗箭头为1个生产周期的零件流向。

图5 原有某车型前盖机器人滚边岛layout布局

3.2 原有前盖滚边岛工作时序节拍

通过图6数据分析，原有方案输出节拍为81 s/台，考虑车身线运行效率为90%，实际输出节拍由公式计算得出节拍为40 JPH。

图6 原有某车型前盖滚边岛工艺时序节拍分析

3.3 原有前盖滚边岛生产节拍及车型柔性生产能力

3.3.1 生产节拍

一个周期里，R1机器人、R2机器人、R3机器人负责滚边过程为55 s，R1滚边前后搬运时间分别占用了12 s、14 s，搬运总计占用26 s，胎模空置率32.1%。一个生产周期81 s，按90%的效率，节拍为40 JPH。其中滚边工艺受柔性车型的造型以及表面质量缺陷影响，很难缩短工艺周期，比如一些特征线的小拐角、水滴包边、前挡处表面、轮廓双棱线等，按照常见前盖轮廓周长，需50～60 s来完成滚边工艺。而搬运与零件的复杂程度关联性很小，为节拍提升最大瓶颈，也是节拍提升的突破口。

3.3.2 柔性生产能力

原有的上料台、分体式下料皮带存在柔性局限性，方案如表2所示。

表2 原有某车型前盖滚边岛柔性设备

4 新型前盖机器人滚边工艺

4.1 新型前盖机器人滚边工艺布局

如图7所示，新型前盖机器人滚边工艺布局分为3个工位，图7上方2个加粗箭头为上下胎模切换方向，图7下方4个加粗箭头为1个生产周期的零件流向。新型前盖机器人滚边岛3D模型如图8所示。

图7 现有某车型前盖机器人滚边岛

图8 新型前盖机器人滚边岛3D模型

4.2 新型前盖滚边岛工作时序节拍

通过图9数据分析，新方案输出节拍为68 s/台，考虑车身线运行效率90%，实际输出节拍由公式计算为47.65 JPH。

图9 新型前盖滚边岛工艺时序节拍

4.3 新型前盖滚边岛生产节拍及车型柔性生产能力

4.3.1 生产节拍

主要通过缩短搬运时间实现节拍提升。一个周期里，滚边过程由R1机器人、R2机器人、R3机器人、R4机器人负责，占用时间50 s。搬运由R1机器人、R6机器人负责，R6机器人的搬运时间不占用节拍。R1机器人滚边前搬运时间占用12 s，滚边后抓取上胎模至上料等待位占用时间6 s，搬运总计占用时间18 s，胎模空置率由公式（1）计算得出。

式中，ω为胎模空置率；T为生产周期；H为滚边时间。经计算，ω为26.47%。

一个生产周期68 s，按90%的效率，节拍为47.65 JPH。节拍预留方面，一个周期内，R1机器人空置时间为44 s，R6机器人空置时间为54 s。预留了后续R1滚边前涂胶[9]和R6机器人滚边后焊接功能。

4.3.2 柔性生产能力

新旧方案的上胎模、下胎模的柔性功能实现方法是一致的。新方案增加了3台机器人，增加了R6机器人的下料柔性抓手，同时对上料台、下料输送装置进行了柔性改造，以解决原有方案的局限性。方案如表3所示。

5 结束语

相较于原有方案，新型前盖滚边岛的搬运时间由26 s降低至12 s，滚边时间由55 s降低至50 s，滚边下胎模空置率由32.1%降低至26.47%，生产节拍由40 JPH提升到47.6 JPH，为后续导入的车型预留了特殊造型的滚边处理时间，同时上下料机器人预留了自动涂胶、焊接功能，为以后自动化升级节省了场地、改造成本[10]。柔性生产方面，实现了快速切换功能，极大提高特性设备与产品型面匹配的能力。方案落地已有2年时间，稳定可靠地承担着市场主力车型的量产任务。随着5G大数据时代的到来，相信在车身制造的平台化、柔性化、自动化方面将会迎来更好的前景。