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柔性制造技术在汽车行业的发展

  【编者按】本文通过对柔性制造技术进行详细介绍,阐述该技术在汽车制造行业的相关技术应用与发展,最后对柔性制造技术的创新应用提出新的展望。


  随着汽车行业在中国的迅猛发展,汽车的改型换代的周期明显加速,而在花样繁多的新车型不断刺激消费者眼球的同时,造车的成本也因为不断的改型(需要新开发大量的模具、工装、检具等)而呈上升趋势,如何在低成本情况下来开发出更多车型,根据国际上先进的汽车企业经验,引入并使用一些柔性的、通用的设备来支持汽车改型工艺变化,是摆在各主机厂面前的成本课题。
 
  柔性制造技术定义及特点
 
  柔性制造技术定义
 
  柔性制造技术(FMS,Flexible Manufacturing System)也称柔性集成制造技术,是现代先进制造技术的统称。柔性制造技术集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体,把以往企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程,在计算机及其软件和数据库的支持下,构成一个覆盖整个企业的有机系统。
 
  柔性制造技术特点
 
  柔性制造技术是从成组技术发展起来的,因此,柔性制造技术仍带有成组技术的烙印——三相似原则:形状相似、尺寸相似和工艺相似。这三相似原则就成为柔性制造技术的前提条件。凡符合三相似原则的多品种加工的柔性工艺,可以做到投资最省(使用设备最少,厂房面积最小)、生产效率最高(可以混线生产,无停机损失)、经济效益最好(成本最低)。
 
  柔性制造技术组合了当今机床技术、监控技术、检测技术、刀具技术、传输技术、电子技术和计算机技术的精华,具有高质量、高可靠性、高自动化和高效率的特点;可缩短新产品的上线时间,转产快,适应瞬息万变的市场需求;可减少工厂内零件的库存,改善产品质量和降低产品成本;减少工人数量,减轻工人劳动强度。
 
  柔性技术在汽车制造中的作用
 
  柔性汽车制造技术的作用
 
  汽车行业中的柔性制造技术对汽车行业起了重要的作用,具体表现在以下几个方面:使多成型混线生产成为可能;缩短了制造周期;减少了开发成本;柔性设备使功能进行了扩展;
 
  根据汽车行业柔性技术方面可以归为以下三类:工艺规划设计方面:主要表现在Layer build设计方面;产品检测方面:柔性测量系统、工业视觉测量分析系统 ;工艺制造方面:Roller hemming(滚边技术)。
 
  汽车行业常用的几种柔性技术介绍
 
  Layer build 工艺设计技术
 
  Layer build技术

  Layer build技术是一种较为先进的车身设计技术,它有三层由内而外的组装方式,内层为车身底盘包括前车身铰链柱及车厢后部轮罩内板,中部为车身侧围内板分总成组成,外层为车身侧围外部组成部件,在工艺实现上采用内外总拼的方式,以增加工艺的柔性。
 
  内总拼(Inner framing)

  内总拼工位是地板总成与侧围内板、后端板、顶盖横梁组成了一个封闭的框架,结构相对稳定,为车身的稳定性构建基础。
 
  外总拼(Outer framing)

  外总拼上的零件为顶盖、侧围外板和后端板等外覆盖件,这些件与外饰改型有很大的关联性,这样的内外总拼分开的方式,使零件的组合更加明晰,车型改型的变化集中在外总拼,而对内总拼零件没有影响,从而在工艺布局变化方面减少了相关的影响,从而在开发周期、费用方面都会得到很大的提升。
 
  柔性的分层制造技术

  柔性的分层制造技术在同一底盘基础上开发新车,不仅可以节省成本,而且能够减少大量的开发时间,缩短车辆上市时间,为有效占领市场占据优势,并能够最大可能地重复利用现有制造工程资源。
 
因此上述因素为车身分层工艺技术提供了广阔的应用空间,例如上海通用在此领域取得了瞩目的成就,新车开发品种众多基于共用平台,采用分层开发技术:君威、君越和迈锐宝同属于Epsilon平台,英朗、科鲁兹同属于Delta平台,使分层技术发挥了巨大作用。通用还在不同的国家根据不同客户的喜好,再共用底盘的基础上通过车身分层工艺技术,开发出风格迥异的产品。(如图1所示)

图1 分层制造技术应用。

  柔性测量系统
 
  检具

  传统的对整车、分总成、零件的检测通常是大量采用检具的方式进行,柔性测量系统的检具通过检测块、划线和止通规等手段,有检测结果较为直观,可以放在线旁,随时进行抽检、记录,操作较为简单。
 
检具检测的缺点主要有:检具检测具有单一性,每个检具通常只能检测一种零件,一旦零件改型,检具基本上就无法使用,需要重新开发检具,造成成本及工时的增加;检具检测的测量结果受到测量人员的测量误差影响,精度较低;现场放置过多的检具,占用车间有效工作面积,报废的检具也会占用很大的放置空间;检具的维护保养也需要很大的一笔费用,质量体系需要对检具进行定期第三方年检。
 
  柔性测量系统

  柔性测量系统是由支架和通用件组成的一套用于测量时固定被测物体的工具。其由两部分组成:一块带有矩阵孔的的平板和与之配套的标准组件。这些标准组件包括了定位销、定位夹头、延长件、转接头/块等功能件。针对检具的上述的缺点,柔性检测支架对零件的检测方法应运而生,它基本上解决了检具使用上的不利因素,因此得到了国际主流的整车厂家(如大众、通用等)的研究和使用。它是采用柔性组件 三坐标(CMM)测量机共同使用,实现对零件状态的检测,是跨国大的整车厂近几年来普遍采用的一种检测方法。

  柔性支架的优点

  柔性支架的优点在于使用方便,不受限于零件外形。柔性夹具配套了不同大小尺寸的标准组件。所有标准件均经过精密加工,组件之间连接紧密牢固,搭出的架构稳定性好,有利于同种零件的反复(批量)测量;拆装简单,可满足多种零件测量。由于这些组件都是规格统一的标准件,仅需一套普通内六角扳手便可完成其安装与拆卸。当需要测量其它零件时可把原来架构迅速拆除,重新搭建新的架构;批量测量,通过柔性支架对零件的定位,零件每次都能在固定位置固定坐标内测量,大量节约时间,使零件批量测量成为可能;可积累一定量数据,为工程师改进提供零件数据趋势性分析。
 
使用方法

  柔性支架通常是采用带有标准矩阵孔(孔距通常为200*200mm)的铝合金平板为基座,搭配可拆卸的组装单元,并配上各种规格的定位销、夹头和相关基准面,按照零件GD&T图纸的要求,对零件的定位基准进行初步搭建,然后再通过CMM进行标定,将定位基准标定到名义值范围,然后将零部件放在搭建好的柔性支架上,用CMM进行编程、检测。侧围等立式零件则采用精密铸铝的矩阵方管作为定位载体,配上相关的定位单元。
 
从图2某车型尾灯支架搭建图示中可以看出:尽量减少制造专用检具,节省大量成本和摆放空间,并缩短了开发周期;提高了检测精度,不受人为因素影响;能自动地批量进行检测,提高了检测效率; 柔性支架应用是一种切实可行的检测技术。

图2 某车型尾灯支架搭建图。

  工业视觉测量分析系统

  视觉系统组成及功能

  视觉检测系统是由硬件和软件两部分组成,硬件系统包括镜头、光源、工业摄像(接收系统),软件系统包括图像识别系统和核心计算法等组成,视觉系统的光源通常采取发散性小、精度高的激光作为介质。在自动化汽车生产线中,视觉系统必要时需要同机器人匹配应用,并与生产线的PLC控制系统建立联接,以实现测量、检测、定位、识别的功能,由于它具有如下特点,所以在汽车行业中得到了广泛的应用:采用非接触式测量方式,提高了相应速度,对生产线影响小; 具有长时间的稳定、可靠地重复工作性能,适合汽车连续化的流水线作业;适用于不同车型混线生产的测量要求;适合在安全风险高、人机工程恶劣、环境差的区域工作。
 
  测量原理

  视觉系统是由多组传感器组成,每个传感器首先要计算出被测物的特点,来进行坐标确定,然后将所有接收的数据信息拟合在统一的坐标系统中,从而完成测量。理想的视觉变换模型如图3所示,PW为空间点,O(光轴与图像平面的交叉点)为坐标原点,以X轴为图像列增加的方向,Y轴为图像行增加的方向建立笛卡尔图像直角坐标系,O-XY,像平面上与PW为对应的像点P的坐标为(X、Y)。OC-XCYCZC为成像系统的坐标系,极为以原点OC为投影中心,ZC轴与成像系统的光轴重合,XC、YC轴分别与X、Y轴平行,设定空间点P在成像系统坐标系下的坐标为(XC,YC,ZC),则空间任意点在图像上任意位置都可以用空间点PW在图像上的投影位置P,为投影中心OC点与PW的连线与图像平面的交点,这种关系称为中心投影点。从而建立尺寸相对关联。

图3 理想的视觉变换模型。

  在线尺寸检测功能—Vision System
 
  车身尺寸检测功能(通常采用动态检测方式)

  车身尺寸检测功能是在生产线的特定位置,设置激光测量系统,对车身的关键控制点进行测量,并将数据实时传输到数据分析系统,同时将发现的问题及时进行报警。该功能实现了实时数据记录、分析,能够有效控制问题的发生范围;相对传统的CMM测量,测量样本量大,能在短期能有足够的样本进行统计学分析;灵活性好,通过计算机编程,可以对车身需要关注的局部(如车辆改型、新零件试制)进行定点检测,对问题做出准确判断;柔性好,对多车型混线生产有良好的兼容性;自动工作,节省人力成本;而存在的缺点有:设备初期一次性费用投入较大;测量精度较CMM,相对较低;对工位的定位精度要求相对较高。
 
  测量单元组成

  测量单元主要包括工装定位系统、机器人 激光测头=测量系统、系统自检系统(含温度补偿)、控制系统、车型识别系统(柔性化生产线)、数据分析系统等。

  工装定位系统:工装定位系统的精度和重复性(如果有单元切换)将直接影响车辆的测量精度,为避免定位系统的偏差影响最终的测量结果,在设计时应做到具有良好的重复性,精度要求也相对较高,有的区域为了达到更高精确,甚至可以采取车身的定位孔为坐标基准点,来消除工装的影响;测量系统:机器人在运动过程中震动影响较大,应制作专门的、牢固的基座,并具有减震功能,机器人的选则需要考量重复精度,一般不能超过0.2mm,因在现场使用,激光测头需要具有一定的防灰尘和焊接飞溅的保护设施。系统自检系统(含温度补偿):由于测量系统是包含机器人、工装、激光扫描头组成的相对复杂的系统,系统受到温度和设备本身重复性的影响较大,因此需要在使用一定的周期后对系统进行精度标定,用来进行温度等补偿,具体做法是采用设置基准球,机器人的测头进行测量校准。
 
  另外,控制系统是保证设备与相关联工位的信号系统的联系,并根据编程情况调用不同的测量程序;车型识别系统(柔性化生产线):柔性生产线,对不同车型的检测要有车型识别系统(通常是采用条码扫描),在前工位进行信息采集,传输至检测工位后根据车型调用不同的测量程序;数据分析系统:现场采集的测量数据应能直接输入至数据分析系统,并采取一定声、光方式对各种尺寸、匹配问题进行报警。
 
  案例分析

  如果从CMM测量数据中一点的波动,往往会错失一个重大问题的发现,而在在线监测系统控制下,使问题及改进措施能够清晰呈现。例如,当出现某车型大灯支架批次性波动的问题时,通过调查发现该车型前纵梁尺寸发生变化,供应商新线生产的前纵梁尺寸不符合要求,前纵梁为两条线进行生产;根据零件对比检测,最终确定供应商参照第一条生产线的状态对零件进行整改,使之尺寸状态一致。修复后批次性波动消除。如图4所示。

图4 案例分析。

  Roller hemming(滚边技术)
 
包边是将工件在冲压过程中预留的翻边向内侧翻折,从而将外板的待包边紧紧压紧内板,使外板和内板被整合成一体。机器人滚边系统主要包括三大部分:滚边夹具系统、滚轮系统、机器人及其控制系统。将待滚边钢板固定在滚边模具上,滚边头固定到机器人上,通过滚轮将外部钢板的边缘绕里面的钢板进行弯曲,通过滚头施加作用力使滚轮滚动实现包边。
 
机器人滚边的优点

  机器人滚边的模具数量较少,包边单元的投资和维护费用都相对较低;模胎开发比包边模具的开发时间和投入使用的准备时间短;滚边系统具备极高的灵活性,通过滚边头的调整,能进行不同型面的滚边作业;滚边零件的成形精度高,表面质量好;工作状态更容易目视检查和控制。
 
滚边设备的分类及工作原理

  气动滚边头采用气囊或气缸进行压力供给,比例阀调节压力的输出。压力控制过程:设定比例阀IP地址在机器人控制面板输入滚边压力值,根据IP地址输入给比例阀进行后台计算将压力值转化为2进制数组,并将该数组传给机器人,机器人根据该数组让气囊或气缸运动输 出 相应的滚边压力。
 
  弹簧加载滚边头采用弹簧加载滚边头系统可提供有效的滚边压力,从而使滚边质量得到大大的提升。
 
  液压滚边头的滚床起到支撑及对滚轮的导向作用,该种方式主要日系企业普遍采用。
 
  伺服驱动滚头主要是机器人驱动程序控制伺服马达来控制滚轮运动,减小滚边压力,从而减少回弹;轮的转动与机器人手臂线性运动同时进行;最后一道滚边的主驱动同时采用弹簧补偿。
 
  总之,机器人 滚边头的组合滚边技术广泛应用于四门、前后盖包边,天窗、翼子板、轮罩等处的滚边,它改变了传统的压机 冲压模具的方式,冲压模具的劣势在于一套模具只能对一种零件进行包边,结构复杂,开模费用高;压机生产场地占用空间大,能源消耗大,产生噪音、震动等不良的环境影响; 滚边技术很好的解决了包边的柔性问题,一台机器人只要更换滚轮头,使用简单的胎模就可以实现不同类型的工件滚边,而且占用空间小,维护保养简单,切换迅速。所以近几年迅速得到较为广泛的应用。
 
  柔性汽车制造技术前景展望
 
  随着社会技术的进步,一些先进的柔性化技术也迅速被转化应用到汽车行业,如目前比较流行的3D打印技术也不例外。如今,几乎所有跨国汽车企业都采用3D打印设备用于研发环节,这让他们设计更加柔性化,也更易创新。
 
  自2012年年底至今年初,福特官方连续公布了两段视频,介绍他们如何运用3D打印技术柔性化制造模型及零件。开发实体(油泥)模型是研发过程中最好的做法,但这也非常耗时同时也很昂贵。3D打印技术的出现,则让这一切不再是难题。福特工程师们可以自行制造测试部件,让汽车设计过程的运行节奏更为紧凑,产品推向市场的时间更短。
 
  在机器人被大量采用的汽车制造业,结合日臻成熟的工业视觉技术,很多领域将发生革命性的转变,如汽车总装线的内外饰等装配将由人工向“带眼睛”的机器人进行柔性装配所取代。


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