轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在門蓋焊接生產(chǎn)線的應(yīng)用

隨著中國汽車業(yè)的發(fā)展壯大，汽車的配置越來豐富，白車身的變化品種越來越多[1]。傳統(tǒng)的汽車焊接工裝單一，需要大量地定制不同種類的工裝夾具滿足不斷增加的新品。傳統(tǒng)的人工焊接，效率低，焊接質(zhì)量不可控，對升級機(jī)器人焊接方式，建立焊接工作站或生產(chǎn)線很有必要。然而在企業(yè)設(shè)計(jì)的工作站或是生產(chǎn)線中都是單一的產(chǎn)品生產(chǎn)，現(xiàn)有的工裝夾具不能切換，造成機(jī)器人焊接工作站或是生產(chǎn)的設(shè)備利用率很低。

在進(jìn)行焊接生產(chǎn)的過程中，為了達(dá)到節(jié)能減排的需求[2，同時為了節(jié)省場地及設(shè)備成本，工裝在實(shí)際使用過程中需要切換使用以達(dá)到生產(chǎn)目的。但是，目前由于工裝切換設(shè)備通用性不高，導(dǎo)致工裝在切換過程中不流暢，同時工裝在切換后進(jìn)行焊接等其他操作時，切換后的工裝不穩(wěn)定以及影響焊接等其他操作。

江鈴汽車某SUV車型的門蓋自動焊接生產(chǎn)線，為了能實(shí)現(xiàn)多車型共線生產(chǎn)，又能解決場地緊張問題，故采用轉(zhuǎn)臺切換結(jié)構(gòu)，對各個車型生產(chǎn)時夾具進(jìn)行切換生產(chǎn)，滿足生產(chǎn)要求。設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡單、成本低且能進(jìn)行工裝切換的裝置，滿足不同的工裝夾具上生產(chǎn)線，新的車型投產(chǎn)只需新制工裝而不需要新增生產(chǎn)線，節(jié)約開發(fā)成本，提高線體利用率，為多車型生產(chǎn)提供解決思路，后期新增只需做小部分整改變動，就能達(dá)到滿足使用要求，方便快捷，項(xiàng)目投入周期短，產(chǎn)品回資效益快。本文將簡述轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在門蓋焊接線的應(yīng)用及工作原理。

常見門蓋單一焊接線的缺陷

汽車車身零部件在制造過程中，都需要大量定制不同種類的工裝夾具來實(shí)現(xiàn)焊接，傳統(tǒng)的人工焊接，效率低，外觀質(zhì)量不可控，很多升級為機(jī)器人焊接方式建立焊接工作站[1]。然而在企業(yè)設(shè)計(jì)的工作站或是生產(chǎn)線中都是單一的產(chǎn)品生產(chǎn)，往往因?yàn)楣ぱb夾具不能切換（裝夾具固定，不帶切換），造成機(jī)器人焊接工作站或生產(chǎn)線的可調(diào)性很低。設(shè)備利用率不高，造成一部分的成本損失，工作站迫切需要一種可切換的結(jié)構(gòu)，來滿足不同的工裝夾具進(jìn)行機(jī)器人焊接，實(shí)現(xiàn)不同工件的焊接。該切換結(jié)構(gòu)解決了工作站或生產(chǎn)線的利用率低的問題，保證多品種工件生產(chǎn)，減少了多建工作站及生產(chǎn)線的成本，提高了汽車零部件的生產(chǎn)效率3]。

基于以上的焊接受限缺陷，江鈴某車型門蓋自動焊接線開發(fā)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。

圖1轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)

1—旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺2—頂升定位銷13—頂升機(jī)構(gòu)14—前壓緊機(jī)構(gòu)5—側(cè)推機(jī)構(gòu)16—頂升機(jī)構(gòu)27—頂升定位銷銷28—前后定位機(jī)構(gòu)

9—頂升定位銷310—頂升機(jī)構(gòu)311—側(cè)推機(jī)構(gòu)212—前壓緊機(jī)構(gòu)213—頂升機(jī)構(gòu)414—頂升定位銷415—后壓緊機(jī)構(gòu)16—電控閥島

工作原理

轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。工作臺的轉(zhuǎn)動是由伺服電動機(jī)控制經(jīng)過齒輪減速后，由蝸桿傳給蝸輪，為了消除蝸桿副的傳動間隙，采用了雙螺距漸厚蝸桿，通過移動蝸桿的軸向位置調(diào)整間隙。蝸桿的左右兩側(cè)面具有不同的螺距，因此蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距相同，所以仍然可以保持正常的嚙合。回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)有零點(diǎn)，當(dāng)它作回零運(yùn)動時，先用擋鐵壓下限位開關(guān)，使工作臺降速，然后由編碼器發(fā)出零位信號，使工作臺準(zhǔn)確地停在零位。回轉(zhuǎn)工作臺可以作任意角度的回轉(zhuǎn)與分度，在任意位置停留，可以機(jī)器人協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動，確保定位精度，方便機(jī)器人焊接。

采用伺服旋轉(zhuǎn)臺進(jìn)行轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)夾具切換，夾具推進(jìn)裝有導(dǎo)向的切換工裝中，到達(dá)定位機(jī)構(gòu)，進(jìn)行定位，當(dāng)感應(yīng)器感應(yīng)到工裝后，按頂升按鈕，頂升機(jī)構(gòu)上升頂起夾具，頂升氣缸采用定位銷與工裝的定位孔進(jìn)行定位，當(dāng)頂升氣缸到位后，側(cè)推機(jī)構(gòu)推動滑塊進(jìn)入到工裝下支撐面支撐工裝，進(jìn)行機(jī)械支撐。然后壓緊機(jī)構(gòu)壓緊工裝，電控閥島通電通氣，一個工位工裝定位完成。轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)進(jìn)行下一個工裝切換。當(dāng)所有工裝切換換成后，轉(zhuǎn)臺回原點(diǎn)，工裝進(jìn)行上件焊接工件。

各個組成部分采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，保證運(yùn)動的穩(wěn)定性。各個部分按照先后順序各自密切動作，實(shí)現(xiàn)夾具切換。首先由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到上件位，所有機(jī)構(gòu)處于原始狀態(tài)，各個氣動部分采用PLC控制電控閥島通氣進(jìn)行動作，推動夾具到切換臺由前后定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位到位檢測，到位后，按動頂升按鈕，4個頂升氣缸升起升出定位銷定位支撐夾具，采用4個頂升機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位保證夾具每次切換的位置精度在 ±0.5mm 范圍內(nèi)，然后側(cè)推機(jī)構(gòu)升出到位，頂升機(jī)構(gòu)氣缸退出。這樣頂升氣缸不再受壓迫，大大延長使用壽命。最后各個壓緊機(jī)構(gòu)動作到位壓緊工裝夾具，此夾具切換完成。

前后定位機(jī)構(gòu)主要由定位滾輪，定位座調(diào)節(jié)塊組成，在切換中起初步定位作用。

1.壓緊機(jī)構(gòu)

壓緊機(jī)構(gòu)主要由氣缸、連接座、壓臂及壓塊組成，主要起壓緊作用，在切換中是最后步驟：頂升側(cè)推機(jī)構(gòu)主要由氣缸、定位銷、定位塊及導(dǎo)塊滑塊組成，主要起定位支撐作用，在切換中是關(guān)鍵性步驟。部件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2前后定位機(jī)構(gòu)

1—定位滾輪2—定位座3—調(diào)節(jié)塊

3.頂升機(jī)構(gòu)

頂升機(jī)構(gòu)如圖4所示，由頂升機(jī)構(gòu)由頂升氣缸及導(dǎo)向套、位銷組成，電控氣動自動伸縮。其原理及作用是當(dāng)工裝夾具到位后，頂升氣缸得信號通氣，定位銷伸出插進(jìn)工裝夾具定位孔，限制X、Y向自由度。

圖4頂升側(cè)推機(jī)構(gòu)

1—頂升氣缸2—定位銷3—導(dǎo)軌滑塊 4—側(cè)推氣缸5—定位塊

2.定位機(jī)構(gòu)

前后定位機(jī)構(gòu)原理及作用：采用定位座安裝固定，由調(diào)節(jié)塊以及定位滾輪組成，工裝夾具推到定位滾輪處時，滾輪轉(zhuǎn)動導(dǎo)正夾具，調(diào)節(jié)塊調(diào)整位置后，固定定位塊，只需調(diào)整一次，后面切換夾具不用再調(diào)整。

后壓緊機(jī)構(gòu)如圖3所示，由安裝腳座、壓緊塊、氣缸組成。其原理及作用是：電控氣動自動壓緊打開，當(dāng)工裝夾具到位后，氣缸通氣壓緊塊壓緊工裝，限制Z向自由度。

4.側(cè)推機(jī)構(gòu)

側(cè)推機(jī)構(gòu)原理及作用：由側(cè)推氣缸、定位塊、導(dǎo)軌滑塊組成，電控氣動自動伸縮。當(dāng)工裝夾具到位后，側(cè)推氣缸得信號通氣推動滑塊帶動定位塊，支撐工裝夾具。

圖3后壓緊機(jī)構(gòu)

1—定位腳座2—壓緊塊3—?dú)飧?/p>

5.工裝切換

工裝切換流程：轉(zhuǎn)臺切換工裝同一套夾具成 180^° 分布，切換時根據(jù)程序通過觸摸屏還選車型，對應(yīng)車型工裝進(jìn)行切換。夾具進(jìn)行切換采用人工切換方式，先通過控制按鈕，將電氣模塊自動脫離開來，再通過按鈕將夾具降到地面上，待頂升壓緊氣缸都完全打開后，需要AGV自動將夾具從工位上拉出來，然后再將要切換的夾具推到工位上。待夾具到位后感應(yīng)到到位信號，人工按按鈕將夾具頂升起來，頂升到位后，支持塊推到位支撐工裝夾具，頂升氣缸退回，壓緊氣缸在壓緊工裝，再通過按鈕控制電氣模塊貼合，通氣通電，工裝夾具打開處于原始狀態(tài)，單工位夾具切換完成，通過按鈕控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn) 180^° 進(jìn)行對應(yīng)的面的工裝切換。待兩面工裝切換完成，再通過程序進(jìn)行車型種類工件選擇切換要更換的工裝面到人工上件位進(jìn)行工裝切換，重復(fù)上述流程。完成4面工裝夾具的切換后，工裝切換完成，等待進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。切換下來的工裝夾具存放到指定位置。

6.轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)：轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)采用AB品牌PLC控制，通過信號的傳輸來控制工裝的切換、焊接等。伺服控制模組接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與運(yùn)算，分別計(jì)算出目標(biāo)在水平方向的加速度、速度，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動趨勢實(shí)時調(diào)整，即在完成對目標(biāo)運(yùn)動趨勢之后，對自身的旋轉(zhuǎn)角度、角速度及角加速度，根據(jù)偏差情況進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。控制重復(fù)定位精度（到位角度偏差） ± 8arcsec。

轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）保證多種車型產(chǎn)品的合理生產(chǎn)。

2）減少設(shè)備占地面積，節(jié)約廠房空間。

3）減少工作站的投入再開發(fā)生產(chǎn)制造的成本。

4）提高了機(jī)器人設(shè)備效率，保證了工廠產(chǎn)能。

5）轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)開發(fā)制造成本低，并且同生產(chǎn)線及機(jī)器人設(shè)備聯(lián)動，提高工廠設(shè)備自動化程度，減少操作工降低人工成本。

6）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單便于維護(hù)使用和維護(hù)保養(yǎng)成本低。對提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人的勞動強(qiáng)度，加速焊接生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化進(jìn)程等方面起著非常重要的作用。

在門蓋焊接線的應(yīng)用

在現(xiàn)有技術(shù)中，工裝夾具都是固定焊接的設(shè)備，利用率低，新增投產(chǎn)成本高。設(shè)備過多導(dǎo)致工廠場地不足，車型升級換代后，工作站也閑置無法利用。基于以上難點(diǎn)，JMC某車型門蓋自動焊接線自主開發(fā)了如圖5所示的轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，來保證焊接過程的質(zhì)量控制及多車型生產(chǎn)應(yīng)用。對比其余工作站項(xiàng)目，轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)在驅(qū)動電機(jī)帶動下進(jìn)行工位精準(zhǔn)換位，采用人工智能控制，只需按按鈕就可以對應(yīng)相應(yīng)的工位。傳感器檢測到工裝夾具到位，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，氣缸壓緊機(jī)構(gòu)的作用下，通過壓緊使工裝到位。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾動軸承導(dǎo)向，便于切換夾具更加省力，結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)，夾具切換方便，便于后期新增車型，只需換工裝不需更換生產(chǎn)線，節(jié)約成本，提高設(shè)備利用率。柔性頂升機(jī)構(gòu)，定位裝置采用氣缸作為動力頂起或放下工裝，同時升降裝置設(shè)計(jì)有限位機(jī)構(gòu)，工裝到位后，氣缸推出限位工裝支撐工裝。同時對比其他切換結(jié)構(gòu)及原理，并未有相關(guān)機(jī)構(gòu)內(nèi)容，所以本旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)思路無重合。

圖5現(xiàn)場實(shí)物照片

基于節(jié)約設(shè)備成本的目的，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡單、成本低、能進(jìn)行工裝切換的裝置，滿足不同的工裝夾具上生產(chǎn)線，新的車型投產(chǎn)只需新制工裝而不需要新增生產(chǎn)線，節(jié)約開發(fā)成本，提高線體利用率，為多車型生產(chǎn)提供解決思路，后期新增只需做一小部分整改變動，就達(dá)到滿足使用要求，方便快捷，項(xiàng)目投入周期短，產(chǎn)品回資效益快，在大量的工藝調(diào)整和測試以及反復(fù)優(yōu)化后滿足使用要求5。彌補(bǔ)了多車型生產(chǎn)場地不足、工作站繁多問題，提高了生產(chǎn)效率。解決了汽車車身多車型生產(chǎn)限制于制造工藝的難題。此工裝夾具切換機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)；方便多車型切換，減少車間占地面積，生產(chǎn)效率高；減少人工投入，是工廠提高產(chǎn)能解決車身制造難題的最優(yōu)化選擇。采用自動頂升鎖死的工藝方法及切換平臺是技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，很好地解決了這個問題。

使用轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)系統(tǒng)以來，有效解決了大道多車型共線生產(chǎn)問題，其中焊接問題在影響FAI的FTT問題中占比 5.5% 下降到 1.0% 。

結(jié)語

本轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、方便操作，安全可靠、使用范圍廣的特點(diǎn)。

1）采用自動頂升鎖死的工藝方法，當(dāng)頂升機(jī)構(gòu)的定位銷插進(jìn)工裝，工裝定位完成，再側(cè)推機(jī)構(gòu)伸出支撐工裝夾具，讓頂升機(jī)構(gòu)不受力，確保機(jī)構(gòu)使用壽命更長。

2）自動切換完成后定位銷定位確保工裝的回轉(zhuǎn)精度，位置精度可達(dá) ±0.5mm ，確保焊接穩(wěn)定性。

3）頂升氣缸采用獨(dú)立閥片控制，保證頂升過程中四個氣缸同步動作，防止工裝側(cè)偏。

4）采用傳感器對不同車型的工裝夾具進(jìn)行檢測識別，適應(yīng)能力強(qiáng)，確保切換準(zhǔn)確。

5）保證多種車型產(chǎn)品的合理生產(chǎn)，減少設(shè)備占地面積，節(jié)約廠房空間。

6）減少工作站的投入再開發(fā)生產(chǎn)制造的成本。

7）提高了機(jī)器人設(shè)備效率，保證了工廠產(chǎn)能。

8）轉(zhuǎn)臺切換機(jī)構(gòu)開發(fā)制造成本低，并且同生產(chǎn)線及機(jī)器人設(shè)備聯(lián)動，提高工廠設(shè)備自動化程度，減少操作工降低人工成本。

9）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單便于維護(hù)使用和維護(hù)保養(yǎng)成本低。

近年來，隨著汽車制造工藝水平的不斷提升，門蓋多車型自動焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工焊接或是單一產(chǎn)線焊接形式被許多汽車制造企業(yè)所應(yīng)用。

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