焊装前后盖高效柔性滚边岛布局设计

罗光盛，邹传利，刘冬

奇瑞商用车（安徽）有限公司 安徽芜湖 241000

汽车白车身的制造中，柔性化与智能化的生产线构建，是当今提高产品竞争力的关键要素之一。焊装门盖件的内外板连接越来越广泛地使用滚边工艺，而传统的内外板压合工艺建设周期长、成本高、切换时间长且柔性差，而且使用传统模具和压机压合时，随着外板的翻边轮廓线角度不同，翻边角度过大的部位以及翻边过渡急剧的区域，压合实物质量相对较差。为提高产品竞争力，缩短车型开发周期，柔性化高、成本较低的机器人滚边技术逐渐应用于焊装门盖件的生产中。

机器人滚边系统构成

机器人滚边系统的组成主要有工业机器人、滚边胎模系统、滚边工具、PLC控制系统及滚边辅助系统等五部分。

滚边机器人按照预定的程序和轨迹控制滚边工具，在规定的滚边压力和时间下完成滚边工艺操作，是滚边工艺执行的主体。滚边机器人一般要求是线性重复精度＜0.2mm，负载200kg及以上，并保证良好的滚边位置和角度可达性。公司某产线滚边系统选用ABB品牌IRB 6700-235/2.65、IRB 6700-200/2.60两种规格机器人。

滚边胎模系统由下胎模和上压模组成。下胎模在机器人滚边工艺过程中用于稳定外板形态的型面支撑的工装，主要构成为胎模型面、胎模架、辅助支撑块及加强筋。胎膜面需要完全随外板型面状态设计，对强度及表面粗糙度有较高的要求，下胎模与外板一般采用孔或型面定位，并在外板布置一定数量的吸盘使其尽可能与下胎模贴合。上压模用于将钣金固定在胎膜上，同时防止在机器人滚边过程中钣金件窜动的定位工装。上压模一般采用连贯式结构，与内板之间采用孔定位，并在胎模周围布置一定数量的压料板，保证滚边作业时零件处于压紧、稳定的状态。

滚边工具一般由1个或1个以上的滚轮及滚边压力装置集成，滚轮由于与工件接触，要承受较大的压力，且与工件有相对运动，因此对滚轮的材质要求较高，要求滚轮具有较高的屈服强度和抗拉强度，耐磨性能好。常用的滚轮有90°轮、45°轮、30°轮、成形轮以及专用轮，一般滚边工具为多角度滚轮集成结构用于不同角度滚压工作。在选用滚轮时需根据零件结构和部位，选用不同规格尺寸的滚轮。

PLC控制系统主要将传感器收集到的各种信号，通过PLC程序控制机器人的运动轨迹、胎模系统的夹紧动作等。辅助系统包括上件台、抓手、光栅及安全围栏等附件，主要辅助完成滚边作业任务，并保证人员操作安全。

柔性化滚边岛的布局设计

机器人滚边系统中，机器人、滚边工具、控制模块及部分辅助系统是共用的，不同零件的切换，胎模系统、上下件台、抓手及滚边程序各不相同，滚边程序的切换易于实现，因此只要滚边胎模、上下件台及抓手可切换即可实现柔性化的生产模式。

柔性切换方式的主要评价维度是多车型、精确性、切换便利性。为达到柔性化要求，滚边下胎模一般通过底座柔性的方式切换，上下件台则通过线下工位切换。滚边上压模和抓手通过机器人切换盘切换，切换盘属于标准设备，可直接安装使用，满足精确便利切换的要求。胎模切换系统，通过平移或转动胎模的位置，实现工作位和存储位的安全隔离，满足不同车型生产需求。

滚边胎模切换的方式有转台和滑台两种。转台常用三面体或四面体结构，通过伺服电动机驱动夹具旋转实现平台/车型切换。其优点为切换速度快、精度高，但因转台上胎模为立体摆放，一般一套胎模最多允许两台机器人同时工作，无法满足高节拍要求；滑台切换是采用伺服电动机带动胎模夹具在轨道上滑移切换车型，应用形式主要有直线、T形及十字形切换滑台，实际应用中一般是多种滑台的组合使用。其优点为胎模平放，可满足多台机器人同时操作，易于实现高节拍，缺点为占地面积加大。

滚边柔性化，除了车型或零件种类柔性化，即完成多种车型零件的滚边，另一方面还需要工艺柔性化，即根据工艺需要，滚边岛可以完成除滚边外的其他工艺，如涂胶、点焊等。以上正是滚边岛设计过程中重点考虑的要素。

应用实例

基于传统的滑台设计，公司探索了一种前后盖柔性滚边岛的布局设计，并运用在某生产线上。已知某滚边工作岛设计输入条件及要求如下。

1）年产能15万台。

2）具备3款SUV车型前盖、后盖柔性共线滚边能力。

3）布局精益。

4）机器人利用率高，投资成本低。

1.布置方式

基于公司产能计算方式：年最大产能=设计JPH×日最大有效工作时间（20.83h，两班）×设备可动率（90%）×295天（每周单休+国家法定节假日），经计算设计JPH为27.1，故设计节拍满足120s即可。根据转台及滑台切换的特点评估，并经仿真确认，转台切换无法满足目标节拍要求，故选用滑台切换方式。结合同时满足三款车型前盖、后盖柔性共线滚边及精益布局的要求，初步形成该滚边岛布置（见图1）。

该设计创新点为结合三车型的切换，采用了“回”字形滑台（见图2）。如图1所示，前盖胎模M1/3/5及后盖胎模M2/4/6分别横向排布，其中M1与M2为前盖、后盖工作位，机器人R2与R3置于工作位之间进行滚边作业，R1与R4分别实施前、后盖的抓件及滚边。将M3与M6之间、M4与M5之间联通后分别设置存储位，达到占地面积小、精益布局的目的。

图1 滚边岛布置示意

图2 回形滑台示意

2.胎模切换系统

胎模切换系统（见图3）为实现柔性化快速切换的主要机构。回形滑台上安装有万向轮、夹紧导向、固定凸轮等装置，使胎模可通过回形滑台四周安装的驱动电动机、插销带动，夹紧导向由气缸、凸轮组及连接机构组成，可通过气缸控制切换滑台在X或Y方向滑行。

图3 胎模切换系统

员工作业时确认胎模是否在相应工位，如不在工位，在控制面板选择所需车型，滑台通过PLC程序自动滑行切换。滑行到位后通过传感器以及机械限位反馈信号，达到多车型胎模快速、精准切换、柔性滚边的目的。

3.上件置台定位机构

根据不同车型上件置台切换所需，设计置台定位机构，如图4所示。其中定位机构框架通过标准地脚板固定在地面上，定位销、两组定位基准块、两组夹紧单元共同确保置台水平两个方向定位精度，保证置台到预定位置后定位稳定；六组滚子机构使置台快速切换，保证置台Z向精度，起到置台承力及切换对中过程中的导向作用；两个缓冲器，在置台切换对中过程起到缓冲撞击作用，另外每种车型对应一个传感器，通过其反馈的上件台车型信息，达到车型防错目的。通过此定位机构，使不同车型的上件置台实现快速柔性化切换，并实现柔性切换、精确定位、机器人易于抓取件的目的。

图4 上件置台定位机构及定位示意

应用此定位机构的优点：柔性化强，布置空间小，可满足多种车型零件上件的切换生产；切换步骤简单，切换效率较高；可扩展性强，如增加车型，只需在机构上增加相应车型识别传感器，投资成本低，实用性强。

4.工艺柔性

基于产品设计和工艺要求，前盖、后盖滚边前需涂胶，前盖滚边定义单边点焊。为满足工艺柔性，新增2套涂胶设备及2台搬运机器人实施涂胶作业，前盖单边点焊则通过取件台集成单边点焊夹具及PLC程序实现自动焊接，人工仅需装件、取件。另外综合考虑物流转运便捷、人员走动少等因素对布局进行优化，形成最终平面布局，如图5所示。

图5 整体作业平面布局

此滚边岛系统设计已成熟应用于公司某生产线，总结其优点如下：

1）柔性化好、占地小，可满足3种车型前盖和后盖切换生产。

2）生产效率高，在120s以内可完成一个前盖和一个后盖两个件的生产。

3）机器人利用率高。仅用4台滚边机器人和2台涂胶机器人，完成高节拍多车型的涂胶、滚边、抓取件工作，人工仅需上件、取件，极大地降低了人工作业强度。

4）新车型投入时改造量小，便于导入车型。

5）投资成本低，适用性强，便于普及应用。

结语

机器人滚边是汽车制造中多项技术融合的一项生产工艺，它有着柔性化高、成形质量稳定和设备投资成本低等优点，尤其是随着车身造型的多元化发展，允许大翻边角度成形的滚边工艺将是车身外观件包边的发展方向和趋势。要想熟练掌握这项技术，工程技术人员必须融合多方面的基础技术，并在实际运用中不断验证总结经验，从而推动整体工艺水平的发展。