一種新型混合包邊裝置在車門窄空間連接的應用

韋侯念，陳天才，孫 雷

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

1 包邊技術概況

包邊是汽車門蓋生產的重要工序，包邊品質的好壞直接影響門蓋件外觀質量，進而影響到整車外觀質量，故國內外各大汽車廠商都非常重視包邊質量。目前，國內外汽車制造商在車門包邊工序大多使用單一的包邊技術—純桌式包邊或純機器人滾邊，二者工藝各有優(yōu)勢。

桌式包邊采用液壓站或伺服電機作為動力源，優(yōu)點是：節(jié)拍高，可達到60件/小時；包邊質量較穩(wěn)定；適合大規(guī)模生產。但缺點是無法柔性，且機構復雜緊湊不便于維修，如圖1所示。機器人滾邊則具有柔性強，關鍵部件（機器人和滾頭）可重復利用，但缺點是節(jié)拍低，一般是40件/小時，如圖2所示[1]。

圖1 桌式包邊

圖2 機器人滾邊

2 車門產品及連接工藝

由于以往項目四門包邊僅有外輪廓伺服桌式包邊，而沒有內窗框包邊，部分車型存在窗框處生銹的隱患。圖3所示為原有產品窗框結構形式，采取焊接內外板的工藝方式，需要大塊的膠條做密封，既不美觀又存在積水后生銹的隱患。為提高整車的美觀性以及消除窗框生銹的隱患，除了外輪廓包邊，產品區(qū)域還提出了內窗框包邊的要求，新的內窗框的結構形式如圖4所示。

圖3 原窗框結構形式

圖4 新窗框結構形式

圖5 所示加粗邊為內窗框包邊的范圍，窗框處的玻璃導槽和外板間隙最小只有19 mm，實現(xiàn)包邊較為困難，如圖6所示。

圖5 內窗框包邊的范圍

圖6 內窗框結構簡圖

從某項目開始，為了實現(xiàn)窗框包邊，從國外引進了窗框伺服桌式包邊機，如圖7所示，其工作原理如下：

側門經過輪廓伺服包邊后，通過輪廓伺服包邊機的輸送皮帶輸送到窗框伺服包邊工位，窗框伺服包邊工位的底板框架機構上的輸送皮帶接到側門后，將側門繼續(xù)傳輸?shù)脚e升機構的皮帶上。

舉升機構上有檢測開關，一旦檢測側門到位，則舉升機構的電機停止轉動，然后舉升機構下降到位，側門落在模腔上。

模腔內有檢測開關，檢測側門放置到位后，夾緊機構對側門進行夾緊，然后窗框伺服包邊機構開始對側門窗框進行預壓，預壓完成后進行主壓，主壓完成后，伺服電機回到原點位，伺服包邊機構恢復到原始狀態(tài)。

夾緊機構打開夾頭，舉升機構將側門頂起，頂?shù)阶罡唿c后，舉升機構的電機驅動皮帶將產品輸送到底板框架的皮帶上，然后繼續(xù)輸送到出料機構上，出料機構將側門輸送到下一道工序。

圖7 窗框伺服桌式包邊機

通過日常的運行和維護，發(fā)現(xiàn)窗框伺服桌式包邊機存在如下問題：

（1）空間緊湊，結構復雜，調試時拆裝刀塊耗時較長，后續(xù)維修難度很大；

（2）對壓刀的加工要求較高，調試包邊質量時需要反復拆裝才能對刀塊焊接打磨，調試周期長，效率較低；

（3）該窗框包邊機構造價高，不利于成本控制。

3 新型混合包邊裝置的開發(fā)

針對當前窗框伺服包邊機存在的各種問題，需要對其進行改進。通過收集資料，了解到機器人滾邊僅需要機器人和滾頭即可完成相關包邊工作，它的特點是模塊標準化、柔性強，但節(jié)拍相對低，約40JPH。因此將內窗框由伺服桌式包邊改為機器人滾邊，其結構如圖8所示。

圖8 窗框機器人滾邊

（1）技術原理如圖9所示，混合包邊裝置包括輪廓伺服包邊和窗框機器人滾邊，該裝置由以下上料機構、胎膜Ⅰ、中部輸送機構、底板框架Ⅰ、內板定位機構、擋料機構、舉升機構Ⅰ、包邊單元、下料機構、機器人、特制窗框通用滾頭、舉升機構Ⅱ、底板框架Ⅱ、胎膜Ⅱ、出料機構等構成。其工作原理為：前道工序完成合門后，通過上料機構的皮帶傳動把待包邊的車門輸送至胎膜上方的中部輸送機構皮帶上，車門碰到擋料機構感應到位后，舉升機構Ⅰ通過氣缸驅動上升托住待包邊的車門，中部輸送機構往外回縮到位，舉升機構開始下降，降到最低點后產品落在胎膜Ⅰ上，底板框架Ⅰ上的內板定位機構下降壓緊待包邊的車門內板，然后包邊單元的預壓刀和主壓刀在伺服電機的驅動下運動，預壓刀先把外板輪廓翻邊往下預壓約45°，之后主壓刀再垂直于外板法向壓緊翻邊，完成90°包邊。完成包邊后，預壓刀和主壓刀打開，內板定位機構回升到最高點并通過其上的鎖緊機構自鎖，舉升機構Ⅰ再頂起車門到最高點，中部輸送兩邊的皮帶在氣缸作用下往中間伸進托住車門，舉升機構Ⅰ下降到位后，中部輸送機構的皮帶傳動把包邊好的車門送至下料機構，再通過下料機構皮帶送至底板框架Ⅱ上的舉升機構Ⅱ皮帶上，車門碰到舉升機構Ⅱ上的擋塊，感應到位后，舉升機構Ⅱ下降，車門落在胎膜Ⅱ上，接著胎膜Ⅱ上的夾頭夾緊車門，隨后機器人攜帶安裝在其六軸的特制窗框通用滾頭對窗框翻邊進行預壓和主壓，滾邊完成后機器人回到原點位，舉升機構Ⅱ頂起車門，輸送到出料機構的皮帶上，至此完成完整的包邊過程。

圖9 新型混合包邊裝置結構圖

（2）窄空間滾輪結構優(yōu)化。機器人滾邊一般情況下用的大滾輪直徑為90 mm，小滾輪直徑為17 mm。內窗框處的玻璃導槽凈空間僅有19 mm，大滾輪無法使用，如圖10所示。

圖10 一般滾輪形式

小滾輪預壓時由于端蓋距離模腔很近，僅有1 mm左右，在實際使用中存在干涉風險，無法直接使用。為了消除干涉風險，設計了制造特制窗框滾邊通用滾頭，如圖11所示。通用滾頭由法蘭軸（安裝在機器人第六軸上）、上套筒、下套筒、矩形彈簧、滾輪、端蓋、指針、連接桿、導向襯套、軸承等組成。窗框滾邊時，機器人帶著滾頭對外板進行預壓和主壓，壓力通過法蘭軸對矩形彈簧的壓縮來傳遞，施加多少力可以通過指針的移動量來判斷。通過彈簧傳遞力不僅可以直觀地觀察機器人施加的力，還可以避免滾邊時機器人和零件或其他機構的剛性碰撞。該滾頭的源動力是機器人對上部法蘭軸的壓力，再通過與彈簧接觸的法蘭軸下部壓縮彈簧使其變形產生彈力，彈力通過彈簧另一端傳遞給滾頭主體，滾頭主體再將力傳遞給滾輪。滾邊時滾輪錐形側進行預包邊，圓柱側進行主包邊。指針分布在法蘭軸的四周，對應的標簽粘貼在上套筒外側，非工作狀態(tài)，指針指在標簽的零刻度處，工作時根據(jù)需要施加的壓力體現(xiàn)在標簽上。通用滾頭既保證了強度又不干涉玻璃導槽，相比壓刀的標準化程度要高，易于制造及更換，調試時不需要拆滾頭。

圖11 特制窗框滾邊通用滾頭

原小滾輪預壓如圖12所示。新滾輪預壓如圖13所示，其中端蓋和模腔的距離約10 mm，滿足安全距離要求。

圖12 原小滾輪預壓示意圖

圖13 新滾輪預壓示意圖

（3）節(jié)拍保證。為了滿足高節(jié)拍（60JPH）的要求，外輪廓維持伺服包邊不變；而窗框伺服包邊存在前述問題已經不適用，引用機器人能解決窗框伺服桌式包邊機空間緊湊、結構復雜的問題。根據(jù)產品情況，測量得出窗框包邊長度為1 235 mm，通過仿真，僅需30 s即可完成第二道工序，時間少于54 s（假設高節(jié)拍60JPH的設備效率為90%），滿足節(jié)拍要求。

（4）調試效率提升。調試前對機器人窗框滾邊進行離線仿真，調試時只需驗證及校正程序，提高調試效率。具體步驟為：仿真環(huán)境中機器人找3個基準點的位置，如圖14所示；在現(xiàn)場環(huán)境中，機器人同樣找準實際基準點的位置，如圖15所示；把離線程序導入到機器人中；使用FANUC的Program Shift功能，Original Program選擇離線程序，New Program輸入校正后程序名，在Source position中記錄仿真環(huán)境的3個基準點位置，在Destination Position中記錄現(xiàn)場的3個基準點位置，按F2執(zhí)行偏移，新的程序即為經機器人校正后的程序，校正精度一般在±1mm以內，仿真情況如圖16所示。

圖14 仿真環(huán)境指針對基準點

圖15 現(xiàn)場指針對基準點

圖16 仿真情況

仿真結果顯示，不僅節(jié)拍符合要求，且機器人及滾頭部件均不與產品或設備干涉，仿真結果符合項目各項指標要求。圖17所示為混合包邊裝置實物。

圖17 混合包邊裝置實物圖

4 應用情況及討論

上文詳細描述了新型混合包邊裝置的開發(fā)過程，在理論上保證了該裝置的可行性。但在實際應用中，依然出現(xiàn)了一些產品質量問題。具體如下：

（1）產品外表面存在凹凸的包邊缺陷

包邊起始的過渡長度L偏短，僅有5 mm，這樣會導致包邊后外板表面存在凸點的質量問題，影響感知質量。通過實驗，調整了包邊起始的過渡長度為20 mm，解決了外板凸點的質量問題，如圖18所示。

圖18 包邊起始過渡長度更改對比

窗框的外板包邊范圍超出玻璃導槽的端頭，這樣在包邊時，超出玻璃導槽的部分包邊完成后里面沒有內板，屬于空包，導致門窗框處的外板外表面出現(xiàn)凹凸的質量問題，影響感知質量。綜合考慮，決定更改外板包邊的范圍，保證包邊范圍在玻璃導槽的端頭以內，如圖19所示，經過驗證，效果良好。

圖19 外板包邊范圍

（2）膠條脫出的質量問題

前期考慮到圓弧位置包邊后材料拉延開裂的情況兼顧包邊后鈑金不能外露，保守起見，原來設計的翻邊高度僅有4.5 mm，翻邊高度偏短，導致膠條在該圓弧位置無法正常附著，出現(xiàn)膠條脫出的質量問題，如圖20所示。

圖20 膠條下墜示意圖

面對當前問題，首選方案就是更改翻邊高度，由4.5 mm調整到7 mm。經過測量，該處的圓弧半徑為191 mm，通過計算確認該處的材料伸長率僅有5.8%，而材料斷后伸長率不小于35%，說明圓弧處的翻邊高度更改到7 mm，包邊后不會開裂，方案理論上可行。

現(xiàn)場翻邊高度更改后，側門窗框經過機器人滾邊，外板既沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，也沒有新增其他質量問題。裝配膠條后，沒有出現(xiàn)膠條脫出的質量問題，問題得以關閉，如圖21所示。

圖21 更改后的膠條裝配情況

通過解決應用中發(fā)現(xiàn)的質量問題，進一步提升了新型混合包邊裝置的可靠性。

5 結束語

（1）本文通過對產品變化情況及原有窗框包邊工藝設備的研究，開發(fā)了一種新型混合包邊裝置，從滾輪優(yōu)化、節(jié)拍保證、效率提升等三方面進行改進，能很好的解決原設備存在的各種問題。

（2）新裝置不僅滿足節(jié)拍要求，且經過多個項目驗證，包邊后的產品質量穩(wěn)定，機器人及滾頭造價低且可重復利用，有利于降低設備成本，具有較廣的實用性。

（3）新裝置在應用中相應地解決了出現(xiàn)的一些產品質量問題，為后續(xù)項目積累豐富經驗。