多自由度定位裝置及系統(tǒng)

楊志源，代 巍，劉國(guó)斌，程芝群

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州545007）

多自由度定位裝置及系統(tǒng)

楊志源，代 巍，劉國(guó)斌，程芝群

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州545007）

針對(duì)現(xiàn)有車(chē)身主定位工裝缺乏柔性的特點(diǎn)，通過(guò)自動(dòng)化控制，絲杠和滑軌組合，設(shè)計(jì)了多軸自由精確滑動(dòng)的定位裝置，較大提高工裝的柔性，實(shí)現(xiàn)車(chē)型快速切換和新車(chē)型快速導(dǎo)入。介紹了多自由度定位裝置的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過(guò)程、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用效果。

車(chē)身；工裝；柔性；主定位；補(bǔ)焊線

我國(guó)汽車(chē)行業(yè)快速發(fā)展，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)漸趨白熱化，從轎車(chē)到SUV，小型車(chē)到中型車(chē)，市場(chǎng)不斷細(xì)分，各種平臺(tái)不斷豐富，新車(chē)型更是層出不窮。車(chē)型多意味著需要建設(shè)較多的生產(chǎn)線，傳統(tǒng)專線生產(chǎn)要求每個(gè)車(chē)型有一條生產(chǎn)線，有一定柔性的生產(chǎn)線也只能做到有限柔性，即傳統(tǒng)的生產(chǎn)專線存在資源浪費(fèi)和產(chǎn)能布置不靈活的缺點(diǎn)，低銷(xiāo)車(chē)型產(chǎn)能浪費(fèi)而熱銷(xiāo)車(chē)型的產(chǎn)能不足。是否能夠具有柔性，很大程度上依賴于生產(chǎn)線的工藝裝備、夾具的柔性。本文為實(shí)現(xiàn)白車(chē)身公共補(bǔ)焊線定位工裝的柔性，針對(duì)現(xiàn)有車(chē)身主定位工裝缺乏柔性的特點(diǎn)，通過(guò)自動(dòng)化控制，絲杠和滑軌組合，設(shè)計(jì)了多軸自由精確滑動(dòng)的定位裝置。

1 目前車(chē)身定位工裝存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的生產(chǎn)專線的車(chē)身定位工裝只能定位一個(gè)車(chē)型，一條線只能生產(chǎn)一個(gè)車(chē)型，這是經(jīng)濟(jì)型最差的一種。目前稍微改進(jìn)一些的則是公共補(bǔ)焊線，但本質(zhì)上跟普通專線是一樣的原理。

目前公共補(bǔ)焊線多車(chē)型切換定位夾具，每個(gè)車(chē)型都需要設(shè)計(jì)一套定位單元。有新車(chē)型導(dǎo)入時(shí)，在原有拼臺(tái)基礎(chǔ)上再增加一套新的定位單元。此結(jié)構(gòu)和工藝布局存在以下問(wèn)題：①工裝加工及采購(gòu)成本增加，整個(gè)拼臺(tái)定位工裝密集、繁瑣；②對(duì)各車(chē)型產(chǎn)品型面及定位孔要求比較高，要求各車(chē)型定位孔間距必須足夠放置一套夾具；③柔性車(chē)型數(shù)量受到限制，現(xiàn)有生產(chǎn)線實(shí)際情況最多只能生產(chǎn)4種車(chē)型，夾具就已經(jīng)沒(méi)有空間布置；④此結(jié)構(gòu)定位銷(xiāo)固定，需要靠輸送滑撬升降實(shí)現(xiàn)零件定位，增加了滑撬設(shè)計(jì)難度和加工成本。

目前的多車(chē)型切換夾具定位單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，4個(gè)車(chē)型主定位勾銷(xiāo)和定位單元集成在一個(gè)支座上，根據(jù)不同車(chē)型定位孔的輸入設(shè)計(jì)。

圖1 現(xiàn)有多車(chē)型柔性定位裝置

公共補(bǔ)焊線柔性拼臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示，前、中、后部各4套定位單元，通過(guò)前中后的組合實(shí)現(xiàn)4個(gè)車(chē)型的柔性共線。

圖2 公共補(bǔ)焊線柔性拼臺(tái)結(jié)構(gòu)

2 新型大柔性工裝的設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前多車(chē)型柔性工裝繁瑣，成本較高，且后續(xù)車(chē)型導(dǎo)入時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，通過(guò)研究，開(kāi)發(fā)了多自由度柔性定位裝置及系統(tǒng)[1]，來(lái)解決目前公共補(bǔ)焊線柔性?shī)A具存在的問(wèn)題。

多自由度柔性定位裝置實(shí)物圖見(jiàn)圖3，結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖4.

圖3 多自由度柔性定位裝置實(shí)物圖

圖4 多自由度柔性定位裝置結(jié)構(gòu)原理圖

車(chē)身柔性定位裝置結(jié)構(gòu)圖如附圖5所示，主要由X、Y、Z三個(gè)方向伺服電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、導(dǎo)向桿、汽缸和定位銷(xiāo)組成。

圖5 后前部柔性定位裝置結(jié)構(gòu)圖

為了保證X、Y、Z軸三軸均可自由調(diào)整，且滿足主定位精度（±0.15 mm）要求，結(jié)構(gòu)采用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。通過(guò)對(duì)公司現(xiàn)有車(chē)型及將來(lái)車(chē)型的研究，要滿足所有車(chē)型的切換，機(jī)構(gòu)只要滿足如下調(diào)整量即能達(dá)到全柔性切換，各車(chē)型定位孔坐標(biāo)如表1所示。前定位：X∈（0，200），Y∈（0，110），Z∈（0，80）后定位：X∈（0，500），Y∈（0，110），Z∈（0，140）.

表1 各車(chē)型定位孔坐標(biāo)

多自由度柔性拼臺(tái)工裝見(jiàn)圖6.

圖6 多自由度柔性拼臺(tái)工裝

柔性拼臺(tái)以GP50車(chē)身坐標(biāo)作為基準(zhǔn)，加入各個(gè)車(chē)型，考慮焊接和輸送的可行性等條件調(diào)整其它車(chē)型的位置，達(dá)到車(chē)型共線。由前、中、后部定位三類6套左右對(duì)稱工裝組成[2]。

前部主定位：設(shè)計(jì)移動(dòng)量：X：200，Y：120，Z：100.現(xiàn)有車(chē)型移動(dòng)量：X：193，Y：102，Z：77.7.有覫′16與覫′20兩種定位銷(xiāo)選擇，X、Y、Z靠伺服電ф機(jī)驅(qū)動(dòng)，外部增加直線位移傳感器進(jìn)行反饋，保證機(jī)構(gòu)到達(dá)理論位置[3]。

中部定位：中部支撐靠托住車(chē)身側(cè)圍翻邊支撐，只有Z方向的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)高度：100.

后部主定位：設(shè)計(jì)移動(dòng)量：X：460，Y：50，Z：145.現(xiàn)有車(chē)型移動(dòng)量：X：449，Y：43，Z：129.7.有覫′16覫′20定位銷(xiāo)，X、Y、Z靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，外部增加直線位移傳感器進(jìn)行反饋，保證機(jī)構(gòu)到達(dá)理論位置。

多自由度柔性工裝開(kāi)發(fā)，主要應(yīng)用于公共補(bǔ)焊線，可實(shí)現(xiàn)任意車(chē)型的柔性共線生產(chǎn)。系統(tǒng)以軸為單元，采用模塊化、系統(tǒng)化、集成設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有人機(jī)交互界面的標(biāo)準(zhǔn)控制程序，可實(shí)現(xiàn)14軸同時(shí)控制，且Z方向6軸同步升降定位，保證車(chē)型間夾具切換的一致性[4]。

在車(chē)型切換方面，可以將定位裝置切換時(shí)間控制在2.5 s以內(nèi)，大大提高了車(chē)型切換的時(shí)間。

3 新型大柔性車(chē)身定位工裝的應(yīng)用

目前已完成了一個(gè)大柔性工裝的試制，并進(jìn)行機(jī)械、控制集成等調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)小批量驗(yàn)證。效果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

（1）機(jī)械部分：滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌組合設(shè)計(jì)，保證了各定位單元在X、Y、Z三個(gè)方向穩(wěn)定、順暢的移動(dòng)，可以有效實(shí)現(xiàn)多車(chē)型順利快速切換，節(jié)約了新線定位工裝設(shè)計(jì)、加工成本。拼臺(tái)負(fù)載達(dá)到280 kg，超過(guò)了進(jìn)口的FRES、FANUC、ABB等品牌。實(shí)測(cè)定位精度在±0.1 mm以內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)需求，達(dá)到市場(chǎng)競(jìng)品的精度等級(jí)。單套多自由度定位裝置僅重140 kg.

（2）控制部分：形成一套具有人機(jī)交互界面的可修改的標(biāo)準(zhǔn)控制程序（如圖7），只要輸入車(chē)身定位信息，即可完成新車(chē)型的導(dǎo)入。14個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)14根軸同時(shí)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)6軸同步升降，快速完成車(chē)型定位切換。

圖7 操作箱和觸摸屏

4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）可實(shí)現(xiàn)多車(chē)型的柔性切換，解決現(xiàn)有公共補(bǔ)焊線只能滿足4種車(chē)型共線生產(chǎn)的困狀。

（2）在Z方向可以滿足6軸同步升降定位，保證了夾具定位的一致性。

（3）14軸同時(shí)控制，可以準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)任意車(chē)型定位裝置的切換，切換速度在2.5 s以內(nèi)，車(chē)型切換幾近無(wú)縫切換，節(jié)約了生產(chǎn)線車(chē)型切換的等待時(shí)間。

（4）滾珠絲杠副可進(jìn)行預(yù)緊并消除間隙，軸向剛度高，反向時(shí)無(wú)空行程（死區(qū)），定位精度高，可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三方向任意精確位置定位。定位銷(xiāo)位置精度可以控制在±0.1 mm.

（5）采用直線導(dǎo)軌和直線軸承結(jié)合的導(dǎo)向方式，保證各方向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

（6）該結(jié)構(gòu)不僅能用在夾具定位，還可以擴(kuò)展成3軸、4軸、5軸的自動(dòng)焊機(jī)。

（7）磨損小，壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了多自由度定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過(guò)程、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該定位系統(tǒng)的核心內(nèi)容是多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的組合，滿足一定的運(yùn)動(dòng)范圍，還要同步運(yùn)行和精確到位，最后是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的自動(dòng)化控制。實(shí)物的運(yùn)行達(dá)到了預(yù)期的精度要求。

根據(jù)該多自由度定位系統(tǒng)的參數(shù)特點(diǎn)和廠內(nèi)車(chē)型規(guī)劃，該系統(tǒng)完全可以兼容廠內(nèi)未來(lái)車(chē)型，包括中大型的MPV和SUV，對(duì)于后期生產(chǎn)線的車(chē)身主定位夾具設(shè)計(jì)，可以使用模塊化的多自由度定位裝置進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，快速實(shí)現(xiàn)工裝的高柔性，也可根據(jù)實(shí)際需要，加大機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，增加電機(jī)功率，從而提高拼臺(tái)的負(fù)載，進(jìn)一步擴(kuò)大多自由度定位裝置的適用范圍。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]鄧仕珍，范淼海.汽車(chē)車(chē)身制造工藝學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1997.

[3]楊握銓.汽車(chē)焊接技術(shù)及夾具設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[4]機(jī)械工程師手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Multi-degree Freedom Locating System

YANG Zhi-yuan，DAIWei，LIU Guo-bin，CHENG Zhi-qun
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

The paper deigns a multispindle locating system with accurate sliding freely by automatic control and combining screw rod and sliding together since body master location lacks of flexibility now.The system can improve tooling flexibility and fulfill quick switch of vehiclemodels and quick leading-in of new models.It also introduces the design theory，process，structural features and application effect.

body closure；tooling；flexibility；master location；respot line

U466

A

1672-545X（2017）04-0212-03

2017-01-01

楊志源（1986-），男，廣西柳州人，本科，工程師，主要從事汽車(chē)制造的研究。