白车身主线后轮罩滚边工位高节拍工艺研究

作者:上汽通用汽车有限公司 姜贤茂 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2019-07-15
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上汽通用汽车有限公司 姜贤茂

白车身侧围外板和内板在后轮罩处常用的连接方式主要有焊接、折边和包边三种方式。因为包边的形式能够提供更大的轮胎包络,所以被广泛采用。目前,最常用的包边工艺有传统包边工艺(压机包边、专机包边)和机器人滚压包边等技术。机器人滚压包边是通过安装在机器人臂上滚边头中的滚轮,在滚边胎模的支撑下,沿板件包边形面进行滚压包边的新型内外板连接技术。与传统包边工艺相比,机器人滚边具有三种优点:①设备一次性投入少,维护成本低;②柔性化程度高,适合各种不同JPH的生产要求;③胎模占地面积小。

后轮罩包边的实现通常是通过机器人滚边工艺完成的,机器人带滚头经过3道或4道对侧围外板的滚压,使其产生变形并和内板包在一起。

 

主线后轮罩滚边工作原理

近几年,机器人滚边技术被运用得越来越成熟,其主要应用在后轮罩、天窗车顶和四门两盖。后轮罩和天窗车顶的折边基本上都运用了机器人滚边技术。由于后轮罩滚边需要在侧围外板上料后执行,因此它集成在车身主线工位,节拍要求和主线相同,在高节拍生产线上,此工位的工艺设计也是挑战之一。

滚边原理:侧围外板角度在90°~105°时,轮罩滚边能够三步完成轨迹。第一道轨迹完成45°包边,第二道轨迹完成0°包边,第三道轨迹完成水滴效果,如图1所示。

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传统工艺方案节拍瓶颈分析

传统后轮罩滚边工位工艺流程(图2):白车身进入工位后,一台机器人负责抓取胎膜放置到白车身上,然后机器人脱开胎膜,用固定在其手臂上的滚头滚压轮罩,滚边结束后,机器人抓取胎膜离开白车身,放置到胎膜固定架上,同时白车身进入下一个工位。车型切换时,这台机器人需要切换不同车型的胎膜,节拍分析如表1所示,由此可知节拍可达59 s。

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因此,此工位在切换车型时会有节拍损失,这是导致主线产能瓶颈的主要问题之一。

从节拍分析表来看,机器人动作主要有两部分组成:滚边和切换胎膜。

滚边时间共有36 s,从表中可以看出,机器人放置胎膜和滚边的时间是固定的,因此,优化方向集中在其他的轨迹时间。机器人从滚第一道结束至第二道开始的时间用了3.5 s,第二道结束到第三道开始的时间也用了3.5 s,我们需要分析是否可以优化此时间。

除了滚边时间,剩余的时间是机器人换胎膜的时间。可以看出,由于切换不同车型的胎膜,造成白车身到工位后等待,所以可优化的方向主要是减少切换不同车型的模具所造成的时间损失,因此我们考虑增加一台机器人来辅助切换胎膜或者轮流滚边,通过分析不同方案来研究此工位,优化工艺。
 
 

节拍提升方案分析

1.滚边路径时间优化分析

确定是否可以优化的滚边路径,主要是每次滚边结束后到下一次滚边开始时的轨迹时间,滚边工艺根据滚头的走向分为单向式滚边工艺和往复式滚边工艺,如图3所示。传统工艺是单向式滚边工艺。

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目前国内采用的大部分都是单向式滚边工艺,即每滚完一道边,滚头都需要返回至滚边起点处进行后一道滚边,滚头返回的过程占用了额外的工时。单向式滚边对于车身各区域的滚边都适用,其特点是机器人滚边轨迹和滚边参数调试较为简单,但是滚边效率较低。

往复式后轮罩滚边工艺是对单向式滚边工艺的改进。在滚完一道边后,滚头无须返回,而是继续进行反向滚边,省去了滚头返回的时间,其主要应用于包边线曲率小的零件或区域,如四门两盖的包边。对于后轮罩这种包边线曲率较大的区域,若采用往复式滚边,由于不同方向的滚压会使钣金产生的变形趋势有很大区别,使得滚边轨迹和滚边参数的调试都很困难,但是在高线速要求的情况下,我们必须按往复式滚边方案实施。在质量调试方面,可以通过下述方式改进:利用RobotCAD软件生成精确的滚头运动轨迹,轨迹程序会导入滚边机器人,即离线编程,这样可以保证滚头轨迹的精确度,而滚头运动轨迹精确度是获得合格滚边质量的前提;其次利用有限元分析软件,模拟不同滚边参数条件下钣金的变形状态,并根据模拟结果优化滚边参数。

按往复式滚边方案,机器人在每次滚边结束到下次滚边开始的路径可以优化,从3.5 s减少到1.5 s。按此优化结果,更新节拍之后,总的滚边时间从39 s降到35 s,工位节拍时间从59 s降到55 s,如表2所示。

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2.切换车型时间优化分析

基于滚边路径的优化,进一步分析如何通过优化方案减少切换车型时的节拍损失。由于切换不同车型的胎膜,造成白车身到工位后等待。优化的方向主要是减少切换不同车型模具造成的时间损失,因此考虑增加一台机器人来辅助切换胎膜或轮流滚边。

增加一台机器人之后,单侧有两台机器人,这两台机器人互相配合工作,有两种方案:一种方案是两台机器人串行工作。其中一台专门负责从不同的存储库位搬运不同车型的胎膜到固定的位置,另外一台专门负责从固定的位置抓取胎膜,同时到车身上滚边,这样的好处是切换车型时,滚边机器人永远在最近的固定位置抓取胎膜,使切换时间最短,如图4所示。

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另外一种方案是两台机器人并行工作。两台机器人都能够执行滚边工作,可到达所有胎膜存放的位置,一台机器人在进行当前车型的后轮罩滚边时,另一台机器人已经接收到下一个切换车型的信息,提前去把下一个车型的胎膜抓取起来,等当前工作结束,另外一台机器人已经就位,如图5所示。

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(1)串行方案分析

单侧两台机器人串行布置,在车型切换的情况下,只需机器人A(右侧机器人)负责不同车型滚边,两种车型胎膜放置在中转台上,胎膜切换时间为12~14 s。如有后续新增车型,机器人B(左侧机器人)负责从胎膜放置架到中转台的运输切换工作,机器人A负责不同车型的滚边,在切换胎膜时还能保证有35 s的滚边时间。通过RobotCAD仿真分析,左侧专门负责切换胎膜的机器人能够到达6个胎膜存放的位置,如图6所示。

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因此此方案可实现6种车型柔性生产,机器人编程简单,节省夹具切换时间,预留后续车型能力,机器人操作空间紧凑。其节拍可分解,由表3可知,此工位节拍能达到51 s。

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相比原有方案,总体节拍能够降低4 s,需要继续研究其他方案。与此方案相比,需找到最佳解决办法。

(2)并行方案分析

单侧两台机器人并行布置,方案要求两台机器人都能够执行滚边工作,可到达所有胎膜存放的位置,保证胎膜存放位置有6个,这样一台机器人在进行当前车型的后轮罩滚边时,另外一台机器人已经接收到下一个切换车型的信息,提前在离车身最近的位置把下一个车型的胎膜抓取起来,同时也不与工作机器人互相干涉。待当前机器人滚边结束回位,下一个车型传输到工位时,准备着的这台机器人马上把胎膜贴到白车身上,然后脱开胎膜进行滚边工作。其节拍可分解,如表4所示。经分析可知,在切换车型时,避免了机器人换胎膜时间过长,此工位节拍能达到46 s。

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在两车型相同情况下,机器人A负责车型一,机器人B负责车型二,无胎膜切换,有36 s的滚边时间。未来引入新车型后,在多款车型的情况下,由前一个工位提前给出车型信号,当前闲置机器人切换胎膜做好准备,仍然有36 s滚边时间。通过RobotCAD仿真分析,两台机器人能够到达6个胎膜存放的位置,如图7和图8所示。

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因此此方案可实现6种车型柔性生产,每个机器人可单独生产6种车型。这种并行模式节省了胎膜的切换时间,同时预留后续车型能力,机器人操作空间紧凑。
同时此方案也带来了一些潜在的风险和问题。新增车型后,每个机器人可分别滚边,因此会出现两种状态的零件,导致每台机器人都需要车型编程,PLC编程复杂。
综上分析,应用并行方案,我们可以提升此工位的节拍至45 s。

基于上述分析,我们需要对比串行方案和并行方案的优缺点,选择最佳的方案,对比参考点主要是工位节拍、支持的车型柔性、方案成本、滚边质量控制和维护调试。从工位节拍来看,串行方案节拍为51 s,并行方案节拍能达45 s,在节拍上并行方案有很大的优势。两个方案在车型柔性上都能够支持6种车型的切换,成本基本相同。从质量上考虑,串行方案中负责滚边的机器人是固定的一台机器人,因此滚边的质量稳定性较好,而并行方案中,对于同一个车型,两台机器人都会参与滚边,这样会存在潜在的质量风险,即两台机器人滚边调试的轨迹肯定无法保证完全一致,因此有可能在实施时出现两种滚边状态的零件,而质量控制需花费更多的人力物力,因此从质量的角度来看,选择串行方案更好。从维护调试的角度考虑,两种方案的编程调试都比较复杂,两者相当。具体的优缺点对比如表5所示。

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结论

通过研究传统工艺方案的瓶颈,分析方案优化的突破口、优化的方向和优化滚边的路径,同时增加机器人辅助切换胎膜,减少车型切换带来的节拍损失。轮罩滚边工位采用双机器人滚边,提出串行方案和并行方案,并详细分析其工艺,从节拍、成本、柔性、质量和维护方面对比两种方案的优缺点,为新项目工艺规划提供了很高的参考应用价值。 
 

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