焊裝手動線自動化柔性改造方案

摘 要：焊裝車間手動生產線工人較多，用工成本高，且零件焊接質量一致性受工人影響;本文介紹一種手動生產線利舊夾具改造為自動化柔性焊接島的方案;改造后只需取放件工人，降低了人工成本并提高了焊接質量一致性。同時，焊接島可多車型批量切換生產，并為后期升級預留接口。

關鍵詞：日系氣控夾具 手動生產線 柔性焊接島 地面精定位機構 焊裝

Abstract：Too many workers in manual line rise cost in body welding plant， and welding quality conformance is affected. A proposal how to optimize the manual line to flexible welding station with recovered fixtures is introduced in this paper. Only loading and unloading workers are needed after retooling， whereby manpower cost is reduced and welding conformance is increased.， Meanwhile， different car models can be changed by batch， a prediction requirement is protected for future as well.

Key words：Japan pneumatic fixture，manual line，flexible welding station，positioning system on the ground，body welding

1 引言

汽車主機廠和零部件供應商焊裝車間內的手動生產線需要較多的操作工人，用工成本高，且工人操作影響焊接的一致性。手動焊鉗操作強度大、工作環境差以及周邊環境配套少使得工人不愿進入車間工作，企業不得不用更高的待遇吸引工人。手工焊鉗重量一般為幾十公斤到百公斤，工人每天、每個生產節拍重復操作焊鉗工作，勞動強度大。焊接車間焊接飛濺和粉塵較多[1]，工人工作環境較差。且汽車主機廠和零部件供應商一般在郊區，娛樂等配套設施較少，工人生活質量不高。因此，追求舒適工作環境的工人不愿進入焊裝車間工作。同時，疫情前期的復工率不高，部分工廠甚至出現停產情況。此外，由于生產線有工人參與生產，操作受人為因素干擾，零件焊接質量一致性無法得到保證[2]。

為改善生產現狀，汽車主機廠和零部件供應商可對手動生產線進行自動化柔性改造，減少人工。且隨著機器人、焊鉗焊機等自動化設備國產化，成本進一步降低，為生產線改造奠定了基礎。

2 生產線改造分析

手動線自動化柔性改造一般新建多個自動化柔性焊接島，工人按照工藝順序上件后，機器人在每個節拍自動循環焊接。在滿足節拍的前提下，機器人可同時焊接多臺夾具。每個焊接島由通用設備和專用設備組成，其中通用設備可以直接采購，專用設備需要新制或改造。通用設備由焊接機器人、焊鉗焊機、修磨器、電氣控制系統、安全防護設備等組成，如圖1所示。專用設備為夾具，不能直接利舊，這是由它的結構決定的。手動生產線夾具一般為日系氣控夾具，由氣缸（圓缸、不帶磁環）、氣缸連接件組成定位夾緊單元，多組定位夾緊單元安裝在夾具Base板上組成夾具機械本體，Base板上安裝有腳輪，一般為2個固定輪和2個萬向輪，便于移動;氣缸上連接出、進氣氣管，控制氣缸打開、夾緊，相同打開、夾緊動作順序的定位夾緊單元氣缸通過主氣路氣管接入同一閥片;設計邏輯氣路控制不同閥片，由工人操作控制臺邏輯氣路按鈕控制，氣路和閥片組成夾具控制系統，如圖2所示。根據夾具結構，日系氣控夾具控制系統無法同電控夾具控制系統一樣，與電氣控制系統PLC（Programmable Logic Controller可編輯邏輯控制器）通信，實現夾具信號傳遞。由于改造的手動生產線一般為現已上市的量產車型生產線，為保證焊接總成的尺寸及焊接質量，減少投資并縮短調試周期，快速恢復生產，所以建議利舊日系氣控夾具，對其改造。

3 夾具改造方案

3.1 如何將日系氣控夾具控制系統利舊改造為“電控夾具”控制系統

（1）根據改造的夾具需要焊接到一起的零件數量，增加相應數量的零件檢測接近開關，檢測工人上件零件數量是否正確，防止漏件;檢測零件是否在正確位置;接近開關通過開關支架安裝在夾具機械本體上，通過I/O（Input/Output）線接入接線盒端子，傳輸檢測信息。

（2）根據改造的夾具定位夾緊單元打開、夾緊動作組數，增加相應數量定位夾緊單元氣缸打開、夾緊到位檢測接近開關。接近開關通過支架安裝在夾具機械本體上，檢測氣缸打開、夾緊狀態，每組打開、夾緊定位單元檢測接近開關通過I/O線接入夾具上的接線盒端子。接線盒端子連接harting母端側，夾具harting母端側通過與電氣控制系統PLC側連接的harting公端側對接，實現PLC與夾具的遠程通信。若日系氣控夾具前期設計氣缸選型為電控缸（圓缸、帶磁環），增加外置式傳感器及其連接件檢測氣缸打開、夾緊狀態即可，并將外置式傳感器I/O線接入接線盒端子，如圖3所示。當切換車型生產，需切換夾具時，工人拔出與PLC連接的harting公端側，斷開與原夾具harting母端側，連接需切換夾具harting母端側。由此，日系氣控夾具控制系統改造無需新增控制電控夾具的閥島，無需將氣控缸更換為電控缸，降低改造成本。

3.2 如何實現自動化柔性焊接島專用夾具切換

（1）改造專用夾具base板下部機構，即改造夾具側定位機構。將原用于夾具移動的固定輪和萬向輪（如圖2所示）改造為導向輪，共2組4個，對夾具的XZ方向限位;增加V型限位塊，對夾具的Y方向限位。

（2）設計對夾具側定位機構的定位機構，并將其安裝固定在地面上，即地面精定位機構。地面精定位機構框架安裝在地面上，導向輪導軌安裝在框架兩側，V型限位塊及其夾緊機構安裝在框架內部。地面精定位機構為標準機構，適用于不同車型專用夾具定位。當將夾具推入地面精定位機構，在XYZ三個方向限位后，地面精定位機構上2組限位塊夾緊機構氣缸夾緊，保證定位準確，如圖3所示。夾具側定位機構與地面精定位機構配合，保證夾具切換后的定位精度及重復定位精度，滿足機器人自動焊接的精度要求。

生產線改造后生產時，工人從料箱內取出需要焊接到一起的各個零件，并按照工藝順序上件到定位夾具上，零件檢測接近開關到位;工人操作氣路控制按鈕，夾具夾緊，氣缸打開、夾緊檢測接近開關到位，自動化柔性焊接島程序啟動焊接。焊接完成后，工人操作氣路控制按鈕，打開夾具，取出本工位零件，每個節拍重復生產。切換車型生產時，將原車型夾具推出，將所需切換車型夾具推入并定位，選擇切換車型控制程序，即可進行新車型生產。

當多種車型切換生產時，由于夾具較多，車間內需配置夾具切換存儲場地。當某車型EOP（End of production停產）后，將其夾具從自動化柔性焊接島推出報廢即可。當某新車型投產，新車型夾具可設計為電控夾具，利舊自動化柔性焊接島通用設備。

4 結論與展望

手工線改造為自動化柔性焊接島后，生產時工人只需完成車身零件的上件和焊接后的取件工作，機器人代替工人手持焊鉗焊接，降低了工人勞動強度，減少了汽車主機廠和零部件供應商對工人的需求，同時提高了焊接質量一致性。

隨著自動化行業的發展，汽車主機廠和零部件供應商對生產線自動化需求將越來越多。例如潛在的需求，在自動化柔性焊接島車型切換時，可采用MES（Manufacturing execution system 制造執行系統）信息傳遞，在MES中輸入所需切換車型信息，AGV（Automated Guided Vehicle自動導引小車）將原車型夾具自動推出，將從夾具存儲區輸送來的新車型夾具自動推入地面精定位機構。又例如，多個自動化柔性焊接島可根據焊接島內車身件物流等相關工藝信息，新增搬運機器人等自動化設備，由自動化焊接島串聯為自動化生產線等等。自動化柔性焊接島前期設計可預留接口，便于后期根據需求進一步升級改造。

參考文獻：

[1]曲娜，李克斌，王楠.某焊接車間除塵系統設計[J].中國高新區，2017（19）：124.

[2]朱軍啟.關于白車身人工點焊質量控制的研究[J].汽車實用技術，2021，46（11）：136-138.

作者簡介

王賀炳：（1984.08—），男，漢族，河北省邢臺人，本科，方案工程師。主要研究方向：焊裝白車身生產線規劃設計。