基于工藝尺寸鏈的汽車天窗配裝設(shè)備研究與設(shè)計(jì)

摘要：經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)汽車生產(chǎn)裝配工藝不斷提升，各大汽車制造企業(yè)越來(lái)越注重產(chǎn)品的質(zhì)量控制，逐步根據(jù)整車零件裝配精度要求，深入研究零部件之間的配合關(guān)系，這使得汽車生產(chǎn)形成了一套完整的產(chǎn)品尺寸鏈標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)汽車零部件之間的裝配精度都有明確的裝配基準(zhǔn)。汽車主機(jī)廠不僅有自身的尺寸工藝，還需要借助第三方專用設(shè)備將尺寸約束連貫起來(lái)完成定位，再通過(guò)緊固的方式將部件準(zhǔn)確地裝配在車身上。天窗裝配工具被稱為天窗安裝機(jī)械手，具有自定位功能，可在不同車身上居中定位并安裝天窗，保證天窗的密封膠條與車身的天窗口間隙一致，避免由于密封條受壓程度不同出現(xiàn)漏水和裝配面差問(wèn)題。針對(duì)天窗機(jī)械手功能，詳細(xì)闡述了該設(shè)備的設(shè)計(jì)思路，以及工藝尺寸鏈的邏輯路線。

關(guān)鍵詞：汽車天窗；尺寸鏈；配裝設(shè)備；機(jī)械手

0 前言

目前，汽車天窗的安裝主要采用以下2 種形式：① 采用普通助力設(shè)備托舉天窗，將其送入車內(nèi)，由人工對(duì)位安裝，其存在的問(wèn)題主要是安裝質(zhì)量受操作者主觀因素影響較大；② 采用機(jī)器人安裝，按照預(yù)設(shè)位置進(jìn)行裝配，其存在的問(wèn)題主要是由于設(shè)備為剛性結(jié)構(gòu)，對(duì)于差異化車身尺寸適應(yīng)性較差，容易出現(xiàn)安裝間隙偏差較大的情況［1-3］。

汽車天窗的安裝需要注意控制車頂與天窗上表面的面差，以及天窗四周與天窗安裝口間隙是否均勻?qū)ΨQ。車身與天窗的直接尺寸鏈就是天窗與車頂蓋的相對(duì)位置關(guān)系。天窗機(jī)械手作為天窗裝配工具，其設(shè)計(jì)需要基于汽車天窗裝配的工藝尺寸鏈關(guān)系而充分考慮其結(jié)構(gòu)，選用最短路徑將天窗定位到車身上。頂蓋的天窗安裝口是設(shè)備設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。對(duì)于天窗機(jī)械手，首先需要依據(jù)天窗口的尺寸及空間位置設(shè)計(jì)車身定位結(jié)構(gòu)，再通過(guò)空間位置調(diào)整結(jié)構(gòu)，對(duì)天窗進(jìn)行相對(duì)定位。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸鏈構(gòu)成的起點(diǎn)和終點(diǎn)與車身相對(duì)于天窗一致，是本次設(shè)備設(shè)計(jì)研究的思路。

汽車生產(chǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，各個(gè)車身尺寸存在相對(duì)差異，裝配設(shè)備的兼容性設(shè)計(jì)非常必要。行業(yè)內(nèi)車身制造誤差約1 mm，部分汽車企業(yè)的生產(chǎn)誤差更大，另外運(yùn)行中的車身存在波動(dòng)，要求天窗機(jī)械手的設(shè)計(jì)不僅需要有很好的剛性定位能力，還應(yīng)具有柔性功能。天窗機(jī)械手的剛性定位是指該設(shè)備需要有較高的定位精度，保證天窗滿足工藝要求；柔性功能是指機(jī)械手應(yīng)有尺寸補(bǔ)償能力，匹配車身與天窗相對(duì)位置的精度。剛性和柔性的實(shí)現(xiàn)要求機(jī)械手本體帶有浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，其下方定位安裝模塊應(yīng)與車身定位并鎖定，該模塊中的天窗調(diào)整將不受外界影響，實(shí)現(xiàn)裝配的穩(wěn)定性。

本文針對(duì)天窗的安裝方式提出新的設(shè)備設(shè)計(jì)研究思路，使得天窗裝配機(jī)械手具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：① 整個(gè)設(shè)備可以流程化操作，從取料進(jìn)入車身內(nèi)部到定位安裝完成；② 應(yīng)用尺寸鏈關(guān)系選取最短路線，將累積誤差降至最低；③ 設(shè)備裝配的穩(wěn)定性不受車身、運(yùn)動(dòng)等因素影響，具有較好的穩(wěn)定性。

1 天窗裝配系統(tǒng)

天窗裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)由自動(dòng)供料系統(tǒng)、X-Y 軌道系統(tǒng)、定位臺(tái)、天窗機(jī)械手等組成。供料系統(tǒng)先將天窗送到定位臺(tái)為機(jī)械手自動(dòng)取料，機(jī)械手帶料進(jìn)入車內(nèi)后開啟浮動(dòng)功能，安裝模塊采用多吸盤與車身固定，使其與車身保持相對(duì)靜止，對(duì)中結(jié)構(gòu)采用6 點(diǎn)設(shè)計(jì)，以天窗口為基準(zhǔn)，調(diào)整天窗托盤位置完成定位，擰緊工具緊固螺栓，完成天窗裝配。

天窗機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該結(jié)構(gòu)主要包括：行走部分、提升主機(jī)、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、輔助定位、定位盤、天窗托盤等。主機(jī)與安裝模塊由浮動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，在定位移動(dòng)時(shí)鎖定浮動(dòng)功能，便于精確走位；在適應(yīng)車身和主線時(shí)，打開浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)位置補(bǔ)償功能。定位盤為6 點(diǎn)式，與天窗口直接定位，調(diào)整天窗安裝前的位置，可調(diào)整X-Y 方向的位移和Z 向的角度旋轉(zhuǎn)。天窗托盤為向上預(yù)壓式合裝，根據(jù)所得到的合裝后周邊的預(yù)壓力，控制天窗安裝后的Z方向面差［4］。

2 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

天窗與安裝口結(jié)構(gòu)如圖3 所示，合格的裝配要求為：天窗密封條與車身天窗安裝口的間隙均勻，上表面與車頂過(guò)度平滑，精度要求控制在0.2 mm以內(nèi)，天窗居中安裝。

天窗安裝口是整個(gè)設(shè)備的定位基礎(chǔ)，應(yīng)用6 點(diǎn)式定位方式，即長(zhǎng)邊各2 個(gè)點(diǎn)、短邊各1 個(gè)點(diǎn)，直接確定安裝位置。機(jī)械手的主要執(zhí)行部件包括：6 點(diǎn)式定位盤、浮動(dòng)模塊、天窗托盤和調(diào)整傳導(dǎo)框架。

設(shè)備的尺寸鏈順序?yàn)椋? 點(diǎn)式定位盤、過(guò)度框架、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、天窗托盤。

2. 1 6 點(diǎn)式定位盤設(shè)計(jì)

定位盤設(shè)計(jì)成6 個(gè)滾輪，與天窗口內(nèi)邊線接觸，長(zhǎng)邊設(shè)置2 組滾輪，短邊設(shè)置1 組滾輪，如圖4所示。長(zhǎng)邊2 組滾輪為對(duì)稱驅(qū)動(dòng)，通過(guò)接觸車身天窗安裝口內(nèi)邊實(shí)現(xiàn)Y 向?qū)χ校⑦M(jìn)行微調(diào)。短邊的1 組滾輪找到前后對(duì)稱面，實(shí)現(xiàn)X 向定位。6 組滾輪分別由氣缸控制，并使用精密減壓閥控制對(duì)車身的壓力，確保與天窗口內(nèi)邊貼合，同時(shí)避免過(guò)度擠壓車身導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。6 個(gè)滾輪選用聚四氟乙烯材料，該材料的抗酸堿和各種溶劑的化學(xué)性能較好，被稱為“材料王”，如滾輪接觸到天窗膠條的潤(rùn)滑脂等，也不易被損壞；該材料的摩擦因數(shù)較低，自潤(rùn)滑性能優(yōu)異，可以確保定位盤在對(duì)中時(shí)阻力較小，調(diào)整效果較好。氣缸壓力控制原件選用IR2020-A，其壓力設(shè)定范圍為0.01～0.80 MPa，經(jīng)過(guò)多次調(diào)壓，可將精度控制在±1% 以內(nèi)。

定位盤設(shè)計(jì)了輔助固定吸盤組，有利于提升定位盤結(jié)果的穩(wěn)定性。吸盤為多折皺的無(wú)痕聚氨酯材料，可適應(yīng)曲面吸取面，吸取油漆面時(shí)也不會(huì)留下印記［8］。

2. 2 調(diào)整傳導(dǎo)框架設(shè)計(jì)

調(diào)整傳導(dǎo)框架為圖5 所示，將定位盤、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)和天窗托盤銜接在一起，實(shí)現(xiàn)尺寸鏈過(guò)渡。由圖5 可知，機(jī)械手從定位盤在天窗口中的定位傳導(dǎo)至天窗的過(guò)程，最終回到天窗安裝口的定位，是一個(gè)閉環(huán)的尺寸鏈。汽車的設(shè)計(jì)安裝工藝要求保證天窗與天窗安裝口的位置關(guān)系，機(jī)械手應(yīng)具備同樣的邏輯思路。

調(diào)整傳導(dǎo)框架在天窗托盤的托臂上設(shè)計(jì)了上下浮動(dòng)功能，彌補(bǔ)了主機(jī)伺服系統(tǒng)剛性沒有柔性補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。浮動(dòng)功能有一套專用氣路平衡邏輯，選用大流量氣控平衡閥，控制氣缸主氣源，比例閥輸出給氣控平衡閥，可最大限度地降低氣路延時(shí)效應(yīng)和進(jìn)排氣阻力。該氣缸也是特殊設(shè)計(jì)，內(nèi)部為機(jī)械式密封，缸筒和活塞需要特別研磨配合使用，在零氣壓下活塞能自由快速下滑，不能出現(xiàn)間歇，同時(shí)保證在0.5 MPa 氣壓下，整個(gè)托盤的上下浮動(dòng)阻力不大于30 N。

2. 3 浮動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

浮動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)械手剛性和柔性切換的功能性部件，如圖6 所示。設(shè)計(jì)十字交錯(cuò)的滑軌組，解決上、下2 層滑軌組的水平移動(dòng)，滑軌組中間放置平面回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可使其繞Z 軸旋轉(zhuǎn)。兩側(cè)分別設(shè)計(jì)鎖緊結(jié)構(gòu)，用于打開和關(guān)閉浮動(dòng)功能。鎖緊結(jié)構(gòu)內(nèi)部為30°錐形鎖銷，由氣缸推動(dòng)能產(chǎn)生500 N 的水平推力，作用在下層浮動(dòng)結(jié)構(gòu)上，使浮動(dòng)結(jié)構(gòu)處于鎖定狀態(tài)時(shí)更加穩(wěn)定。錐形鎖銷伸出即為浮動(dòng)功能關(guān)閉，上、下2 層浮動(dòng)結(jié)構(gòu)處于鎖定狀態(tài)，設(shè)備的下層結(jié)構(gòu)處于原點(diǎn)位置。錐形鎖銷縮回即為浮動(dòng)功能打開，浮動(dòng)結(jié)構(gòu)可以在±30 mm 范圍內(nèi)水平移動(dòng)，并在±5°范圍內(nèi)繞Z 軸旋轉(zhuǎn)。

2. 4 天窗托盤的設(shè)計(jì)

天窗托盤用于承托天窗和最后安裝校準(zhǔn)，如圖7 所示。車身的安裝孔為盲孔設(shè)計(jì)，并將托盤上的4 顆定位銷設(shè)計(jì)為伸縮結(jié)構(gòu)，只允許10 mm 長(zhǎng)度的伸縮銷進(jìn)入孔內(nèi)，避免破壞車身部件。伸縮銷具有導(dǎo)向作用，在天窗安裝時(shí)起到引導(dǎo)作用。承托天窗的位置設(shè)置有4 個(gè)軟性材料的橡膠頂頭，頂頭下方設(shè)計(jì)壓緊氣缸，在車內(nèi)裝配時(shí)施加20 kg 的向上預(yù)壓力，確保天窗的密封條先處于壓縮狀態(tài)，再擰緊螺栓，對(duì)四周螺栓未按照要求同時(shí)擰緊或未按照順序擰緊，導(dǎo)致密封條擠壓不均勻的操作進(jìn)行糾錯(cuò)。

在托盤設(shè)計(jì)2 套激光測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制裝配：第1 套系統(tǒng)檢測(cè)天窗與托盤的距離，檢測(cè)設(shè)備對(duì)天窗進(jìn)行預(yù)壓時(shí)，天窗與托盤之間的距離變化，實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)控預(yù)壓力和位移；第2 套系統(tǒng)檢測(cè)托盤與車頂?shù)木嚯x，檢測(cè)天窗在車內(nèi)安裝到位的高度數(shù)值，配合主機(jī)伺服系統(tǒng)工作。

設(shè)備高度的伺服提升距離最終由傳感器檢測(cè)到的車身高度為依據(jù)，可使設(shè)備更好地在不同型號(hào)的車身上準(zhǔn)確安裝天窗，有效地控制安裝后的面差。

2. 5 機(jī)械手的控制邏輯設(shè)計(jì)

該天窗機(jī)械手是一個(gè)完整的運(yùn)行系統(tǒng)，解決了從物料到裝配完成的整套流程。其控制系統(tǒng)可分為上位機(jī)和主控站，主控站由取料系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和機(jī)械手安裝系統(tǒng)組成。上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了產(chǎn)品隊(duì)列解碼程序，上位機(jī)獲取工廠生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）信息，通過(guò)解碼算法提取所需的車型和顏色隊(duì)列信息，傳達(dá)至可編程邏輯控制器（PLC）主控站。

主控站接收上位機(jī)信息，使取料系統(tǒng)、定位臺(tái)和裝配機(jī)械手分工協(xié)作。取料系統(tǒng)為自動(dòng)識(shí)別型抓取物料的設(shè)備，多料架自動(dòng)選擇物料，同時(shí)由其防錯(cuò)傳感器確認(rèn)無(wú)誤后交給定位臺(tái)。定位臺(tái)為物料的中間過(guò)度站，對(duì)天窗精定位后，輔助機(jī)械手準(zhǔn)確取料。系統(tǒng)運(yùn)行邏輯框架如圖8 所示［4-6］。

3 設(shè)備應(yīng)用測(cè)試

天窗機(jī)械手按照汽車天窗的安裝尺寸鏈邏輯完成設(shè)計(jì)。檢測(cè)實(shí)物裝配，使用專業(yè)塞規(guī)測(cè)量天窗周邊縫隙，縫隙對(duì)稱度誤差應(yīng)在±0.2 mm 以內(nèi)。

使用面差尺測(cè)量車頂曲面，車頂與天窗結(jié)合處的高低差小于0.3 mm，控制效果較好。對(duì)同一輛車使用該天窗機(jī)械手重復(fù)裝配20 次，檢查精度在控制范圍內(nèi)，達(dá)到了設(shè)備的設(shè)計(jì)預(yù)期，使用效果良好。

機(jī)械手的裝配結(jié)果是依據(jù)實(shí)車尺寸得到的裝配效果，對(duì)于存在偏差的車型也能實(shí)現(xiàn)較好的對(duì)稱度效果，該設(shè)備可避免人為主觀因素影響［7-8］。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于天窗裝配尺寸鏈的工藝機(jī)械手展開研究和設(shè)計(jì)，包含機(jī)械手本身和配套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，適應(yīng)動(dòng)態(tài)裝配，并自動(dòng)補(bǔ)償裝配。

上位機(jī)系統(tǒng)確保該設(shè)備控制與工廠MES 對(duì)接，在MES 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控。天窗安裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物料從料架到整車裝配完成，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了工廠智能化，提升了物流速度、裝配工藝、效率等。

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