基于精益化的汽車頂蓋無人焊接產線設計

李林 韋俊尤 劉杰

關鍵詞：汽車頂蓋；分拼焊裝；無人化產線；精益化；工位器具；工藝設備

0 引言

隨著汽車制造技術的迅速發展，機器人產線的應用得到了更多的普及。尤其在汽車制造的焊裝車間，大多數汽車生產廠家在焊接、涂膠和搬運等作業時，通常都由機械手完成，提高了企業的生產效率和汽車焊裝的精準度。其過程也做到了無人化生產，但投資成本也比較高。隨著產品多品種、小批量、定制化的生產模式需求越來越迫切，對自動生產線提出了更高的要求，同時也對企業的制造成本提出挑戰。因此，低成本、精益化的無人產線建設也愈發重要[1]。

1 汽車頂蓋分拼焊裝產線的現狀

目前很多汽車制造企業都積極引入智能機器人來提高生產效率[2]，其中焊接生產線大部分都已實現自動化焊接作業。盡管如此，許多分總成生產線依然保留了人工操作加機器人作業的模式，頂蓋分拼就是如此，其焊接產線一般以分總成線的形式布置在主線旁。

1.1 汽車頂蓋分拼焊裝產線簡介

汽車頂蓋分拼產線主要生產汽車白車身的頂蓋總成，其工藝過程包括物料配送、零件抓取、搬運、涂膠、定位、電阻點焊和螺柱焊接等。頂蓋分拼主要有以下2 種工藝形式（圖1）。

一種是在主線直接焊接，即頂蓋橫梁等焊接作業在主線上集成，頂蓋外板以單件的形式配送至主線裝配焊接。

另一種是頂蓋分總成的形式。頂蓋外板以及橫梁在主線外部的單獨產線進行生產，頂蓋外板以及橫梁等物料通過人工拖車從沖壓或者外協件緩沖區拖運至線旁；線旁再由工程操作吊具或者人工拿取吊裝至焊接工裝上進行焊接。焊接后再放至頂蓋分總成料框，由人工推送至主線上線口進行裝配焊接。

1.2 汽車頂蓋分拼產線現狀

目前大多數汽車廠的頂蓋焊接分拼線為模式2，主要為人工配合機器人作業的方式（圖2）。焊接、搬運等工藝過程多由機器人實現，但由于零件的配置種類多、零件形狀尺寸不一等問題，導致其實現自動化需要的設備投入成本較高。所以，頂蓋分拼線物料的轉運、零件的拿取安裝等作業過程仍然需要人工進行操作，導致整個頂蓋分拼產線的人員需求多，產線人工運營成本居高不下。同時，人工涂膠和焊接容易出現零件錯漏裝、漏涂膠以及涂膠位置偏移等質量問題，對產品質量的一致性存在較大的影響。由于存在以上各種復雜的情況，頂蓋生產過程全場景實現無人化生產區需要克服許多難題。

2 汽車頂蓋分拼產線實現無人化的阻礙

2.1 建設頂蓋無人產線投資成本高

頂蓋分拼作為白車身的一個分總成線，通常布置在主線主拼線附近的位置，由于場地的限制，一般要求3 ～ 4 個工位即完成所有的作業。如果按常規全部實現無人化生產線，其工作場地面積需要占到2 倍的產線布置面積。同時由于頂蓋橫梁、行李支架和螺柱焊銷釘等零件的數量較多，裝件、涂膠、焊接和搬運等往往需要5 ～ 6 個拼臺才能完成全部工序，對于機器人的需求數量也會在10 臺以上。這對于整個產線需要配套的集成規模也越來越龐大，導致整個產線投資成本高，產線的投資回報率較低。

2.2 零件品種多，柔性難度大

頂蓋分拼產線往往需要柔性生產4 ～ 5 種車型，每種車型的頂蓋配置一般有2 ～ 3 種，組合下來每條線至少需要滿足8 種以上的頂蓋分總成柔性生產，柔性能力要求高。同時，每種車型有4 ～ 7 種橫梁，需要柔性的橫梁數量至少有30 種，而且每種零件的尺寸、定位銷孔的間距以及高度差都不一致。橫梁布置有涂膠凹槽，造型凹槽面開設有安裝孔，抓取的同時進行涂膠。另外，零件抓取面小，通過常規的柔性抓手采用夾具以及電磁吸盤或氣動小吸盤，都很難滿足其功能需求。這要求零件的抓取和定位系統能夠隨時調整，進行零件定位的切換[3]，需要開發有不同的定位工裝和抓取裝置，切換時間長，投資成本高。

2.3 零件數量多，工藝布置高度集中

在頂蓋分拼產線中，需要在一個9 m2 左右工位上完成7 根橫梁的安裝、涂膠和焊接。由于橫梁尺寸定位不一致，每次只能安裝1 根橫梁，加上機器人的占位空間較大，左右兩側機器人存在干涉無法同時安裝零件，導致整個產線的裝件節拍和空間都存在較大的浪費。同時，零件在料框中無規則擺放，機器人從料框中無法直接取料，需要每個零件單獨開發專用的精準料框，零件的包裝數量減少，料框占據空間大，運輸成本和投資成本都會增加。

3 無人化汽車頂蓋焊接產線的設計

針對傳統生產線存在的問題，在充分考慮產品制造質量穩定可靠以及最低投資成本的基礎上，本研究結合企業車間特征，先對產線進行精益化的改造，再通過線體仿真技術進行產線的可行性分析以及時序分析[4]，從而設計出能夠實現多品種產線柔性生產并具備45JPH 的產品輸出能力的焊接產線。

3.1 精益化設計，降低產線成本

3.1.1 產線機器人線平衡分析

按照頂蓋的工藝流程進行產線設計，初始無人線體設計為直線型（圖3），從頂蓋外板零件上件到下線裝框共需要布置11 臺機器人。對機器人的線平衡進行統計分析可以得出（圖4），整線機器人的線平衡率低，機器人利用率只有70% 左右。尤其是4臺搬運機器人和螺柱焊機器人，其周期時間（Cycle Time）只利用到了線速時間的50%，存在極大的浪費。

3.1.2 U 字形無人線體設計

通過對線體布局的變更優化，將原來的布局方案進行優化[5]，采用U 字型的布局方式（圖5 ），將工藝操作相同的機器人盡可能地整合，并參照沖壓端拾器的抓取方式，設計一種輕便的通用型抓手。抓手的質量減輕至50 kg 以下，既可以抓取外板，又可以抓取工序件，用單臺210 kg 機器人即可滿足搬運需求。同時，將多種工藝進行改造并兼容集成到單臺機器人上，如頂蓋總成搬運下線集成至螺柱焊機器人上。通過上述設計，可節約3 臺機器人的投入，機器人整體利用率提升至90%，整體產線成本可節約20%。

3.1.3 工位器具與工藝設備柔性化設計

對于無人化產線來說，工位器具和工藝設備也需具備較高的柔性，主要是由于設備切換會導致節拍損失，同時柔性化程度低還會增加產線的投資成本，所以在產線設計時需要同步考慮。為此，本方案采用堆垛的方式來設計自動導引運輸車（AGV，Automated Guided Vehicle）的輸送托架，能夠最大限度保證沖壓料框的兼容性，減少因生產多車型頂蓋需要切換托架而帶來的工作，以及降低料架的開發成本。而且，本方案采用電磁吸盤替代換槍盤結構，并對涂膠膠槍進行改造實現膠槍的柔性切換。

柔性焊接是產線設計的基礎，本方案采用SGMW-220 工業機器人和新型結構的柔性焊鉗組成。新焊鉗結構采用X 型異型槍設置，結構機器人仿真姿態確認可達性，由一把焊鉗實現窄空間內Z 方向和X 方向的焊接，縮短頂蓋焊接橫梁邊以及小天窗邊需要的焊鉗切換時間，提升產線的運行效率。

考慮零件從料框到生產線過程中零件數量多和形狀差異大的問題，整個產線的柔性抓取和定位的設計方案由機器人、柔性料架、柔性定位裝置、柔性分揀機構、柔性定位拼臺、多自由度的柔性抓手以及視覺糾偏技術等組成，實現了頂蓋外板以及頂蓋橫梁、天窗加強框等零件的自動取件。方案采用伺服定位加卡爪結構形式設計開發的柔性分揀和抓手，從橫梁側面進行零件抓取，再通過伺服系統根據產品尺寸定位的需求控制各軸滑移至不同的位置，可實現7 根不同橫梁的同時抓取并定位，且能夠滿足不同車型柔性自動切換，減少線體定位工裝和機器人的開發成本30%。

3.2 無人產線增加新技術以及新設備投入

通過上述設計，依靠傳統的機器人以及工藝設備實現了產線的自動化和柔性化，但無法實現全過程的無人化。為了使物料實現自動拆垛和配送，必須采用無人叉車和移動機器人AGV 來替代現有的人工作業，實現物料輸送的無人化。無人叉車和AGV 基于激光雷達跟蹤定位配合產線的控制系統，能夠24 h 運行，降低了產線運營的人工成本。同時無人產線的生產需求以及生產信息的采集需要應用一套數字化的系統來完成生產任務的調度和反饋，系統由無人叉車、移動機器人AGV、焊接機器人、搬運機器人、協作機器人、螺柱焊接機器人、柔性機構、柔性工裝、視覺和數字化系統等多設備交互組成，采用AB PLC 組網進行多設備統一調配。

無人產線的產品質量檢測主要依靠新的視覺技術，通過平面相機識別尾部的特征來識別頂蓋與抓手的相對位置，從而實現位置糾偏和車型防錯。新視覺技術通過3D 結構光的視覺相機搭配視覺識別算法，實現零件位置糾偏以及零件配置、涂膠質量檢查，實現100% 的質量檢測，確保產品質量的一致性。

3.3 無人汽車頂蓋焊接產線整體布局方案

通過上述分析和設計，最終確定無人化頂蓋分拼焊裝產線的技術方案（圖6）。整個工藝流程為：通過無人叉車從物料備貨區取物料后，在物料裝件位裝到集成了柔性托盤及料架的物料轉運AGV 上，通過數字化系統將物料配送到分總成的柔性上料位。集成了柔性抓手的頂蓋外板轉運機器人將物料從柔性料框上進行取件，放置到柔性定位工裝上。

柔性分揀機構實現不同車型多個零件的自動取件，并放置到柔性涂膠臺上，然后由集成低成本柔性膠槍及視覺糾偏的協作機器人進行涂膠。涂膠完成后，由集成了多自由度柔性抓手的搬運機器人將零件搬運到柔性定位工裝上，完成所有零件的安裝后，由集成了新型柔性結構焊鉗的焊接機器人實現了窄空間內X 向和Z 向的不同結構焊點的焊接。

集成了螺柱焊接及分總成下件的機器人將零件搬運到下一個工位的柔性定位工裝進行螺柱焊接后，再進行分總成下件、堆垛和裝框，然后由集成了柔性托盤及料架的分總成轉運AGV 將分總成物料轉運到分總成的柔性上料位，零件進入下一個區域進行生產。該新型無人化柔性生產技術方案從物料備貨區到分總成再到主線，從物料轉運、上件、涂膠和焊接都實現了無人化生產。

3.4 汽車頂蓋無人化產線的經濟效益

汽車頂蓋無人化產線實現了從沖壓外板到總成上線的全過程無人化場景，實現工業機器人焊接和搬運，以及機器人涂膠和AGV 配送等多類別機器人的協同作業。通過對產線的精益化改進，線體總布置6 臺工業機器人、2 臺協作機器人、4 臺AGV和1 臺無人叉車，產線投資成本降低30%，實現12 個操作崗位的全部自動化作業，投資回報周期在2 年以內，具有較高的社會經濟效益。

4 結束語

本研究為汽車制造廠在建設無人產線時提供一種新的方式。在進行無人化產線建設前，先對整個線體做精益化的改造提升，最大限度地減少產線的投資成本。同時，積極開發或者采用新的技術以及新的智能裝備，如伺服抓手、視覺、無人叉車和協作機器人等來突破制造的瓶頸。在未來多品種、小批量的柔性生產方式需求下，焊接產線的精益化和無人化將成為我們突破無人化工廠、實現智能制造的兩個方向：既要實現產線的無人化，也需要考慮產線的精益化。只有這樣，無人化產線才能夠得到真正的推廣。