淺談焊接工裝設備系統柔性化及工裝輕量化設計

何 舟

（愛孚迪（上海）制造系統工程有限公司，上海201805）

1 焊接工裝設備系統柔性化設計

從焊接工裝設備的機械設計上來說，廠房大小、生產規劃布局和生產工藝的需求一旦確定，相關生產線的各工位空間就已經被限制，設計工程師需通過平面或立體上對工裝設備系統進行設計，以滿足柔性生產要求[1]。

以下設定一個待焊接后成為總成件的工位為例，為便于后續說明，先將相關條件羅列如下：將工件的空間坐標按X、Y、Z軸定義，其中X軸和Y軸平行于廠房的地平面（地平面在此被定義為廠房最低點，廠房所有設備均直接或間接落位在此之上），Z軸垂直于XY平面，代表了高度方向。該生產線能滿足多種同類型工藝工件進行柔性生產，這些工件均能定義同一個零位坐標，在此定義下上述所有工件停在生產線每一個工位時均能零位重合。在上述零位定義的前提下，假設工件物流方向朝X軸負向傳輸，即X負方向為前端，X正方向為后端。工件的左右端則按Y軸方向負正定義（圖1）。空間中垂直于廠房地平面朝向廠房頂部定義為Z軸正方向，即高端；反之，Z軸負方向為低端（圖2）。

圖1 生產線空間坐標XY平面示意

圖2 生產線空間坐標XZ平面示意

該工件的底架已在前序的工位焊接完成，在總成件焊接工位（后續簡稱為“總拼工位”）的前一上件工位，在左右端及高端預先上好總成件的零件，最后在總拼工位上通過各類夾具工裝在左右、高端方向上對總成件進行定位。該工位的夾具工裝數根據工件類型的數量進行匹配，在生產線的物流線體過件時均需與其保持安全距離，由此可知，該總拼工位還需布置與這些夾具工裝相關的傳輸設備系統、存儲設備系統和其他輔助系統。這些設備系統、夾具工裝以及其他各類如能源系統構成了該總拼工位上的柔性制造系統。

針對上述前提條件，以下對幾種典型的柔性焊接工裝設備系統進行說明。

1.1 滑移模塊式柔性系統

在此設計中，夾具工裝被分為左右兩端，能將工件對半在左高端和右高端方向定位夾緊。每套夾具工裝通過布置在生產線物流線體左右兩端的各類傳輸設備（設備可以定義為滾床、橫移機或各類運輸機等）進行X和Y向的切換移動。每套夾具工裝的工作位置即為工裝夾緊對應工件并進行焊接的位置，由于工件的X向為物流方向，故其Y向位置不可移動，夾具工裝需通過靠近工件兩端的傳輸設備進行Y方向的進出工作，運輸設備將工裝送入工作位置，并通過事先裝有與工裝端匹配的能源接口控制工裝上夾具的打開及閉合狀態。傳輸設備將工裝的Y向從工作位置移出后所停放的位置（后續稱為“等待位置”）保證了物流線體上工件的通過性。每側等待位置的對應側（如左端等待位置的左側）布置了相應的焊接和系統內部分功能設備。

為了使每套夾具工裝能夠柔性地切換，須將各類傳輸設備進行合理的布置，形成循環的系統，為了方便后續說明，以左端循環系統為例展開描述。

等待位置傳輸設備的前后端各布置一臺定義為“待命位置”的傳輸設備，在前端待命位置上停放了不同于當前工件A（其對應的工裝稱為“工裝A”，其余工件與其對應的工裝也如此定義）的工件B的工裝B，當工件A焊接結束后，工裝A從工作位置退到等待位置，在工件A傳送至下一個工位和工件B傳送至總拼工位的過程中，前端待命位置和等待位置的傳輸設備同步聯動，使工裝A傳送至后端待命位置，工裝B傳送至等待位置，完成了切換。

假設下一來件為工件C，此時循環系統需要在工裝B于工作位置完成焊接定位作業后、退至等待位置前通過傳輸設備將工裝C運送至前端待命位置，且為了保證X向的待命位置和等待位置切換，工裝A需要提前從后端待命位置朝左側移出。由此可知，在前后端的待命位置的左側均有傳輸設備（后續稱為“預備傳輸設備組”）。

當后續需要切換的工裝越來越多時，需要在前后端待命位置的預備傳輸設備組進行適當延長，且柔性切換代表了隨機切換的含義，為了防止堆垛而導致生產線待機時間過長的情況，須在前后端預備傳輸設備組的對應側（如前端預備傳輸設備的前端）設置相應的存儲位置，且這些存儲位置能滿足該工位中所有工裝隨機停放的需求。為了保證柔性循環切換，前后端預備傳輸組的尾端之間也須設有帶X向傳輸設備的存儲位置，以此形成封閉循環回路。

1.2 滑移及旋轉模塊組合式柔性系統

此類系統的焊接工裝功能、工裝設備系統的工作位置、等待位置和X向前后端待命位置與1.1小節所定義的一致。但對于1.1小節所描述的工裝設備系統來說，其夾具工裝的運送性質更類似于托盤輸送，因此需在該類夾具工裝底部設計與滾床配合的組件，使其能夠在系統的傳輸設備上進行各位置間的進出動作。本小節的夾具工裝、傳輸設備和存儲設備進行了優化。首先驅使夾具工裝的傳輸設備變為了具有X、Y向傳輸功能，即此類傳輸設備（后續稱為“X、Y向移載設備”）分為了X向及Y向兩層移載設備（后續分別簡稱為“X向移載設備”和“Y向移載設備”）。X向移載設備的功能是在等待位置和待命位置上進行切換，該移載設備具有獨立的電機，因此1.1小節中等待位置和待命位置上的傳輸設備可轉換為僅帶有導軌齒條及其他輔助功能的X向固定基座，X向移載設備通過其電機帶動與X向固定基座的齒條配合的齒輪轉動，通過滾輪實現在X向上的傳輸功能。Y向移載設備同樣具有獨立的電機，當X向移載設備處于等待位置時，Y向移載設備通過電機帶動與安裝在X向移載設備的齒條配合轉動，通過滾輪與X向移載設備上的導軌配合使夾具工裝在Y向上的工作位置和等待位置之間往復運動。

為了方便后續說明，以左端循環系統為例展開描述。

假設當前工位在對工件A作業，下一來件為工件B時，為了能夠柔性切換，每套X向固定基座上須配備兩套X、Y向移載設備（后續按前后端定義為“X、Y向移載設備1和2”），X、Y向移載設備1和2的X向僅在各自端待命位置和等待位置上移動。假設工件A焊接后Y向移載設備1將工裝A從工作位置傳輸到等待位置，X、Y向移載設備1和2沿X向聯動，將工裝A傳輸到前端待命位置和工裝B傳輸到等待位置，完成切換。

假設下一來件為工件C，此時需要在前后端待命位置的左側分別設置存儲設備（后續按前后端定義為“存儲設備1和2”），兩個存儲設備須具有多面存儲功能（如設計為轉臺和轉鼓等形式）且每個面均可隨機接收所有工裝。假設工裝C在存儲設備2上時，存儲設備1將空位面和存儲設備2將工裝C面面向前后端待命位置（后續將此類面定義為“前后端存儲位置”）。Y向移載設備2須將工裝B送至工作位置后再空載返回等待位置（可見在工作位置須設計一固定工裝B的設備，且在任意一Y向移載設備與其連接前為其提供能源裝置）。在通過系統信號反饋下一來件信息的工裝A沿左側傳送至存儲設備1的前端存儲位置上后滑回待命位置上，然后存儲設備1將其余空位面轉動面向前端待命位置。空載的X、Y向移載設備X方向上聯動，X、Y向移載設備1駛入等待位置后，Y向移載設備1駛入工作位置連接工裝B。X、Y向移載設備2駛入后端待命位置后，Y向移載設備2駛入存儲位置連接工裝C并駛入待命位，此時須保證X、Y向移載設備1尚未完成將焊接好的工裝B傳送至等待位置，以保證下一來件傳入總拼工位時能順利完成切換。

通過本節對柔性工裝系統的描述可以看出，該系統的移載設備比1.1小節的少了許多，故能源類組件也相對減少許多，且相對投入的設備少，物流循環邏輯簡單明了，工裝也無需設計成托盤形式，僅設計與工作位置固定工裝和Y向移載設備的接口零件即可。兩個系統在同等多工件類型數量上的占地面積相比，本節的柔性系統更占優勢。

2 工裝的輕量化設計

2.1 傳統鋼材焊接工裝

傳統工裝中所使用的鋼材焊接工裝居多。對于柔性制造及生產節拍要求高的制造車間來說，在保證產品焊接后的穩定狀態，確保載有工裝的移載設備的強度、重復精度及安全性，保證焊接時工裝的穩定性等高要求和有限的生產線空間影響下，需要耗費更多的基礎機械設計周期、使用更多的高強度材料，甚至需要更多的輔助設備才能滿足相關的設計要求，從而導致在項目規劃中設計周期長、工裝中的非標產品種類繁雜、采購外部標準件的種類多且不定因素增加，后期安裝調試難度增加等，這些因素將直接或間接增加項目成本及耗費過多的資源，實施的過程可能會因出現各種困難使項目周期變長，影響利潤，在生產線的建立、生產線后期維修維護和工裝設備管理等方面都會增加難度，甚至影響線體復工的進度。

2.2 鋁材焊接工裝

目前某些制造工廠在保持工裝的穩定性及強度的前提下，使用鋁型材組成相關的工裝底架（例如普通鋁型材框架及特殊八角、圓鋁合金管[2]等）。通過采用經特殊材料配比及結構制造的鋁型材或鋁合金做成的工裝設備同樣實現了大部分鋼材工裝設備所需達到的功能，甚至在某些方面更優于傳統的工裝設備，例如在某些特殊焊接工藝中，鋁的抗磁性使得該類工裝中可相對少用甚至免用傳統工裝中的抗磁裝置。且鋁材和鋼材的密度分別為2.7 g/cm3和7.85 g/cm3，鋁材比鋼材的密度小了約66%，在柔性化的制造車間中，尤其是針對因工藝需求需要在生產線上相對空間移動的設備來說，傳統的大型復雜笨重的各類工裝移載系統均因工裝的重量變小，可使其在保證原有功能的基礎上設計更為簡化或直接通過機器人進行移載動作，這樣能使生產線上的工藝更為簡單直觀，生產線的大小可適度壓縮，移載設備標準化程度變高，調試安裝難度變小，相對地，相關項目的設計周期縮短及難度變小，標準化零件更為統一等，使得項目成本大大降低。

2.3 碳纖維焊接工裝

針對生產線上某些空間結構復雜和工藝需求高的工件來說，雖然上述的鋁材工裝亦可滿足輕量化的要求，但其不可避免地會使生產線上某些相關工位中工裝的移載設備及存儲設備與一般工位中的不統一（例如僅在特殊工位使用了更大的轉臺、轉鼓或大型號的機器人等），為了保證備件更為標準化和統一化，國內外某些制造商使用了碳纖維工裝來解決這一難題。雖然在項目前期因碳纖維工裝的特殊制造工藝使得成本較大，但其在項目過程和后期所帶來的生產效益是顯而易見的。碳纖維工裝可使用更薄的鋼材或鋁材作為本體，相比為了保持強度往往需要更多的型材制成封閉體的傳統鋼材及鋁材框架來說，在傳統意義上強度不足的例如懸臂等結構，均能通過對工裝本體覆蓋一定比例的碳纖維使得框架及其懸臂等獲得所需或更高的強度，簡化了工裝在結構及空間上的設計，工裝在保證穩定性及強度的條件下可更加輕盈，從而使生產線上移載設備的種類更為精簡，備件更為簡潔方便。

3 結語

焊接工裝設備系統柔性化根據生產線前期的規劃布局采用適合的工裝設備，通過對相關傳送設備和存儲設備的布置和應用保證工裝切換不影響生產節拍，系統中同類設備設計的標準化和通用化使得現場安裝調試與后期維修維護工作統一簡潔。工裝的輕量化根據生產線工位的難易程度合理選用相關材料，在保證每個工位滿足工藝質量需求的同時最大化地節約項目成本。焊接工裝設備系統柔性化和工裝輕量化的設計是相輔相成的，當兩者均按照合理的匹配投入，能縮減項目各環節的投入周期，優化各類設計流程，使設備的備件清單更簡潔，簡化調試、安裝、維修及維護的工作方式，使得生產線后續規劃及擴容更加容易，空間運用更為科學合理。