一種自動化高柔性后橋總成移載設備的開發與應用

吳丹 馮智超

上汽通用汽車有限公司 上海市 210206

1 引言

隨著汽車市場的不斷發展，為滿足用戶的多樣化需求，汽車廠商們也在不斷豐富各自品牌的產品線。隨著整車平臺及車型的不斷增多，不同車型在同一流水線上進行生產將成為必然趨勢，混線生產對整車制造廠流水線的柔性化能力提出了更高的要求。同時，隨著勞動力成本的不斷提高，使用自動化、智能化設備輔助生產，從而改善人機環境、降低勞動強度，提高生產效率成為了必然的發展趨勢。

2 總體方案設計

本設備是為了達到將車輛的后橋總成從物料運輸線的料架上自動取出，進而運送至總裝流水線對應工位，并與流水線同步運行，以便操作人員將后橋總成放置于流水線上AGV 托臺正確位置的目的而設計的。其總體布局如圖1 所示。

圖1 后橋自動移載設備總體布局圖

2.1 設備運作流程設計

為配合總裝流水線上后橋總成的送料方式以及后橋總成安裝工位的循環工作模式，本設備將位于后橋總成運輸線末端及后橋總成安裝工位之間，從而最大化減少后橋總成的額外移動行程以及移載動作所需時間?；诤髽驃A取，移載及放置的基本動作要求以及多車型兼容及流水線同步的需求，將本設備從初始位到返回初始位的一整個循環過程中的運行動作及判斷邏輯進行分解，并形成運作流程圖，如圖2所示。

圖2 后橋自動移載設備運作流程圖

2.2 設備運行節拍分析

基于產線的實際需求，整個自動移載設備按照規定節拍運行，完成一個動作循環總節拍應在51s 以內。基于上節所述設備運作流程進行節拍分析：1）夾具到初始位置；2）車型信號識別（2s）；3）后橋托盤位置判斷（2s）；4）視覺識別車型特征（3s）；5）切換夾爪（3s）；6）夾具下落，抓取后橋（8s）；7）夾具提升及橫移至主線工位上方（10s）；8）AGV 位置判斷（2s）；9）夾具下落到指定預設位置（5s）；10）夾爪松開（2s）；11）夾具回到初始位置（8s），重復上述工序。

理論節拍時間為：T=2+2+3+3+8+10+2+5+2+8=45s。又由于實際操控中電氣、氣動信號有所滯后，故將理論節拍時間乘以系數1.1，則實際節拍時間為：T=T×1.1=49.5s ＜51s。所 以，節 拍時間符合設計要求。

3 機械結構設計

3.1 抓取機構概念設計

后橋總成是整車制造廠采用裝配模塊化策略的典型系統之一，基于懸架結構形式的不同，可以分為非獨立懸架后橋和獨立懸架后橋，基于懸架類型以及驅動形式的不同，后橋總成的結構復雜程度也有所不同。

后橋總成移載設備進行設計時，應確保機構使用的靈活性及穩定性。根據不同的后橋總成形式，應充分考慮其整體重量，重心位置，來料形式等重要條件。例如針對非獨立懸架后橋總成，其重量相對較輕，且結構簡單，因此常使用單點或兩點式上下向夾緊的抓取形式；針對獨立懸架后橋總成，其重量相對較重，且結構復雜，因此常使用兩點式前后向夾緊的爪取形式。而針對多車型共線生產的工廠，要能夠同時兼容不同結構形式，不同重量及重心位置的后橋總成，則應基于在線所有車型的具體情況來進行抓取機構設計。

3.2 多產品兼容性分析

現以某工廠共線生產的四種后橋總成為例，包括了前輪驅動非獨立懸架后橋A，前輪驅動的獨立懸架后橋B，四輪驅動的獨立懸架后橋，其中四輪驅動的兩種獨立懸架后橋C、D 因差速器設計形式不同，整體結構也存在較大差異。在進行抓取機構設計時，應兼備上下向及前后向夾緊的抓取形式，同時還需考慮四輪驅動獨立懸架后橋因差速器設計不同導致的重心差異。

圖3 某工廠共線生產的四種后橋總成

3.3 設備機制

為了實現設備多車型兼容，該移載設備采用多氣缸多夾頭協同工作的機制。如圖4所示，整個移載設備夾具部分由吊臂、滑軌、氣缸、曲柄連桿機構、浮動夾爪，固定夾爪，浮動基座等部件組成。氣缸1a，氣缸1b作用，推動浮動夾爪2a，浮動夾爪2b，與固定夾爪3a，固定夾爪3b 共同作用夾緊，適用于前輪驅動非獨立懸架后橋A 的抓取。氣缸4 作用，推動浮動基座5，帶動固定夾爪6a 及固定夾爪6b 在直線滑軌7 上移動，氣缸8 作用，推動浮動基座9，帶動固定夾爪3a 及固定夾爪10 在直線滑軌7 上移動，浮動夾爪6a，6b，3a，10 共同作用夾緊，適用于前輪驅動的獨立懸架后橋B 以及四輪驅動的獨立懸架后橋C、D。氣缸11 作用，推動曲柄連桿機構12，使浮動基座13進行旋轉，帶動浮動夾爪14 及固定夾爪15，氣缸16 作用，推動浮動夾爪14，與固定夾爪15 共同作用夾緊，適用于四輪驅動的獨立懸架后橋D。

圖4 后橋自動移載設備夾具機構圖

4 自動化功能設計

1.1 章節中已經介紹了該自動移載設備的運作流程。要達到自動抓取正確車型的后橋總成，并運輸到流水線旁與正確的AGV 及底盤托臺進行匹配并且同步隨行。其關鍵是實現后橋總成運輸線上后橋總成類型識別以及與總裝流水線AGV 及底盤托臺的車型匹配。主要實現方式是基于以太網通訊，通過子系統的PLC 進行協同控制以達到統一協作的目的。

4.1 防錯識別

由于多種不同車型共線生產，因此后橋總成在運輸線上是根據流水線上的車輛編號進行排序上線，為了確保后橋總成移載設備抓取的車型準確性，必須要進行車型防錯識別。一個循環結束后，當移載設備到達初始位置時，通過固定在吊臂上的攝像頭組件進行視覺識別，獲取當前后橋總成車型信息，并與Andon 系統中讀取的當前車型信息進行比對，確保待抓取的后橋總成信息正確。進而設備進入后續的動作環節，通過氣缸動作，切換對應車型的夾爪，進而抓取后橋總成。當移載設備通過工具軌道橫移至AGV 及底盤托臺上方時，再次通過與AGV PLC 進行通訊獲取當前底盤AGV 對應的車型信息，從而與移載機上的后橋總成車型信息進行比對，確保后橋總成與當前AGV 的車型信息一致。進而設備進入后續的動作環節，夾具下落并與AGV 隨行。

4.2 電氣控制

2.3 章節中已經介紹了設備夾具部分的運作機制，移載設備主體與后橋總成輸送線和底盤AGV 之間的協作需基于以太網通訊，并由各自系統的PLC 進行協作控制。夾具部分由氣缸驅動的可伸縮吊臂與工具滑車相連，通過后橋PLC 控制橫移變頻器獨立電機驅動滑車在工具軌道上的移動，實現設備主體的橫向移動，通過隨行變頻器獨立電機驅動工具軌道在隨行軌道上的移動，實現設備主體的縱向移動。在垂直提升氣缸作用下，可伸縮吊臂帶動夾具部分連同后橋總成下落至后橋托盤并通過定位銷進行位置鎖定后，即可與AGV 實現隨行。夾具釋放后，在垂直提升氣缸作用下，可伸縮吊臂帶動夾具部分提升，并在獨立電機驅動下帶動移載設備主體回到啟示位置，等待下一次工作循環。設備網絡拓撲結構如圖5 所示。

圖5 后橋自動移載設備網絡拓撲圖

5 結論

通過自動化高柔性后橋總成移載設備在總裝生產線的投入使用，減少了人工吊取后橋總成的操作時間，避免了從后橋總成運輸線末端到后橋總成安裝工位之間的額外人員走動，大大提高了生產效率；通過實現多車型兼容而減少了線旁的設備數量，節省線旁空間，消除多臺設備造成的線旁空間局限性，并提高了設備利用率。隨著工業技術的不斷發展，汽車生產線的自動化程度將會不斷提高，自動化設備的應用將會越來越廣泛。本文論述的自動化高柔性后橋總成移載設備的設計與開發過程，可以為相關領域的自動移載系統設計提供借鑒意義。