淺談柔性化裝配設(shè)計(jì)與應(yīng)用

柔性化制造技術(shù)要從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開始，因?yàn)槿嵝允窍鄬θ嵝裕淮嬖谌f能的生產(chǎn)設(shè)備。所以柔性化制造技術(shù)對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的平臺化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化要求都十分重要，產(chǎn)品設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮工廠的局限性，這些是柔性化制造技術(shù)的開端和基礎(chǔ)。

參數(shù)化建模及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫

1.參數(shù)化建模

對于柔性化裝配過程中的標(biāo)準(zhǔn)和通用零件(如焊裝夾具定位銷、規(guī)制塊和夾鉗等)，根據(jù)其規(guī)格尺寸建立表格，通過數(shù)字化軟件進(jìn)行參數(shù)化建模(見圖1)，并建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，有效縮減了建模的時(shí)間。

2.應(yīng)用數(shù)據(jù)庫

在數(shù)字化軟件仿真環(huán)境中，通過數(shù)據(jù)接口，調(diào)入建立裝配工位所需的各種CAD模型，如工作臺、產(chǎn)品和工裝夾具等;在數(shù)字化軟件模塊里可以從可查詢的資源目錄中裝載各類裝配資源;通過數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，提高設(shè)計(jì)效率，使裝配零件更具通用化和柔性化。

數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)應(yīng)用

數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)從建立產(chǎn)品的物理模型開始，進(jìn)行裝配模擬、仿真、公差分析、可裝配與拆卸分析以及人機(jī)工程等技術(shù)。

利用CAD工具生成多種可能裝配順序，確定無干涉的零部件裝配路徑，所謂的碰撞與干涉檢查是確定不同零件的空間是否有相同區(qū)域的問題，干涉檢查是指零件在空間中的位置可移動(dòng)的，移動(dòng)過程中發(fā)生位置的變化。

通過計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行干涉仿真、裝配順序仿真和人機(jī)工程等，構(gòu)建完善的裝配工藝。

1.加工過程仿真

零部件加工過程中常遇到因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性、加工可達(dá)性、加工方法以及機(jī)床和工藝參數(shù)的選用等問題而導(dǎo)致的加工缺陷，通過數(shù)字化仿真，可以分析與處理規(guī)避現(xiàn)實(shí)中可能產(chǎn)生的問題。

2.產(chǎn)品裝配仿真

傳統(tǒng)的產(chǎn)品裝配常常在裝配時(shí)才發(fā)現(xiàn)配合性和裝配性等問題，導(dǎo)致零件質(zhì)量出現(xiàn)問題。通過零件的虛擬仿真裝配，可以確保零件的正確裝配，及時(shí)優(yōu)化裝配工序和裝配工裝等。

(1)明確仿真的目標(biāo)對象 在進(jìn)行仿真前，首先確定目標(biāo)，即需要解決的裝配問題。

(2)建立模型及虛擬裝配仿真。

動(dòng)力總成柔性化裝配托盤設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成是整車的核心部件，在整車裝配中占有重要的地位，但是動(dòng)力總成具有重量大、體積大、裝配難和轉(zhuǎn)運(yùn)難等問題。

裝配制造是產(chǎn)品生命制造周期的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要制造過程。在動(dòng)力總成裝配制造中，裝配成本占到總成本的40%，裝配工作占全機(jī)生產(chǎn)工作的一半以上，因此發(fā)動(dòng)機(jī)裝配是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程的龍頭。傳統(tǒng)的裝配設(shè)計(jì)采用2D圖樣、工藝文件、人工裝配和剛性工裝等，使得動(dòng)力總成裝配設(shè)計(jì)受限，剛性強(qiáng)，柔性化程度不高，造成投入成本增高。

1.項(xiàng)目背景介紹

乘用車總裝車間：根據(jù)產(chǎn)品規(guī)劃要求，現(xiàn)有的整車裝配線需要滿足S系列與A系列車型的混線生產(chǎn)，同時(shí)總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)分裝線需要滿足371/372/472三款發(fā)動(dòng)機(jī)總成混線裝配生產(chǎn)，以滿足兩款車型共線排序生產(chǎn)的需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)車間：371/372/472三款發(fā)動(dòng)機(jī)總成不在一條裝配線生產(chǎn)，為滿足總裝車間的混線排序生產(chǎn)的需求，提升發(fā)動(dòng)機(jī)車間的生產(chǎn)效率，371/372/472三款發(fā)動(dòng)機(jī)總成需要實(shí)現(xiàn)共線排序的生產(chǎn)。

物流配送：原有的371/372/472動(dòng)力總成轉(zhuǎn)運(yùn)器具是非通用性器具，總裝發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線邊的物流區(qū)域無法滿足三款發(fā)動(dòng)機(jī)總成的存放，而且制約了混線排序生產(chǎn)效率，易造成停線。發(fā)動(dòng)機(jī)車間由此會增加物流的存放面積及增加物流轉(zhuǎn)運(yùn)壓力。

2.動(dòng)力總成柔性化裝配設(shè)計(jì)

(1)數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)

①產(chǎn)品數(shù)模的區(qū)域分析：通過對三款發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)模進(jìn)行區(qū)域分析，初步確定支撐點(diǎn)位置。產(chǎn)品數(shù)模的區(qū)域分析如圖2所示。

②裝配工序創(chuàng)建及工序數(shù)據(jù)的拆分：利用數(shù)字化軟件對動(dòng)力總成裝配工序進(jìn)行仿真模擬，確定每款發(fā)動(dòng)機(jī)裝配及拆分順序。

③裝配動(dòng)作的三維仿真：利用數(shù)字化軟件對動(dòng)力總成裝配動(dòng)作進(jìn)行仿真模擬，確定每款發(fā)動(dòng)機(jī)裝配動(dòng)作相互間的關(guān)系。

④動(dòng)力總成裝配托盤建模：根據(jù)產(chǎn)品裝配工序、動(dòng)作的分析模擬，建立托盤數(shù)字模型。

⑤動(dòng)力總成與托盤裝配仿真模擬：在發(fā)動(dòng)機(jī)總成裝配過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型差異件較多，零件分布密集，裝配空間相對狹小，因此在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中，極有可能出現(xiàn)工具與靜態(tài)設(shè)備(工件、定位座和夾具等)之間的碰撞或干涉，通過產(chǎn)品數(shù)模與托盤數(shù)模之間的裝配仿真模擬，可以檢測各支撐點(diǎn)是否合理、過程中是否有干涉等。動(dòng)力總成裝配托盤如圖3所示。

⑥確定最終設(shè)計(jì)方案。

(2)工作原理

整體動(dòng)力總成裝配托盤在裝配線線體上輸送旋轉(zhuǎn)，通過三款發(fā)動(dòng)機(jī)SE分析確定公共點(diǎn)，根據(jù)公共點(diǎn)設(shè)計(jì)固定支撐點(diǎn)?？紤]到動(dòng)力總成裝配順序和裝配重心等因素，確定重合支撐點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)活動(dòng)支撐柱、扳倒底座和轉(zhuǎn)動(dòng)銷等設(shè)計(jì)柔性化支撐立柱結(jié)構(gòu)，接著設(shè)計(jì)定位銷，保證發(fā)動(dòng)機(jī)放置的一致性，以及動(dòng)力總成裝配過程中的晃動(dòng)等問題，從而最終滿足三款發(fā)動(dòng)機(jī)的柔性化裝配的目的。改進(jìn)前后的動(dòng)力總成裝配線如圖4所示。

3.動(dòng)力總成轉(zhuǎn)運(yùn)器具設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成轉(zhuǎn)運(yùn)器具(見圖5)裝載的是發(fā)動(dòng)機(jī)車間裝配完成的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成(發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器)，考慮現(xiàn)場物流轉(zhuǎn)運(yùn)方式、物流存放空間和柔性化等因素，器具包括通用框架和托盤(見圖6)。通用框架具有堆垛、柔性化和減少物流存放空間等優(yōu)點(diǎn)。托盤可以拆卸，方便以后的車型切換。

①通過前面動(dòng)力總成裝配托盤的設(shè)計(jì)，確定了三款發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐點(diǎn)位置。

②動(dòng)力總成轉(zhuǎn)運(yùn)器具裝載的是發(fā)動(dòng)機(jī)車間裝配完成的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成(發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器)，在原有的發(fā)動(dòng)機(jī)支撐點(diǎn)位置的基礎(chǔ)上，確定變速器的支撐點(diǎn)位置(通過數(shù)字化模擬仿真確定)。

③確定器具托盤方案后，經(jīng)過三款動(dòng)力總成吊裝模擬、檢查干涉和碰撞等，設(shè)計(jì)導(dǎo)向桿，方便起吊。

④設(shè)計(jì)外框架模型，與托盤和動(dòng)力總成做模擬仿真分析，檢查每款動(dòng)力總成之間是否存在干涉、碰撞及能否實(shí)現(xiàn)混裝。

⑤最終確定設(shè)計(jì)圖

工作原理：考慮到器具的轉(zhuǎn)運(yùn)方式等因素，托盤上的支撐組件不易采用活動(dòng)扳倒結(jié)構(gòu)，必須采用固定結(jié)構(gòu)，保證動(dòng)力總成在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中穩(wěn)固可靠。動(dòng)力總成在吊裝過程中為了方便和保證質(zhì)量，導(dǎo)向桿起到多款不同發(fā)動(dòng)機(jī)在起吊過程中導(dǎo)向限位及員工目視參照的作用，方便動(dòng)力總成落入規(guī)定的支撐點(diǎn)上。發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器支撐單元保證了轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的動(dòng)力總成穩(wěn)定。

焊裝柔性化生產(chǎn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

柔性化焊裝線可以把不同平臺的車型在不同的柔性化焊裝線之間實(shí)現(xiàn)任意調(diào)換，減少銷量需求變化對生產(chǎn)線產(chǎn)能的影響，保證不同生產(chǎn)線之間的產(chǎn)能平衡，提高生產(chǎn)線利用率。

1.工藝規(guī)劃——制定生產(chǎn)線分區(qū)原則

一級總成(主線及下部線)：車身骨架總成和車身下部總成;二級總成(分裝總成大工位)：發(fā)動(dòng)機(jī)艙總成、前地板總成、后地板總成和左右側(cè)圍總成;三級總成(各級分裝小工位)：前縱梁輪罩總成、前擋板總成和后縱梁總成等。焊裝生產(chǎn)線分區(qū)如圖7所示。

2.夾具設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(1)隨行夾具的應(yīng)用

隨行夾具是依據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)管理系統(tǒng)(G-MES)的指令車型結(jié)合設(shè)備PLC控制程序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)用，在相應(yīng)的人工裝件工位設(shè)置有電子顯示屏，通過預(yù)先的編程來顯示裝件車型及狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)人工裝件與隨行夾具切換的匹配。焊接作業(yè)由機(jī)器人自動(dòng)完成，拼接后分總成件再由機(jī)器人抓取通過輸送系統(tǒng)輸送到下道工序。因此，這種柔性方式可實(shí)現(xiàn)任意平臺車型在同一條生產(chǎn)線上按照規(guī)劃預(yù)定的生產(chǎn)模式實(shí)現(xiàn)共線生產(chǎn)。

(2)機(jī)器人拼裝工位應(yīng)用

機(jī)器人拼裝工位的多車型柔性：發(fā)艙總成、前/后地板總成通過空中EMS排序輸送到拼接工位，機(jī)器人切換抓手來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)車型分總成的抓取上件，裝件完畢后機(jī)器人切換焊鉗完成焊接;焊接好的下部總成通過一個(gè)七軸機(jī)器人抓取放置到主線臺車系統(tǒng)中，此七軸機(jī)器人也是通過切換抓手來實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

頂蓋工位：通過定位夾具(抓具與定位夾具一體)的切換，來實(shí)現(xiàn)多車型柔性生產(chǎn)(見圖8)。

(3)門檻總成工位應(yīng)用

門檻總成上件工位：由于門檻總成形狀為細(xì)長條型，我們采用豎向懸掛的自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，多車型柔性生產(chǎn)，可以采用一個(gè)車型對應(yīng)兩個(gè)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)(左右各一個(gè)，圖9為四車型混線)，通過機(jī)器人切換定位抓手的形式來實(shí)現(xiàn)。

焊鉗的柔性化裝配應(yīng)用

1.同一平臺或結(jié)構(gòu)相同的車型，焊鉗選型要在已使用焊鉗的基礎(chǔ)上(焊鉗數(shù)據(jù)庫)進(jìn)行選型，在相同的車身焊點(diǎn)分布位置盡量選用同一型號焊鉗，最大可能地實(shí)現(xiàn)焊鉗型號的標(biāo)準(zhǔn)化，減輕后期管理和備件的壓力，降低成本。

2.在3D數(shù)模中，根據(jù)焊點(diǎn)的具體位置初步確定焊鉗的喉寬和喉深，再從圖庫中初選焊鉗型號，通過三維模擬，判斷是否滿足焊接要求。

3.根據(jù)焊接部位的料厚和強(qiáng)度要求來初步確定焊鉗

參數(shù)。

4.焊鉗選型時(shí)，要注意焊鉗作業(yè)的動(dòng)態(tài)模擬;進(jìn)槍、作業(yè)時(shí)的輔助行程、工作行程是否足夠;焊鉗是否需要轉(zhuǎn)盤等要素。

通過對現(xiàn)場所有車型焊鉗型號的統(tǒng)計(jì)分析，整理出了白車身各結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)各具體焊接區(qū)域的優(yōu)先選用焊鉗型號規(guī)范，這為以后各項(xiàng)目焊鉗選型及型號的規(guī)范化、通用化做了一個(gè)較好的鋪墊。

結(jié)語

現(xiàn)階段的柔性化已從設(shè)備自動(dòng)化的“量優(yōu)化”向“質(zhì)優(yōu)化”轉(zhuǎn)變。柔性化制造是從企業(yè)的長期戰(zhàn)略考慮而產(chǎn)生的一種生產(chǎn)與經(jīng)營決策。通過奇瑞公司此次動(dòng)力總成的柔性化裝配設(shè)計(jì)可以看出，生產(chǎn)柔性化不僅是單一的技術(shù)問題，還涉及到企業(yè)管理的各個(gè)方面，只有將與之相關(guān)的生產(chǎn)、物流、質(zhì)量和成本等系統(tǒng)都考慮在內(nèi)，這個(gè)總的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)才能良好運(yùn)行并發(fā)揮最大的效益。