何 舟

（愛孚迪（上海）制造系統(tǒng)工程有限公司，上海201805）

1 焊接工裝設(shè)備系統(tǒng)柔性化設(shè)計

從焊接工裝設(shè)備的機械設(shè)計上來說，廠房大小、生產(chǎn)規(guī)劃布局和生產(chǎn)工藝的需求一旦確定，相關(guān)生產(chǎn)線的各工位空間就已經(jīng)被限制，設(shè)計工程師需通過平面或立體上對工裝設(shè)備系統(tǒng)進行設(shè)計，以滿足柔性生產(chǎn)要求[1]。

以下設(shè)定一個待焊接后成為總成件的工位為例，為便于后續(xù)說明，先將相關(guān)條件羅列如下：將工件的空間坐標按X、Y、Z軸定義，其中X軸和Y軸平行于廠房的地平面（地平面在此被定義為廠房最低點，廠房所有設(shè)備均直接或間接落位在此之上），Z軸垂直于XY平面，代表了高度方向。該生產(chǎn)線能滿足多種同類型工藝工件進行柔性生產(chǎn)，這些工件均能定義同一個零位坐標，在此定義下上述所有工件停在生產(chǎn)線每一個工位時均能零位重合。在上述零位定義的前提下，假設(shè)工件物流方向朝X軸負向傳輸，即X負方向為前端，X正方向為后端。工件的左右端則按Y軸方向負正定義（圖1）?？臻g中垂直于廠房地平面朝向廠房頂部定義為Z軸正方向，即高端；反之，Z軸負方向為低端（圖2）。

圖1 生產(chǎn)線空間坐標XY平面示意

圖2 生產(chǎn)線空間坐標XZ平面示意

該工件的底架已在前序的工位焊接完成，在總成件焊接工位（后續(xù)簡稱為“總拼工位”）的前一上件工位，在左右端及高端預(yù)先上好總成件的零件，最后在總拼工位上通過各類夾具工裝在左右、高端方向上對總成件進行定位。該工位的夾具工裝數(shù)根據(jù)工件類型的數(shù)量進行匹配，在生產(chǎn)線的物流線體過件時均需與其保持安全距離，由此可知，該總拼工位還需布置與這些夾具工裝相關(guān)的傳輸設(shè)備系統(tǒng)、存儲設(shè)備系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)。這些設(shè)備系統(tǒng)、夾具工裝以及其他各類如能源系統(tǒng)構(gòu)成了該總拼工位上的柔性制造系統(tǒng)。

針對上述前提條件，以下對幾種典型的柔性焊接工裝設(shè)備系統(tǒng)進行說明。

1.1 滑移模塊式柔性系統(tǒng)

在此設(shè)計中，夾具工裝被分為左右兩端，能將工件對半在左高端和右高端方向定位夾緊。每套夾具工裝通過布置在生產(chǎn)線物流線體左右兩端的各類傳輸設(shè)備（設(shè)備可以定義為滾床、橫移機或各類運輸機等）進行X和Y向的切換移動。每套夾具工裝的工作位置即為工裝夾緊對應(yīng)工件并進行焊接的位置，由于工件的X向為物流方向，故其Y向位置不可移動，夾具工裝需通過靠近工件兩端的傳輸設(shè)備進行Y方向的進出工作，運輸設(shè)備將工裝送入工作位置，并通過事先裝有與工裝端匹配的能源接口控制工裝上夾具的打開及閉合狀態(tài)。傳輸設(shè)備將工裝的Y向從工作位置移出后所停放的位置（后續(xù)稱為“等待位置”）保證了物流線體上工件的通過性。每側(cè)等待位置的對應(yīng)側(cè)（如左端等待位置的左側(cè)）布置了相應(yīng)的焊接和系統(tǒng)內(nèi)部分功能設(shè)備。

為了使每套夾具工裝能夠柔性地切換，須將各類傳輸設(shè)備進行合理的布置，形成循環(huán)的系統(tǒng)，為了方便后續(xù)說明，以左端循環(huán)系統(tǒng)為例展開描述。

等待位置傳輸設(shè)備的前后端各布置一臺定義為“待命位置”的傳輸設(shè)備，在前端待命位置上停放了不同于當前工件A（其對應(yīng)的工裝稱為“工裝A”，其余工件與其對應(yīng)的工裝也如此定義）的工件B的工裝B，當工件A焊接結(jié)束后，工裝A從工作位置退到等待位置，在工件A傳送至下一個工位和工件B傳送至總拼工位的過程中，前端待命位置和等待位置的傳輸設(shè)備同步聯(lián)動，使工裝A傳送至后端待命位置，工裝B傳送至等待位置，完成了切換。

假設(shè)下一來件為工件C，此時循環(huán)系統(tǒng)需要在工裝B于工作位置完成焊接定位作業(yè)后、退至等待位置前通過傳輸設(shè)備將工裝C運送至前端待命位置，且為了保證X向的待命位置和等待位置切換，工裝A需要提前從后端待命位置朝左側(cè)移出。由此可知，在前后端的待命位置的左側(cè)均有傳輸設(shè)備（后續(xù)稱為“預(yù)備傳輸設(shè)備組”）。

當后續(xù)需要切換的工裝越來越多時，需要在前后端待命位置的預(yù)備傳輸設(shè)備組進行適當延長，且柔性切換代表了隨機切換的含義，為了防止堆垛而導(dǎo)致生產(chǎn)線待機時間過長的情況，須在前后端預(yù)備傳輸設(shè)備組的對應(yīng)側(cè)（如前端預(yù)備傳輸設(shè)備的前端）設(shè)置相應(yīng)的存儲位置，且這些存儲位置能滿足該工位中所有工裝隨機停放的需求。為了保證柔性循環(huán)切換，前后端預(yù)備傳輸組的尾端之間也須設(shè)有帶X向傳輸設(shè)備的存儲位置，以此形成封閉循環(huán)回路。

1.2 滑移及旋轉(zhuǎn)模塊組合式柔性系統(tǒng)

此類系統(tǒng)的焊接工裝功能、工裝設(shè)備系統(tǒng)的工作位置、等待位置和X向前后端待命位置與1.1小節(jié)所定義的一致。但對于1.1小節(jié)所描述的工裝設(shè)備系統(tǒng)來說，其夾具工裝的運送性質(zhì)更類似于托盤輸送，因此需在該類夾具工裝底部設(shè)計與滾床配合的組件，使其能夠在系統(tǒng)的傳輸設(shè)備上進行各位置間的進出動作。本小節(jié)的夾具工裝、傳輸設(shè)備和存儲設(shè)備進行了優(yōu)化。首先驅(qū)使夾具工裝的傳輸設(shè)備變?yōu)榱司哂蠿、Y向傳輸功能，即此類傳輸設(shè)備（后續(xù)稱為“X、Y向移載設(shè)備”）分為了X向及Y向兩層移載設(shè)備（后續(xù)分別簡稱為“X向移載設(shè)備”和“Y向移載設(shè)備”）。X向移載設(shè)備的功能是在等待位置和待命位置上進行切換，該移載設(shè)備具有獨立的電機，因此1.1小節(jié)中等待位置和待命位置上的傳輸設(shè)備可轉(zhuǎn)換為僅帶有導(dǎo)軌齒條及其他輔助功能的X向固定基座，X向移載設(shè)備通過其電機帶動與X向固定基座的齒條配合的齒輪轉(zhuǎn)動，通過滾輪實現(xiàn)在X向上的傳輸功能。Y向移載設(shè)備同樣具有獨立的電機，當X向移載設(shè)備處于等待位置時，Y向移載設(shè)備通過電機帶動與安裝在X向移載設(shè)備的齒條配合轉(zhuǎn)動，通過滾輪與X向移載設(shè)備上的導(dǎo)軌配合使夾具工裝在Y向上的工作位置和等待位置之間往復(fù)運動。

為了方便后續(xù)說明，以左端循環(huán)系統(tǒng)為例展開描述。

假設(shè)當前工位在對工件A作業(yè)，下一來件為工件B時，為了能夠柔性切換，每套X向固定基座上須配備兩套X、Y向移載設(shè)備（后續(xù)按前后端定義為“X、Y向移載設(shè)備1和2”），X、Y向移載設(shè)備1和2的X向僅在各自端待命位置和等待位置上移動。假設(shè)工件A焊接后Y向移載設(shè)備1將工裝A從工作位置傳輸?shù)降却恢?，X、Y向移載設(shè)備1和2沿X向聯(lián)動，將工裝A傳輸?shù)角岸舜恢煤凸ぱbB傳輸?shù)降却恢?，完成切換。

假設(shè)下一來件為工件C，此時需要在前后端待命位置的左側(cè)分別設(shè)置存儲設(shè)備（后續(xù)按前后端定義為“存儲設(shè)備1和2”），兩個存儲設(shè)備須具有多面存儲功能（如設(shè)計為轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)鼓等形式）且每個面均可隨機接收所有工裝。假設(shè)工裝C在存儲設(shè)備2上時，存儲設(shè)備1將空位面和存儲設(shè)備2將工裝C面面向前后端待命位置（后續(xù)將此類面定義為“前后端存儲位置”）。Y向移載設(shè)備2須將工裝B送至工作位置后再空載返回等待位置（可見在工作位置須設(shè)計一固定工裝B的設(shè)備，且在任意一Y向移載設(shè)備與其連接前為其提供能源裝置）。在通過系統(tǒng)信號反饋下一來件信息的工裝A沿左側(cè)傳送至存儲設(shè)備1的前端存儲位置上后滑回待命位置上，然后存儲設(shè)備1將其余空位面轉(zhuǎn)動面向前端待命位置?？蛰d的X、Y向移載設(shè)備X方向上聯(lián)動，X、Y向移載設(shè)備1駛?cè)氲却恢煤螅琘向移載設(shè)備1駛?cè)牍ぷ魑恢眠B接工裝B。X、Y向移載設(shè)備2駛?cè)牒蠖舜恢煤?，Y向移載設(shè)備2駛?cè)氪鎯ξ恢眠B接工裝C并駛?cè)氪?，此時須保證X、Y向移載設(shè)備1尚未完成將焊接好的工裝B傳送至等待位置，以保證下一來件傳入總拼工位時能順利完成切換。

通過本節(jié)對柔性工裝系統(tǒng)的描述可以看出，該系統(tǒng)的移載設(shè)備比1.1小節(jié)的少了許多，故能源類組件也相對減少許多，且相對投入的設(shè)備少，物流循環(huán)邏輯簡單明了，工裝也無需設(shè)計成托盤形式，僅設(shè)計與工作位置固定工裝和Y向移載設(shè)備的接口零件即可。兩個系統(tǒng)在同等多工件類型數(shù)量上的占地面積相比，本節(jié)的柔性系統(tǒng)更占優(yōu)勢。

2 工裝的輕量化設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)鋼材焊接工裝

傳統(tǒng)工裝中所使用的鋼材焊接工裝居多。對于柔性制造及生產(chǎn)節(jié)拍要求高的制造車間來說，在保證產(chǎn)品焊接后的穩(wěn)定狀態(tài)，確保載有工裝的移載設(shè)備的強度、重復(fù)精度及安全性，保證焊接時工裝的穩(wěn)定性等高要求和有限的生產(chǎn)線空間影響下，需要耗費更多的基礎(chǔ)機械設(shè)計周期、使用更多的高強度材料，甚至需要更多的輔助設(shè)備才能滿足相關(guān)的設(shè)計要求，從而導(dǎo)致在項目規(guī)劃中設(shè)計周期長、工裝中的非標產(chǎn)品種類繁雜、采購?fù)獠繕藴始姆N類多且不定因素增加，后期安裝調(diào)試難度增加等，這些因素將直接或間接增加項目成本及耗費過多的資源，實施的過程可能會因出現(xiàn)各種困難使項目周期變長，影響利潤，在生產(chǎn)線的建立、生產(chǎn)線后期維修維護和工裝設(shè)備管理等方面都會增加難度，甚至影響線體復(fù)工的進度。

2.2 鋁材焊接工裝

目前某些制造工廠在保持工裝的穩(wěn)定性及強度的前提下，使用鋁型材組成相關(guān)的工裝底架（例如普通鋁型材框架及特殊八角、圓鋁合金管[2]等）。通過采用經(jīng)特殊材料配比及結(jié)構(gòu)制造的鋁型材或鋁合金做成的工裝設(shè)備同樣實現(xiàn)了大部分鋼材工裝設(shè)備所需達到的功能，甚至在某些方面更優(yōu)于傳統(tǒng)的工裝設(shè)備，例如在某些特殊焊接工藝中，鋁的抗磁性使得該類工裝中可相對少用甚至免用傳統(tǒng)工裝中的抗磁裝置。且鋁材和鋼材的密度分別為2.7 g/cm3和7.85 g/cm3，鋁材比鋼材的密度小了約66%，在柔性化的制造車間中，尤其是針對因工藝需求需要在生產(chǎn)線上相對空間移動的設(shè)備來說，傳統(tǒng)的大型復(fù)雜笨重的各類工裝移載系統(tǒng)均因工裝的重量變小，可使其在保證原有功能的基礎(chǔ)上設(shè)計更為簡化或直接通過機器人進行移載動作，這樣能使生產(chǎn)線上的工藝更為簡單直觀，生產(chǎn)線的大小可適度壓縮，移載設(shè)備標準化程度變高，調(diào)試安裝難度變小，相對地，相關(guān)項目的設(shè)計周期縮短及難度變小，標準化零件更為統(tǒng)一等，使得項目成本大大降低。

2.3 碳纖維焊接工裝

針對生產(chǎn)線上某些空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工藝需求高的工件來說，雖然上述的鋁材工裝亦可滿足輕量化的要求，但其不可避免地會使生產(chǎn)線上某些相關(guān)工位中工裝的移載設(shè)備及存儲設(shè)備與一般工位中的不統(tǒng)一（例如僅在特殊工位使用了更大的轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)鼓或大型號的機器人等），為了保證備件更為標準化和統(tǒng)一化，國內(nèi)外某些制造商使用了碳纖維工裝來解決這一難題。雖然在項目前期因碳纖維工裝的特殊制造工藝使得成本較大，但其在項目過程和后期所帶來的生產(chǎn)效益是顯而易見的。碳纖維工裝可使用更薄的鋼材或鋁材作為本體，相比為了保持強度往往需要更多的型材制成封閉體的傳統(tǒng)鋼材及鋁材框架來說，在傳統(tǒng)意義上強度不足的例如懸臂等結(jié)構(gòu)，均能通過對工裝本體覆蓋一定比例的碳纖維使得框架及其懸臂等獲得所需或更高的強度，簡化了工裝在結(jié)構(gòu)及空間上的設(shè)計，工裝在保證穩(wěn)定性及強度的條件下可更加輕盈，從而使生產(chǎn)線上移載設(shè)備的種類更為精簡，備件更為簡潔方便。

3 結(jié)語

焊接工裝設(shè)備系統(tǒng)柔性化根據(jù)生產(chǎn)線前期的規(guī)劃布局采用適合的工裝設(shè)備，通過對相關(guān)傳送設(shè)備和存儲設(shè)備的布置和應(yīng)用保證工裝切換不影響生產(chǎn)節(jié)拍，系統(tǒng)中同類設(shè)備設(shè)計的標準化和通用化使得現(xiàn)場安裝調(diào)試與后期維修維護工作統(tǒng)一簡潔。工裝的輕量化根據(jù)生產(chǎn)線工位的難易程度合理選用相關(guān)材料，在保證每個工位滿足工藝質(zhì)量需求的同時最大化地節(jié)約項目成本。焊接工裝設(shè)備系統(tǒng)柔性化和工裝輕量化的設(shè)計是相輔相成的，當兩者均按照合理的匹配投入，能縮減項目各環(huán)節(jié)的投入周期，優(yōu)化各類設(shè)計流程，使設(shè)備的備件清單更簡潔，簡化調(diào)試、安裝、維修及維護的工作方式，使得生產(chǎn)線后續(xù)規(guī)劃及擴容更加容易，空間運用更為科學(xué)合理。