沖焊共用側圍外板精度盛具的設計與開發淺析

雷彪，周林，張濤，張玉成，聶國成

（東風小康汽車有限公司 汽車技術中心，重慶 400033）

引言

隨著工業革命4.0 的浪潮席卷，智能制造已成為工業發展的熱點方向自動化程度的顯著提高。在汽車制造中，沖壓車間和焊裝車間漸趨無人化生產，隨著自動化程度提升，對工裝盛具要求也更高，其中，適宜于車身零件自動化生產的精度盛具應運而生。

1 精度盛具的應用

精度盛具應用于沖壓自動化生產線或焊裝自動化生產線上，包含沖壓專用精度盛具、焊裝專用精度盛具以及沖焊共用精度盛具。其中，沖焊共用精度盛具須同時滿足沖壓自動線和焊裝自動線的使用要求。

沖壓線尾裝有端拾器的機器人根據視覺系統傳輸過來的信號判斷板料位置，進行成型件的抓取，并將成型件自動放入準備就緒的精度盛具中。倉庫中滿載的盛具由AGV 小車運至焊裝車間相應工位，進行后續工作。裝有抓手的機器人通過視覺系統判斷盛具中零件的姿態和位置，調整機器人進行零件的抓取，并將抓取的零件傳遞至焊接的下一工序。

2 方案設計

精度盛具需要同時滿足沖壓放件和焊裝取件的要求，盛具方案的設計就必須以沖壓庫位及機器人放件和焊裝庫位及機器人取件的定位要求作為輸入來進行方案的設計，由于限制條件較多，需要盛具的結構越簡單越好，以保證設計出來的盛具能滿足沖壓和焊裝使用要求。

現以側圍外板盛具為例，簡要介紹下精度盛具方案的設計思路。

圖1 側圍精度盛具

圖2 側圍普通盛具

2.1 零件的盛放方式的確定

側圍外板零件特點：尺寸大，零件偏軟，易劃傷，易變形，外觀質量要求極高，零件型面變化位置多、翻邊位置多且角度不一，零件難以疊放。并且零件在盛具中的盛放方式必須考慮零件在生產過程中的流通方向，避免零件翻轉等復雜動作影響操作效率。

綜合上述因素，零件采用掛放的方式。同時由于零件偏軟且容易劃傷和磕碰，盛放時零件之間應加以物理隔離，在限位處應加軟質材料進行保護。

2.2 零件在盛具中的掛點、限位點的選擇

由于側圍外板零件尺寸、重量大的特點，要求盛具上的定位穩定可靠，必須保證零件在運行過程中穩固無傾覆、無損傷和變形，故掛點和限位點布置必須均衡。布置原則：

（1）掛點為主要受力點也起限位作用，盡量選擇零件的非外觀面處；

（2）限位點僅限位，不受力，盡量選擇非外觀的直邊段；

（3）掛點和限位點須參考零件重心進行均勻布置。

圖3 盛具掛點和限位點分布

綜合考慮，具體布置如上圖所示。由于該盛具用于沖壓機器人和焊裝機器人放件和取件，須在盛具方案完成后進行干涉排查，到時掛點和限位點的位置可能會稍作調整。另，庫位中有感應器和夾緊裝置，盛具上對應位置須作相應結構設計。

2.3 盛具具體方案確定

側圍外板盛具作為沖壓碼垛、轉運、儲存、焊裝上線配送的載體，它必須為沖壓和焊裝以及物流的生產作業提供方便，提高作業人員的生產效率，使作業場地更加規范、整潔。從而實現管理的標準化、現代化、自動化。

在確定零件盛放方式和掛點及限位點后，基于該盛具的適用場地、存取操作便利等因素來確定盛具的具體方案，盛具主體結構的設計應滿足以下原則：

（1）滿足機器人及人工取件、放件簡單、便捷；

（2）盛具底座結構滿足與沖壓AGV 和焊裝AGV 牽引機構的高度匹配；

（3）滿足沖壓庫位和焊裝庫位的尺寸和定位、夾緊等要求；

（4）結構應盡量簡單，控制制造成本。

盛具設計應須滿足的具體要求如下：

（1）承載能力：含盛具重量，確保強度穩定的前提下，盛具不變形，需出具受力強度分析報告，盛具能承受3 層貨物重量。

（2）盛具堆垛的四點應在同一水平面上。堆垛腳樣式采用外插式，但是堆垛方式必須經過叉車的實際操作驗證并出具驗證報告，不能影響叉車司機正常工作時的工作效率和判斷力。

（3）沖壓工位規劃為盛具放置在托盤上，這就要求叉車放置盛具時，能精確定位將盛具放在托盤上（單盛具采用定位銷方式定位）。盛具需要與現有托盤配合設計，須保證盛具上定位孔本身精度和孔的位置精度。

（4）盛具和AGV 的配合方式是AGV 牽引盛具運行。盛具設計時，底部必須帶有滾輪，四個萬向輪，滾輪不超出盛具，要求：單個腳輪靜態承重≥800kg，動態承重≥500kg，帶減震和剎車，旋轉半徑小于200mm（含剎車）。所有盛具需加鋼網，方便踩踏，但定位銷及定位孔的位置必須清晰可見，方便叉車上下料觀察。

（1）AGV 托盤的尺寸大小是3800mm×2000mm，最大的盛具外形尺寸不得大于托盤尺寸。

（2）由于庫位限制條件，盛具加AGV 整體高度方向上尺寸不得超過3000mm。

（3）便于智能采集數據，每個盛具必須貼有RFID 標簽，安裝位置滿足讀取。

綜合以上設計原則和要求，便可以完成側圍盛具具體方案的設計，如下圖：

圖4 側圍精度盛具

2.4 零件的盛放數量的確定

基于零件之間不能干涉，且機器人抓手在放件和取件時不干涉的前提下，綜合盛具的整體尺寸，通過在軟件中模擬分析，側圍零件盛放間距按150mm，為最優方案，因此確定單個盛具可盛放8 件。

2.5 盛具方案的優化和確定

在前面基礎上，盛具方案基本確定，但是還需要做進一步優化。具體如下：

（1）模擬機器人放件、取件軌跡排除干涉

綜合考慮機器人進入盛具的位置和空間，在進行數模設計時須導入機器人及其抓手數據進行模擬，避免干涉點。

圖5 放件和抓件模擬

如上圖所示，在模擬沖壓機器人放最里面一層零件時，發現機器人臂和盛具后門掛點橫梁端部有干涉，這種情況可以從以下兩個方面進行優化：

1）在影響機器人節拍最少的前提下，優化機器人進入盛具放件的軌跡，以避開干涉點；

2）在保證零件盛放平衡的前提下，移動掛點橫梁的位置，以避開干涉點。

上述兩種途徑經常需要綜合考慮，尋找平衡點。在優化后，還需要將焊裝機器人數模導入進行類似模擬分析，若焊裝機器人取件出現干涉，需要和沖壓一起討論確認干涉點排除的最優方案，有時甚至會對機器人抓手的數據進行局部的優化調整。只有同時滿足沖壓的放件和焊裝取件要求，方案才是可行的。

（2）受力分析

圖6 盛具靜態位移

由于側圍零件重量較重，且兩根掛點橫梁是唯一受力點，所以須對橫梁進行受力分析，以確保盛具的設計是否滿足使用的強度和剛度，分析結果如圖6 所示。

上圖中可以看出盛具橫梁掛滿零件時變形峰值小于Q235 的屈服強度235MPa，最大位移量為3.17mm，變形量很小，滿足要求。同時通過上圖可以掌握強度、剛度變化趨勢，明確盛具設計的薄弱環節，為優化設計及后續的生產維護提供參考依據。

3 材料及加工工藝的選擇

3.1 材料選擇

（1）盛具主體：采用Q235，立柱管徑采用50mm×50mm，立柱管壁厚（≥3.0mm），底盤橫梁方鋼厚度≥3.0mm，加強柱采用?48 圓管，壁厚≥3mm，叉車孔中心距800mm，采用100mm×200mm 方鋼，壁厚5mm，Q235A 鋼材焊接采用E4315，E4303 焊條，也可采用二氧化碳氣體保護焊。所有內襯材質尺寸厚度需滿足承重要求，不得出現變形斷裂等質量問題。

（2）支撐卡槽：尼龍板材質較硬，表面光滑不容易積水積塵容易清理，可以用鉚接或者插銷的方式進行固定。

（3）限位卡槽：聚氨酯材質偏軟，但耐切割，對鈑金件防護效果好，且不易損壞。

3.2 表面處理

（1）對盛具本體使用噴塑或者烤漆工藝，防護效果明顯，防護時間長，噴塑后的產品不容易腐蝕生銹，漆膜附著力強，表面清潔光滑，外觀精致好看。

（2）導向面、定位面、夾緊墊塊等部位采用發黑或者鍍鋅處理。

（3）支撐卡槽及限位卡槽采用材料本色。

3.3 加工工藝選擇

（1）盛具框架總體采用焊接工藝，必須輔以必要的工裝夾具，以避免焊接變形和人為誤差。

（2）盛具底座中的定位面、定位孔以及立柱安裝面，采用龍門銑工藝完成，以保證精度。

（3）支撐卡槽成型采用龍門銑工藝完成，以保證間距和精度，支撐卡槽與橫梁的連接采用螺接，螺接孔設計為長條孔，保證一定調整余量。

（4）限位卡槽成型采用龍門銑工藝完成，以保證間距和精度，支撐卡槽與橫梁的連接采用螺接，螺接孔設計為長條孔，保證一定調整余量。

（5）兩根掛點橫梁與盛具框架也采用螺接，螺接前，兩部分分別在銑床上加工一安裝面，以保證安裝后的垂直度，并配有調平螺絲，以便現場調平。

4 質量和精度要求

4.1 精度要求

（1）沖壓機器人重復定位精度±0.5mm，視覺系統定位精度±0.5mm，放件允許偏差±5mm；

（2）焊裝機器人重復定位精度±0.5mm，視覺系統定位精度±0.5mm，抓件允許偏差±5mm；

（3）盛具底盤部位相關定位必須穩定可靠，保證堅實耐用，每個盛具與每個托盤匹配的重復定位精度為±0.5mm，盛具所有掛件部位精度為±0.5mm，機器人抓取零件的重復定位精度為±0.2mm；

（4）盛具本體上與焊裝工位定位用的定位板精度為±1mm，盛具上與托盤定位用的定位銷孔直徑為?65.4 mm～?65.6mm，孔的相對位置度精度與設計圖位置度誤差為±0.2mm；

（5）盛具底座定位面共面度：±0.5mm。

4.2 精度控制

普通盛具制造工藝主要為下料—焊接—表面處理—裝配—出廠檢測，精度盛具不同于普通盛具，由于精度要求較高，必須在制造過程中進行嚴格的把控。精度盛具制造工藝流程一般如下：下料—底座焊接—底座機加—組合焊接—表面處理—裝配—出廠檢測—發貨。并且在每道工序完成后都必須進行檢測，在底座機架完成后還需進行三坐標檢測，保證底座的尺寸滿足技術要求，以確保后續工序制作基準。

由于側圍盛具整體尺寸太大，一般廠家無法進行三坐標檢測，但是可以在盛具底座機加工完成后對每個底座進行檢測，底座上有定位孔及定位面，在設計階段時根據盛具底座設計一臺檢測底座的檢具，為了降低投入成本，可以盡量考慮幾類零件的盛具底座檢具設計成通用的如下圖。

每個階段完成后需要有相應的檢測工具進行檢測，確保每套部件尺寸都控制在公差范圍內。這樣才能保證最終盛具的一致性。

4.3 一致性控制

由于精度盛具用于機器人自動抓件和取件，整個過程通過程序控制，所以對精度盛具的一致性要求很高。焊接開始前，須根據盛具數據及零件存放狀態，設計必要的工裝或者夾具來控制盛具的關鍵尺寸，以避免焊接過程中焊接變形或焊接人為帶來的誤差。對焊接易變形部位需進行適當補償，以確保焊接出來的產品在精度要求范圍內。

另，盛具必須焊接牢固，成形均勻、平整、整潔，焊縫長度應滿足盛具的使用要求；焊縫不能存在氣孔、虛焊、假焊、錯焊、咬邊、焊縫夾渣、焊縫裂紋、未熔合、嚴重飛濺等缺陷，全部焊縫均須除渣處理。

5 驗證使用

5.1 打樣盛具驗證

精度盛具批量制造前，必須進行打樣確認，打樣確認包括靜態確認和動態確認。

（1）靜態確認：盛具的外觀（油漆顏色和質量）、盛具尺寸（底座定位孔位置度，平面度、卡槽的尺寸、間距是否滿足尺寸要求）、盛具底座與沖壓托盤及AGV 配合情況（牽引、堆垛是否滿足要求）、人工放件情況（零件的防護性、擺放方式、擺放數量是否合理）等。

（2）動態確認：盛具與沖壓AGV 配合情況，盛具與焊裝AGV 配合情況，盛具在沖壓線庫位里進行機器人放件驗證，盛具在焊裝線庫位里進行機器人取件驗證。

5.2 批量盛具驗證

由于盛具主體大部分是通過焊接和人工裝配完成的，不能確保每個盛具狀態與打樣盛具完全一致，所以批量盛具在使用之前，都必須進行驗證。驗證內容和步驟和打樣盛具驗證一致。

6 結束語

為適應智能工廠更高自動化程度的要求，本文以側圍外板精度盛具為例，從設計、制造、驗證等幾個階段進行闡述，精度盛具關鍵點在于制造過程中對于精度及一致性的控制，以及盛具在驗證過程中可調整余量的設計，對精度盛具批量開發具有一定指導意義。