汽车车门自动包边机系统设计Word文件下载.docx
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因此,要求门、盖外表面光滑平整,没有压痕、凹陷、凸包、折边翘曲等缺陷,且要保证工件整体尺寸精确、稳定。
由于门盖在整个车身制造中所占有的比例及其所具有功能的特殊性,故对门盖生产工艺及设备和工装的要求很高。
当今国际汽车制造业间的竞争日益激励,汽车开发周期不断缩短,新车型不断涌现,柔性与可重构车身生产线技术是针对当今制造业小批量多品种而发展的一种新生产模式,是缩短汽车开发周期、提高产品竞争力的关键之一。
包边机器人能够针对不同工件对工作程序做出相应改变来适应工件的不同特征,面对不同的加工零件都可以顺利地沿着工件的轮廓进行运动来进行滚压包边,相比现有的包边设备,包边机器人具有很高的柔性化程度。
1.1机器人滚边技术研究的背景及意义
中国汽车工业规模在迅速增长,中国汽车工业协会发布的统计数据显示,2010年中国汽车产销分别为1826.47万辆和1806.19万辆,同比分别增长32.44%和32.37%。
其中乘用车产销分别为1389.71万辆和1375.78万辆,同比分别增长33.83%和33.17%;
商用车产销分别为436.76万辆和430.41万辆,同比分别增长28.19%和29.90%。
而美国2010年全年汽车销量为1150万辆,比中国汽车销量少了650多万辆。
由此可见中国汽车产销量超过美国位居世界第一。
汽车工业是基础工业部门,是国家经济独立和综合国力的核心标志,提高汽车工业的自主创新能力对加快工业化、提高国家工业的国际竞争力具有战略意义。
中国加入世界贸易组织以后,汽车工业的自主创新也取得了令人瞩目的成绩。
2006年自主品牌乘用车市场占有率由五年前的不足5%提升到近30%。
自主创新带来的是民族汽车工业的显著成长,典型企业更是取得了骄人的发展。
其中汽车自主品牌是进行自主创新的载体,但目前中国大多数汽车自主品牌规模小、技术含量不高、缺乏国际竞争力。
中国汽车工业如果没有自主品牌做支撑,其在国际产业竞争中的地位就只能处于“低层”,甚至是依附地位。
汽车产品失去品牌就失去市场,因此,要成为中国汽车大市场的主导者或有地位的竞争者,就要实施品牌优先战略,扶持自主品牌发展。
随着汽车进入家庭比例的大幅度上升,汽车制造业间的竞争日益激烈,为了抢占尽可能大的市场份额,汽车生产企业在提高产量的同时,不断推出新车型来迎合广大消费者对汽车外观、价格等方面的个性化需求。
美国近几年做的一个关于消费者偏好的调查显示“在以往的二十年里,绝大多数的消费者偏好的是汽车的款式而不是性能。
”每年日本生产的汽车中24.3%的汽车有一个较大款式的变化。
快速多变而庞大的市场需求决定了多品种小批量正在成为未来汽车的主要生产方式。
生产模式的改变,车身生产线上原来的一些设备就成了降低产品开发成本、缩短开发周期的瓶颈。
如何降低混线生产成本,提高生产效率和产品质量,已经成为国内汽车生产厂家亟待解决的共同问题。
在汽车工业生产中,传统的门盖线的包边方式主要有压力机模压包边和车门折边机包边,机器人包边是新型的包边技术。
(1)压力机模压包边是将模压包边设备装在大型压机上,一次成形,生产效率高,可达到60~90JPM,包边质量和外观均很好。
对于不同的产品,模压包边可以通过更换不同模具来包边。
但是,压力机模压包边的设备体积大,占地大,难于工艺调整和零件输送自动化。
成本高、投资大,单个包边线约260万~300万元人民币。
(2)车门折边机是采用油缸驱动杠杆翻转的预包边和包边技术,设备的体积小,布置灵活,可实现零件输送自动化,效率较高,可达50~60JPM,但相对来说折边力较小,工件成形质量不是很好,且包边周期长,每台折边机都是专用的,只能生产一种产品,无法实现柔性化生产。
成本很低,自行设计的单个包边线约70万人民币。
(3)新型的机器人包边技术,不仅设备的一次性投入小成本低,单个包边线约200万人民币,而且成型美观、柔性化制造、生产率高、作业面积小,最重要的是研发和制造周期短,提高了产品竞争力,适应汽车工业的快速发展,符合汽车制造业中车身柔性化生产线的发展趋势。
机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人的使用将变得普遍,品种可变庞大的柔性生产线将全面取代过去品种单一、限定性大的刚性生产线。
随着我国制造业的迅猛发展,我国机器人的市场需求不断增加,机器人的销售量持续增长。
专家预测,中国机器人到2010年拥有量将达到17300台,到2015年,市场容量将达十几万台(套)。
汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门,其中所需机器人的品种以弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、冲压、滚边等为主。
我国汽车自动化装备的国产化率越来越低,平均占有率不到30%。
在乘用车领域,装备的进口依赖度更高,在合资企业中,装备的国产化率一般不超过15%。
我们在付出大量产品技术使用费的同时,也付出了巨额外汇购买外国装备和技术。
而工业机器人焊装技术严重依赖国外的现象尤为突出,基本都是全套从国外引进。
昂贵的进口设备虽然满足了部分汽车企业批量生产的需求。
尤其是柔性与质量保证等方面,不利于我国机器人系统自主开发能力的提升,也不利于我国汽车行业的进步。
激烈的国际竞争及我国落后的工业机器人制造及应用技术已严重制约了民族汽车工业的发展。
1.2机器人滚边技术的发展现状与趋势
国外基于门盖线机器人柔性自动化岛的发展趋势主要是利用系统仿真技术、虚拟制造技术、计算机和信息技术等多种高新技术进行大型自动化生产线的设计开发、控制协调和管理,自动化生产线的在线检测及监控技术以及生产线的模块化和可重构技术也是各大汽车装备集成制造商在大力研究发展的新技术。
他们的白车身门盖生产已经普遍采用机器人大型自动化生产线。
此外一批具有影响力的、著名的工业机器人公司、自动化公司,如瑞典的ABBRobotics、日本的FANUC、德国的KUKARobot、EDAG、ThyssenKrupp、意大利COMAU公司等,已经成为其所在地区的支柱性产业,它们的机器人本体制造技术稳定、先进,但其所提供集成技术解决方案才是它们真正的核心竞争力。
各机器人系统集成解决方案提供商,在工业机器人系统集成技术领域正向着规范化和系列化发展,如通用、宝马、奔驰等汽车巨头,用于门盖线生产的机器人都已在万台套以上,而且这种方法基本已经成为中高档汽车门盖生产的主流。
国内在汽车门盖线生产方面,汽车门盖生产主要是以压力机模压包边和车门折边机两种方式为主。
对于模压包边,虽然生产率高,工件质量稳定,类似于冲压工艺但又有区别,但缺点是难以实现柔性化生产、设备维护成本高、作业面积较大。
而车门折边机,虽然它的一次性投入最小,但由于折边力相对较小,工件成形质量不是很好,而且每台折边机都是专用的,只能生产一种工件,无法实现柔性化生产。
随着改革开放的进行,20世纪80年代中期,我国的部分汽车生产厂家有机会了解到国外先进的门盖线机器人柔性自动化生产技术,由于当前国内的自动化装备综合技术实力还不足,不具备设计制造高水平的成套门盖线的能力。
整套技术完全掌握在少数几家国外自动化公司手中,面对汽车行业的激烈竞争又不允许国内的汽车生产厂家用国产的装备进行试验,只好成套引进,使得国内汽车厂家近年来与国外水平的差距越来越大。
采用机器人带动滚压机构进行包边是21世纪初国外汽车工业界的新趋势,它能够针对不同几何形状的零件,采用不同的包边路径,因此对不同零件具有柔性,大大降低了模具费用,由于可以采用同一机器人完成上下料、涂胶、包边等一系列工艺动作,因此减少了装卸时间。
它既适用于产品试制阶段,也适用于大批量流水生产线使用。
自上世纪九十年代以来,机器人滚压包边技术引起了汽车制造业的广泛关注。
世界各大汽车公司对机器人滚压包边设备的开发都给予极大的重视。
近几年,在这一领域已出现不少专利,如日本丰田汽车公司发明的机器人包边设备,使用了一种空气轴承的单个滚子滚压机构,将预包边滚子和包边滚子固定在串联机器人的机械手上,通过机械手沿工件边缘的平动,实现工件的滚压包边。
一套机器人滚边系统的投资比一套进口液压机包边系统投资相对少,这使其在国内应用成为可能。
机器人滚边系统只需要包边下模具,而且下模具的结构简单,模具只需要复型车门外轮廓,而且可以是分模,成本相对较低。
多车型车门生产时,需要更换包边模具。
由于机器人滚边下模具简单,没有上模,换模相对容易,容易实现自动化,柔性好。
机器人滚边速度适中,比液压包边机包边慢,一般一个机器人滚边的纯滚边时间大约在40~50s左右,基本可以满足一般中等规模生产需要。
如果生产规模大、产量高,可以根据需要在滚边系统中增加1~3个滚边机器人,这样纯滚边时间可以大大的缩短,提高生产节拍。
随着人们对机器人滚边系统的了解和我国汽车工业的发展,机器人滚边系统将会越来越受到国内汽车制造商的青睐。
2机器人滚边工艺研究
2.1门盖产品总成结构
门和盖这类总成结构上都是由外板总成和内板总成组成的。
内、外板总成又是由各自的小件装焊而成的。
轿车内板总成往往由内板、加强板、凸焊螺母或螺柱焊接而成的。
外板总成一般为冲压件,有的外板总成在外板上焊接门把手加强板或门铰链加强板而形成合件。
不同车型构成内外板的零件会有所差异。
但有一点是相同的,即门盖在形成内外板总成后,一般都要采用包边工艺,将内外板连成一体。
要求表面平整光滑,无坑包、压痕、变形等表面缺陷,且车盖总成整体尺寸要求准确、稳定,保证车盖总成在白车身装配后与周围零件保持均匀的面差及间隙,以达到良好的互换性。
车盖总成的装配、焊接及合成质量,在一定程度上反映了汽车车身总成的制造水平。
图2.1发动机盖外板总成
图2.2发动机盖内板总成
图2.3左后门外板总成
图2.4左后门内板总成
图2.5门盖总成工艺流程
2.2包边类型
包边主要用于汽车外覆盖件中的门盖类件,这些零件大都为空间曲面结构,形状复杂,但只从单个截面来分析,其包边主要的类型有5种,如图1到图5所示,图1扁平包边是目前最常用的类型,图2直接包边用于特殊无内板处包边的部位,图3突尖角包边用于内板较厚、板厚有变化的门盖件,图4凸起包边目前基本不采用,图5环形包边主要用于发动机罩上端的包边。
图2.6包边类型
2.3包边工艺过程
一般包边的过程分为三个步骤:
翻边,预包边,终包边。
需要包边的外板冲压成型后,其周边有一圈宽10mm~12mm、与外板本体成90°
的翻折边,这条边就是待包边。
包边时,待包边向内翻折90°
包实内板边缘。
理论分析和试验表明,很难做到将待包边从90°
一步翻折至0°
并包实内板边缘。
因此,我们一般将包边工艺分成两步,首先将待包边从90°
翻折至45°
称之为预包边;
然后再将其从45°
翻折至0°
并压实,称为终包边。
根据车身装配工艺技术要求,包边成型后的零件周边必须平滑顺畅,没有波状起伏和明显皱褶,内板和外板包合处必须平实服帖。
同时,为了保证整车外观美观,内外板在包边过程中都不允许有任何变形及损伤。
根据待包边和所要包曲面的形状,包边又分为平面-直边包边、平面-曲线包边、曲面-直线包边、曲面-曲线包边。
图2.7包边类型
翻边预包边终包边
图2.8包边步骤
(1)包前状态。
被包件翻边与外板法向平面的夹角通常为9O°
,在某些特殊要求的被包件上也会有不同,但尽量都设计在9O°
左右,这样有利于进行包边。
(2)预包状态。
因压人角和回转点的限制,包边分预包和终包两个阶段。
预包角a基本按45°
完成,在被包边件翻边很短的区域预包角也可以设计为30°
。
(3)终包状态。
将翻边完全压贴,同时将被包件的外形面的最终状态与包边机模腔型面压至一致。
也有某些特征部位需要保留翻边的地方,只允许压入30°
,则终包通过限位装置实现控制。
2.4传统包边工艺
2.4.1手工包边工艺及设备
手工包边工艺通常适用于小批量或试制生产。
该工艺主要采用简易工装胎模支撑门或盖,工人使用木榔头等工具逐点、逐段敲砸、压合成形,从而完成门盖包边工作。
手工包边工艺及设备的优点是设备最简单,投入最低,占地面积最小。
缺点是效率低,包边质量差,工人劳动强度大,车间噪声大,只适用于试制或小批量生产,对于各类汽车生产企业的门盖包边不推荐使用。
2.4.2压力机模具压合包边工艺及设备
这种工艺方法是在大台面通用压力机上采用上、下模具压合的方式进行包边,包边质量好,效率高。
若更换模具可轮番生产不同的门盖总成。
轿车门盖包边一般采用公称压力为1500—2000kN的液压机,旅行车及载重货车车门包边一般采用公称压力为2500—3150kN的液压机。
包边压合模具一般分为两套,即45°
和90°
包边模各一套,分别完成45°
包边。
目前多采用复合包边模具在压力机上安装门盖包边复合模具,一次行程即可完成45°
预包边和90°
若在压力机上配备单向或双向移动工作台,或者配置换模台车进行模具更换,就可适应不同的门盖包边。
不但节省设备投资,而且易于产品更新换代。
改变产品,仅需更换模具即可实现设备的改造计划,节省了设备投资。
这种方式具有一定的柔性,适合各种批量、各种车型门盖的包边,并能满足产品换型要求,但模具设计与制造较复杂。
门盖包边要视年产纲领大小,选用一台或多台压力机,配置复合模具,与车间其他焊接生产线按节拍均衡生产,也可通过更换模具对门盖轮番组织生产。
尤其在小批量多品种生产时其优点更为突出,可以利用更换模具改变不同产品门盖的包边。
缺点是在多品种轮番生产时,要求车间要有足够的门盖总成存放面积,才能与车间其他生产线配套生产,因此,轮番生产对车间的组织和管理水平要求较高。
压力机模具压合包边工艺及设备适用于各种批量、各类车型、各种档次汽车门盖的包边生产,灵活性大,不仅适合于各种批量多品种生产的中小型汽车制造企业,也适合于大中型汽车制造企业。
缺点是压力机本身尺寸大,国产压力机地面高度尺寸一般在5m以上,要求厂房不能太低,且维修复杂。
(1)当包边质量要求不高,年产量在10万辆左右的多品种低档车门盖包边(如微型轿车、微型面包车和皮卡车等),采用压力机模具压合包边工艺。
选用3台国产四柱式液压机,配备国产复合模具,轮番组织生产各种门盖总成。
(2)当包边质量要求较高,年产量在10万辆左右的多品种中档车门包边(如小型轿车、紧凑型轿车、SUV车和MPV车等),采用3台国产框架式液压机,配套国产模具,投资许可时可配套进口模具,轮番组织生产各种门盖总成。
(3)当包边质量要求很高,年产量在10万辆左右的多品种高档车门盖包边(如中型轿车、中大型轿车、豪华轿车、SUV车和MPV车等),采用3台国产框架式液压机,加上进口模具,或成套进口包边压力机和包边模具,轮番组织生产各种门盖总成。
2.4.3门盖专用包边机
门盖专用包边机是将设备和包边模块设计为一体。
目前,国产专用包边机主要由主机、液压泵站和可编程控制器三大部分组成。
主机由机架、气动夹紧装置、气动升降机构、45°
包边模块和90°
包边模块组成。
同时主机上可设计带自动进料、自动出料等传送机构。
当工件被放置在传送机构上传送到位后,气动升降机构将工件降落到主机模腔内,由气动夹紧器将工件定位夹紧,先由45°
液压模块动作,完成45°
预包边,而后再由90°
液压模块动作完成90°
专用包边机只能一个门或一个盖一台专机,不能互换。
专用包边机生产率高,单台设备占地面积小,生产中可与车间其他生产线节拍相吻合,实现同步化生产。
因此,专用包边机适用于单一品种大批量流水生产线。
国产专用包边机还有一个最大的优势是价格便宜,一台专用包边机目前价格在30万元左右,约是压力机加上复合模具价格的1/4。
因此,国产门盖专用包边机在20世纪90年代初由江苏华宁电子集团(电子部第十四研究所)开发研制成功后,广泛用于了中小型汽车制造企业轻型载重货车、面包车、皮卡车和微型汽车门盖的包边生产。
目前,南京鑫浦机电设备制造有限公司(电子部第十四研究所)正在开发研制用于中、高档轿车门盖专用包边机。
随着技术的进步,国产专用包边机必将替代进口专用包边机,对降低产品成本、提高生产效率是非常有利的。
专用包边机分国产专用包边机和进口专用包边机。
国产专用包边机生产率高、价格便宜,常用于载重货车、皮卡车和微型汽车等门盖的包边。
对门盖包边质量要求高的中、高档轿车,进口专用包边机无论从设备结构、包边质量上都优于国产专用包边机。
但进口专用包边机价格高,一般为20~25万美元,约是目前国产专用包边机价格的5~7倍。
(1)对于微型轿车、微型面包车等门盖包边,年产量在10万辆及其以上,产品较单一时,选用6台国产专用包边机,组织6条流水生产线,较为经济合理。
(2)对于包边质量要求较高的中、高档轿车,年产量在10万辆及其以上,产品较单一时,可选用6台进口专用包边机,组织6条流水生产线,与车间其他焊接生产线进行同步生产。
(3)对于包边质量要求很高的高档车,如中型轿车、中大型轿车等,年产量在10万辆及其以上,单一产品时,门盖包边采用6台进口专用包边机,与机器人等成套工装设备组成6条自动化生产线,其中包括外板涂胶、内、外板总成装配、包边及固化等工装设备。
工位之间搬运由机器人来完成。
2.5机器人滚边工艺
包边机器人的工作原理:
是让位于机械臂的终端的滚筒能够沿着被包边工件的轮廓进行运动,通过滚筒所施加的力将工件在冲压过程中预留的翻边,也就是待包边在滚筒的作用下向内侧翻折,从90度到45度最后变成0度或者从90度到60度后变成30度最后变为0度,从而将外板的待包边紧紧压紧内板,使外板和内板整合成一体。
机器人滚边系统主要由滚边工具系统、胎模夹具系统和机器人控制系统三部分组成,具有较高的柔性。
同一机器人可以通过调用不同的程序对多个产品进行包边,大大降低生产成本,单台设备占地面积小,噪声小且设备维修简单,维护成本低。
当更换胎模和夹具,修改滚轮即可,降低汽车产品的生产成本并缩短开发周期,提高产品竞争力。
3机器人滚边系统
3.1滚边工具系统
滚边工具系统是整个系统中结构比较简单的部分。
由换枪盘、弹性连接组件、滚边头组件三部分组成。
滚边工具系统通过换枪盘上的法兰与机器人相连。
由于滚边技术本身的特点,滚边过程一般分为2~4次顺序完成,因此滚轮通常设计有翻边轮、压实轮、水滴型轮、细轮。
本设计将这些滚轮分解到2个滚轮架中,视具体情况而定,以在滚边过程中滚轮之间不产生干涉为准则。
换枪盘采用NITTA的Omega4系列换枪盘,如图3.1,为气压驱动式自动工具交换装置。
基本参数为承重200kg,最大力矩1500kg·
cm,最大转矩1500kg·
cm。
基本上分为两部分,由机械手接头和工具接头组成。
运用接头板能够安装所有机械手和工具。
还备有向工具侧传输信号的电子信号针。
机械手接头是的换枪盘基本组成部分。
在机械手接头主体安装着传输安装状态信号的感应器。
从此感应器输出夹头侧信号、非夹头侧信号及连接确认信号。
工具接头是构成换枪盘的另一个基本部分,用于安装工具。
在工具接头上设有锁定螺栓,与固定机械手接头用凸轮啮合。
将机械手接头和工具接头相互连接起来的凸轮结构是一个特殊结构,能自动补充连接时的偏移和长期形成的磨耗。
这些凸轮靠汽缸工作,即使一时超过最大荷重,凸轮也不会脱落。
这样超负荷时,机械手接头和工具接头的接触面略微分离,但两个接头绝对不会脱落。
还有,这些凸轮装有安全装置。
即凸轮通过弹性式汽缸工作时,即使在气压急剧下降等情况下,工具接头也不会落下。
图3.1换枪盘
弹性连接组件内部为花键连接,花键端部带有矩形压缩弹簧,通过调节弹簧的压缩量可以得到不同的压力值,以满足预包边与终包边不同滚边力的需求,同时弹簧对滚边工具的缓冲,可以起到对滚边工具的保护作用。
如图3.2。
端部的压力传感器用来检测滚边过程中滚边工具系统受到的力,以便调试机器人。
图3.2弹性连接组件
滚边头组件由于与工件接触,要承受很大的压力,而且与工件有相对运动,因此对滚边头的材质要求较高,要求滚边头具有较高的屈服强度和抗拉强度,耐磨性能好。
一般可以采用合金工具钢,如42CrMo、40CrMnMo等。
表面要求淬火、回火,使用时滚边头表面硬度为54HRC左右。
翻边轮一般为预包边轮,终包边采用压实轮,对于发舱盖的后端,则用水滴型轮进行包边,细轮则用在滚边外形曲率较大及拐
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