1、卡车驾驶室混流焊装线工艺设计张海宏 周三山摘要 本文主要阐述了东风新品与老款 D310 两个完全不同系列 3 个品种白车身混流焊装线工艺设计过程，从产品装焊工艺分析、产品混流生产工艺性优化及争对混流设计中遇到的难题，提出了具有的解决对策，达到了预期的效果，本文对同行业具有很强的借鉴意义。关键词 混流焊装线、产品混流优化、装焊工艺设计0 前言2009 年以来，汽车产业复兴，整个市场处于供不应求的旺销局势。尤其是东风公司D310 系列车型备受市场亲睐，但是由于焊装为专线生产，焊装生产能力严重不能满足市场所需。另外，为提升公司形象，拓展市场，2014 年规划引入新品旗舰车型。为生产出高品质产品、工艺
2、先进、设备稳定、降低投资与后续发展的需要，进过反复的方案设计、研究与对比，确定建设一条新品高顶、D310 高顶与 D310 标顶两个系列 3 种车型的驾驶室混流焊装线。为满足混流生产的需要生产出高品质的驾驶室，工艺设计人员在总结 D310、D530项目经验的基础上，引入同步工程技术，参与新品产品设计整个过程，对新品产品进行工艺优化。另外，参考 D310、D530 焊装线设计经验与 OEE 数据统计，对影响产品质量与设备稳定的部分进行防再发处理。通过多个有效的措施，圆满的完成了新品/D310 驾驶室混流焊装线设计工作，产品质量与设备稳定性较 D310 焊装线有了较大提升， 达到了预期目的。1 工
3、艺设计条件确定1.1 根据商品企划结合 D310 生产现状，确定混流焊装线生产品种为新品高顶、D310 高顶、D310 标顶 3 种车型，生产能力为 6.5 万辆/年。1.2 根据边界条件与生产能力确定，生产线节拍为 3.04 分钟/台；1.3 根据焊装车间情况确定，生产厂地为驾一、驾二、驾三车间，面积 8880 平米。1.4 生产方式：任意混流生产。2 混流产品工艺性分析2.1 产品描述D310 为现生产车型，该车型为与日产柴联合设计，属于日系车型，采用板式结构；新品车型为东风公司自主研发旗舰车型，标杆为奔驰 BENZ 车型，属于欧系车型，采用框架结构 2.1.1 产品外形及分块形式见图 1
4、：新品高顶双卧型驾驶室外形图D310高顶双卧型驾驶室外形图D310标准型驾驶室外形图 1 混流生产 3 种车型外观图21.2 驾驶室外形尺寸及特征表 1 驾驶室外形尺寸及特征车型 长 mm 宽 mm 高 mm 质量 kg 产品特征D310 标准型 约 2030 约 2415 约 1995 约 285 左/右侧窗、顶盖天窗选装，后窗必装D310 高顶型 约 2230 约 2415 约 2550 约 350 左/右侧窗选装、顶盖天窗、后窗必装新品高顶型 约 2230 约 2490 约 2335 约 405 左/右侧窗选装、后窗选装、顶盖天窗必装2.2 产品焊接工艺性优化D310 系列车型为现生产车
5、型，产品已定型。新品为新开发车型，产品结构为梁式结构，初步构想阶段分块形式与雷诺高顶双卧驾驶室分块形式相同，且地板为平地板形式，两种车型差异太大。产品分块形式统一、底部定位可柔性化是能否混流生产的关键。我厂与中心设计人员在产品开发前期，应用同步工程技术，焊接工艺设计人员根据混流线设计的需要，提出新品全新的分块形式，并对产品定位孔进行确定，再与冲压工艺、模具设计、夹具设计及产品设计人员进行反复磨合优化，使最终的新品产品满足混流生产需求，降低工装设计难度及投资额度。2.2.1 混流产品分块形式统一新品高顶驾驶室构想阶段分块形式与法国雷诺高顶双卧驾驶室相同，分为地板焊接总成、左/右侧围总成、后围总成
6、、顶盖总成与左/右车门总成总计 7 大块，上件顺序为地板焊接总成左/右侧围总成顶盖总成后围总成左/右车门总成。而 D310 高顶驾驶室分块形式为地板焊接总成、左/右侧围总成、后围总成、前顶盖总成、中顶盖总成、后顶盖总成与左/右车门总成总计 9 大块，上件顺序为地板焊接总成左/右侧围总成后围总成前/后顶盖总成中顶盖总成左/右车门总成。我们在保留新品产品结构的基础上，对其分块形式进行重新划分，满足两种车型混流生产的要求，降低总装线的装焊工作量与投资额度，3 个车型顶盖装焊实现混流生产。优化后的新品高顶驾驶室分块形式及 D310 标顶、高顶驾驶室分块形式见图 2.D310 标顶爆炸图 D310 高顶
7、爆炸图 新品高顶爆炸图图 2 三个车型分块形式图2.2.2 新品底部定位确定由图 3、4 看以看出新品与 D310 纵梁开度、高差、深度完全不同，为满足混流生产需要，降低工装设计难度，工艺设计人员需要对产品进行详细把握，根据工装设计需要确定产品定位。主要优化内容为：1、前部定位 Z 向均为纵梁翻边 Z=0 面，X 向由于产品结构原因不能更改，我们需要将 Y 向统一；2、后部定位由于差别太大，必须做独立部装，新品后部定位要与 D310 避让，避免工装干涉。优化后的底部定位见图 5.ZY新品高顶 D310 标顶D310 高顶图 3 D310 标车/D310 高车/新品高车纵梁差异图2.2.3 顶盖
8、部分连接方式统一经过无数次的优化，在满足产品造型与结构强度，满足冲压工艺性与装焊工艺性，满足模具与夹具制造要求基础上，确定了高顶前顶盖、中顶盖、后顶盖、左/右侧顶盖及 9 个顶盖加强梁的搭接边位置与尺寸，为了满足顶盖焊接且考虑天窗成本因素，保留了中顶盖天窗洞口，并确定了天窗洞口尺寸。详见图 4。D310高顶双卧分体顶盖设计图 新品高顶双卧分体顶盖设计图图 4 D310 高顶与新品高顶顶盖连接形式示意图2.2.4 中顶总成装配方式统一为满足新品高顶与 D310 高顶中顶混流生产需要，在满足产品结构强度要求的基础上，对中顶盖总成进行优化，将新品中顶盖总成装配采用自定位方式与 D310 中顶盖总成定
9、位方式相同，即中顶盖总成左前角与右后角各焊接 1 个 M8 凸焊螺栓，在左/右侧顶盖加强梁上相应增加 2 个定位孔（1 个圆孔，1 个长孔） 。只需采用 1 套自动上线装置，中顶盖总成吊具与预装夹具柔性化设计，满足 D310 中顶盖总成与新品中顶盖总成输送要求，将中顶盖总成自动输送到驾驶室上空即可，操作工人进入到驾驶室内，人工装配 M8 螺母与 M8 螺栓。取消了复杂的定位夹具，降低了焊装线的投资。3 新品/D310 驾驶室混流焊装线工艺设计3.1 地板线工艺内容及平面布置由产品描述可以看出，新品与 D310 产品零件完全不同。D310 为现生产车型，地板总成由 15 个零件在 3 个工位装配
10、完成，夹具定位加紧点多结构复杂；新品地板总成由 4 个零件组成，两个系列 3 个品种地板总成的装配夹具难以共用，因为 a、产品差异大，夹具设计复杂；b、夹具复杂影响人工操作性；c、节拍难以保证。因此我们将地板总成装配工位设计为专用工位，机器人补焊工位及人工补焊工位设计为共用工位,总计 8 个工位。3.1.1 地板线平面布置见图 5:图 5 新品/D310 驾驶室混流焊装线地板线工艺布置图3.1.2 总装线工艺内容及平面布置通过产品结构分析，新品和 D310 侧围、后围结构及型面完全不同，尺寸相差很多，如在采用现有 COMAU OPEN-GATE 同一个工位共用同一套总拼夹具、侧围上线工装、后围
11、上线装置这些设备的共用都很难实现。目前国际上多品种混流总拼方式有夹具库夹具切换（CMAU OPEN-GATE、EDAC GeoTack 等） 、多面体夹具旋转切换（PSI GEOflesor、本田等） 、机器人切换预装夹具（ABB、PSI Body flesor 等） 这些方式都需要很大的占地面积来存放夹具或预装夹具、零件预装工位等，现有厂房不具备布置条件。因此我们将新品D310总拼做专用工位，其他工位为通用工位，总计 13 个工位。3.1.3 总装线平面布置见图 6图 6 新品/D310 驾驶室混流焊装线总装线工艺布置图4 焊装线设备选择与设计4.1 线体形式的选择：我们选择的为摆臂滚床滑撬
12、输送系统，因为滚床滑撬输送线与传统往复杆输送线相比具有工位间距柔性化、控制灵活、可转弯、线体长度不受限制、滑撬循环行走不返回降低夹具设计难度等优点。结合工艺设计内容：4.1.1 地板线前 4 个工位均为专用工位，往复杆相对每个工位都做升降，需要在每个工位都需做零件的定位支撑，如前两工位为 D310 专用工位，在 D310 输送到 3、4 工位新品地板专用工位时，在 3、4 工位必须做 D310 的定位系统，这个难以实现。但同样在采用滑撬形式后在 D310 输送到 3、4 工位 D310 地板专用工位时，可通过电控使滑撬不下降，这时3、4 工位相当于是 D310 的过渡工位。4.1.2 如采用往
13、复杆形式，在车型变化时会产生等待现象，当生产由 D310 车型转变为新品时，地板线 30、40 工位存放 D310 车型，需要等待 D310 传送下去空出时才可生产新品。4.1.3 总拼工位相邻布置，夹具占用空间大，前后需留出操作空间，工位间距需要 7m，而其他工位仅需 5m，采用往复杆形式无法实现。4.1.4 可降低投资成本，如采用往复杆输送，每个工位均需布置夹具支撑定位，而滚床滑撬输送线仅需在零件装配与机器人补焊时应用夹具，可减少线上夹具 6 套。4.1.5 关于选取何种形式的滚床输送系统,我们与东风公司设备制造厂进行了反复的比较,最终确定为升降形式摆臂式,此种形式升降机构具有结构紧凑，电
14、机拆卸方便，便于维修的特点,平移形式为同步带传动形式,该形式具有噪音小、传动效率高、无需润滑等优点。此种滚床结构应用成熟，如上汽朗逸车身焊装线、奇瑞 A3 焊装线等均采用此方式。图 7 摆臂式滚床系统示意图4.2 通用工位夹具设计通过优化产品定位孔与定位面的位置，在前部采用定位销定位零件 XY 方向，U 形支撑定位 Z 向，后部采用多功能定位销定位零件三维方向。结合产品特性及线体输送计算通用工位夹具各部装的活动量。通用工位夹具图见图 8.计算公式见下表。4.2.1 前部定位支撑部装的设计与平移量计算由图 3 得出 D310 与新品相比前部定位 Y 向相同，Z 向相差？mm。平移量=（新品前部定
15、位孔开度-D310 前部定位孔开度)/24.2.2 后部定位支撑部装的设计与移动量计算后部定位支撑部装的设计，由于两种车型后部定位孔坐标位置相差较大，因此新品与D310 车型后部定位采用专用部装，后部 Y 向移动量为：D310 标车与高车 Y 向差 ？mm；D310 后部支撑设计为升降结构，用以输送至下一工位时，夹具与驾驶室不产生干涉，该结构采用气缸加直线导轨进行准确的升降，该结构应用成熟，设备稳定性好，重复定位精度高，维修简便。D310 后部支撑升降距离=【D310 底部后部定位最高面-新品后部最低位-输送的升降高度+滑撬支撑板高度+定位销高度+预留空】图 8 通用工位夹具设计图4.2.3
16、通用滑撬设计由图 3 对比，根据 D310 与新品纵梁前部定位 X 向差值，纵梁宽度，孔间距大于纵梁宽度一半，因此前部定位要求产品设计新品滑撬用定位孔 Y 向与 D310 用孔相近，布置于同一部装，采用定位销定位，便于零件输送的准确。后部差异大，新品与 D310 采用单独的支撑托架，D310 标顶与高顶采用同一部装，由于 D310 高差大，后部定位需做翻转式，在生产新品车型时避让零件。滑撬设计图见图 9.图 9 混流线用滑撬设计图4.2.4 顶盖混流工位设备设计D310 标顶、D310 高顶与新品高顶 3 种车型顶盖的混流生产，是本次混流线设计的难点，3 种顶盖在产品结构与定位孔位置等方面均完
17、全不同。主要存在的难点为：顶盖拼装夹具的混流设计、顶盖输送装置的混流设计、新品与 D310 高位操作高差大 3 个问题。根据产品结构的把握、工艺布置需要、工艺生产需要及工装设计等方面考虑，我们制定的工艺方案为：在总装线 40 工位完成 D310 标顶顶盖总成、D310/新品高顶前/后顶盖总成的装焊，D310 标顶顶盖总成使用专用输送装置、D310/新品高顶前/后顶盖总成共用一套输送装置，两套输送装置布置于总装线 40 工位两侧。总装线 60 工位完成新品/D310 高顶中顶盖总成的装配，中顶装配采用零件自定位方式，输送共用一套输送装置。具体设计如下：4.2.4.1 总装线 40 工位夹具设计采
18、用活动栅墙加伺服定位的形式，总共采用 4 套伺服定位机构，解决三种车型定位无法共用的问题，降低工装设计难度，节省布置空间，提高操作性，具体设计模型见图 10.图 10 三种车型顶盖混流生产夹具三维模型4.2.5 新品/D310 高顶混流自动输送装置设计应用错位布置的方法，把握两种车型产品差异，通过调整 D310 高顶与新品超高顶零件在预装夹具与吊具的 Z 向高度满足两种车型自动输送装置共用的要求，见图 11、12.图 11 高顶前/后顶盖总成自动上线装置 图 12 高顶前/后顶盖总成自动上线装置吊具及预装夹具示意图 吊具及预装夹具示意图4.2.5.1 双层平移活动工作台设计新品高顶与 D310
19、 车型后部高位操作高差巨大，为解决此问题，我们与设备厂家一起设计了双层平移活动工作台，见图 13。图 13 双层平移活动工作台模型4.2.5.2 混流驾驶室自动下线吊具设计由产品描述看出，新品车型后风窗为选装，现生产驾驶室吊具均采用前勾前风窗、后勾后风窗设计，该方式不能满足新品吊挂需要，结合涂装底漆滑撬有定位销，驾驶室由焊装线滑撬转运至涂装滑撬需要精确定位的需要，我们设计为吊具前部仍吊前风窗口，而后部改为兜底的方式，前部吊钩设计 3 种车型通用，后部 D310新品吊钩切换，满足混流吊运的需要，同时增加车身吊运过程的稳定性，便于驾驶室精确到位至涂装底漆撬。具体设计见图 14图 14 驾驶室混流下
20、线吊具 图 15 混流线高位机器人焊接区域与原 COMAU 线焊接状态比较4.3 机器人系统选型机器人选型：根据我厂机器人应用情况，工艺要求，通过对 3 种车型的机器人模拟，该线布置 12 台 ABB IRB6640-235/2.55 的机器人，其中地板线布置 4 台 6 轴机器人，总装线布置 8 台 7 轴机器人。机器人焊钳设计：参考 D310 焊装线实际使用情况，与新品焊接要求，对焊钳进行优化，且考虑备件成本，总装线 60 工位、80 工位左、90 工位右，选取现有焊钳规格，总装线 80工位右、90 工位左高位中顶补焊焊钳进行优化，满足新品焊接要求，同时保证 D310 焊接时节拍一致性，见
21、图 15。总装线 100 工位机器人焊钳改为小 X 型焊钳，增加对驾驶室焊接的可达性。4.3.1 弧焊室的应用根据新品产品设计要求，在调整线布置 3 个弧焊工位对新品白车身进行补焊，考虑弧焊粉尘的影响及国家安环法规的影响。在弧焊工位建立弧焊室，改善现场操作环境。结束语新品/D310 驾驶室混流焊装线是国内首条完全不同车型的大批量柔性化混流焊装线，该线由东风公司相关单位自主设计完成，所有设备均实现国产化设计制造，在国内卡车行业首次应用滚床滑撬输送系统、伺服定位、双总拼工位设计等先进技术，是东风公司的一项自主创新。在该线的设计过程中，应用同步工程技术，结合以往设计优缺点，对新品与D310 柔性化生产及新品骨骼精度提升保证，进行了合理的工艺性优化工作。在设备制造上，群力群策、开发思维、博采众长，参考 D310 焊装线与 D530 焊装线设计经验及实际使用情况，扬长避短、持续创新，设备选型上考虑备品费用，降低品牌及型号种类。本次项目投资与 D310 焊装线相当，但是设备数量较 D310 焊装线增加 30%。该焊装线经过 1 年多的生产实际检验，工艺设计合理，生产节拍、故障强度、骨骼精度、OK-VES 等指标均达到预期目标，骨骼精度较 D310 焊装线提升 5%。该混流焊装线的建成使我厂具备 12 万辆 D310、3 万辆新品生产能力，且减少了市场对车型要求波动的应对能力。
