杨志源，代 巍，刘国斌，程芝群

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

多自由度定位装置及系统

杨志源，代 巍，刘国斌，程芝群

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

针对现有车身主定位工装缺乏柔性的特点，通过自动化控制，丝杠和滑轨组合，设计了多轴自由精确滑动的定位装置，较大提高工装的柔性，实现车型快速切换和新车型快速导入。介绍了多自由度定位装置的设计原理、设计过程、结构特点和实际应用效果。

车身；工装；柔性；主定位；补焊线

我国汽车行业快速发展，行业竞争渐趋白热化，从轿车到SUV，小型车到中型车，市场不断细分，各种平台不断丰富，新车型更是层出不穷。车型多意味着需要建设较多的生产线，传统专线生产要求每个车型有一条生产线，有一定柔性的生产线也只能做到有限柔性，即传统的生产专线存在资源浪费和产能布置不灵活的缺点，低销车型产能浪费而热销车型的产能不足。是否能够具有柔性，很大程度上依赖于生产线的工艺装备、夹具的柔性。本文为实现白车身公共补焊线定位工装的柔性，针对现有车身主定位工装缺乏柔性的特点，通过自动化控制，丝杠和滑轨组合，设计了多轴自由精确滑动的定位装置。

1 目前车身定位工装存在的问题

传统的生产专线的车身定位工装只能定位一个车型，一条线只能生产一个车型，这是经济型最差的一种。目前稍微改进一些的则是公共补焊线，但本质上跟普通专线是一样的原理。

目前公共补焊线多车型切换定位夹具，每个车型都需要设计一套定位单元。有新车型导入时，在原有拼台基础上再增加一套新的定位单元。此结构和工艺布局存在以下问题：①工装加工及采购成本增加，整个拼台定位工装密集、繁琐；②对各车型产品型面及定位孔要求比较高，要求各车型定位孔间距必须足够放置一套夹具；③柔性车型数量受到限制，现有生产线实际情况最多只能生产4种车型，夹具就已经没有空间布置；④此结构定位销固定，需要靠输送滑撬升降实现零件定位，增加了滑撬设计难度和加工成本。

目前的多车型切换夹具定位单元结构如图1所示，4个车型主定位勾销和定位单元集成在一个支座上，根据不同车型定位孔的输入设计。

图1 现有多车型柔性定位装置

公共补焊线柔性拼台结构如图2所示，前、中、后部各4套定位单元，通过前中后的组合实现4个车型的柔性共线。

图2 公共补焊线柔性拼台结构

2 新型大柔性工装的设计

针对当前多车型柔性工装繁琐，成本较高，且后续车型导入时间较长等问题，通过研究，开发了多自由度柔性定位装置及系统[1]，来解决目前公共补焊线柔性夹具存在的问题。

多自由度柔性定位装置实物图见图3，结构原理见图4.

图3 多自由度柔性定位装置实物图

图4 多自由度柔性定位装置结构原理图

车身柔性定位装置结构图如附图5所示，主要由X、Y、Z三个方向伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨、导向杆、汽缸和定位销组成。

图5 后前部柔性定位装置结构图

为了保证X、Y、Z轴三轴均可自由调整，且满足主定位精度（±0.15 mm）要求，结构采用伺服电机带动滚珠丝杠的方式来实现自动切换。通过对公司现有车型及将来车型的研究，要满足所有车型的切换，机构只要满足如下调整量即能达到全柔性切换，各车型定位孔坐标如表1所示。前定位：X∈（0，200），Y∈（0，110），Z∈（0，80）后定位：X∈（0，500），Y∈（0，110），Z∈（0，140）.

表1 各车型定位孔坐标

多自由度柔性拼台工装见图6.

图6 多自由度柔性拼台工装

柔性拼台以GP50车身坐标作为基准，加入各个车型，考虑焊接和输送的可行性等条件调整其它车型的位置，达到车型共线。由前、中、后部定位三类6套左右对称工装组成[2]。

前部主定位：设计移动量：X：200，Y：120，Z：100.现有车型移动量：X：193，Y：102，Z：77.7.有覫′16与覫′20两种定位销选择，X、Y、Z靠伺服电ф机驱动，外部增加直线位移传感器进行反馈，保证机构到达理论位置[3]。

中部定位：中部支撑靠托住车身侧围翻边支撑，只有Z方向的运动，设计运动高度：100.

后部主定位：设计移动量：X：460，Y：50，Z：145.现有车型移动量：X：449，Y：43，Z：129.7.有覫′16覫′20定位销，X、Y、Z靠伺服电机驱动，外部增加直线位移传感器进行反馈，保证机构到达理论位置。

多自由度柔性工装开发，主要应用于公共补焊线，可实现任意车型的柔性共线生产。系统以轴为单元，采用模块化、系统化、集成设计，结构紧凑，具有人机交互界面的标准控制程序，可实现14轴同时控制，且Z方向6轴同步升降定位，保证车型间夹具切换的一致性[4]。

在车型切换方面，可以将定位装置切换时间控制在2.5 s以内，大大提高了车型切换的时间。

3 新型大柔性车身定位工装的应用

目前已完成了一个大柔性工装的试制，并进行机械、控制集成等调试工作，实现小批量验证。效果符合设计预期。

（1）机械部分：滚珠丝杆和直线导轨组合设计，保证了各定位单元在X、Y、Z三个方向稳定、顺畅的移动，可以有效实现多车型顺利快速切换，节约了新线定位工装设计、加工成本。拼台负载达到280 kg，超过了进口的FRES、FANUC、ABB等品牌。实测定位精度在±0.1 mm以内，完全满足设计需求，达到市场竞品的精度等级。单套多自由度定位装置仅重140 kg.

（2）控制部分：形成一套具有人机交互界面的可修改的标准控制程序（如图7），只要输入车身定位信息，即可完成新车型的导入。14个伺服电机驱动14根轴同时动作，实现6轴同步升降，快速完成车型定位切换。

图7 操作箱和触摸屏

4 技术创新点

本装置具有以下创新点：

（1）可实现多车型的柔性切换，解决现有公共补焊线只能满足4种车型共线生产的困状。

（2）在Z方向可以满足6轴同步升降定位，保证了夹具定位的一致性。

（3）14轴同时控制，可以准确、快速地实现任意车型定位装置的切换，切换速度在2.5 s以内，车型切换几近无缝切换，节约了生产线车型切换的等待时间。

（4）滚珠丝杠副可进行预紧并消除间隙，轴向刚度高，反向时无空行程（死区），定位精度高，可实现X、Y、Z三方向任意精确位置定位。定位销位置精度可以控制在±0.1 mm.

（5）采用直线导轨和直线轴承结合的导向方式，保证各方向运动的稳定性。

（6）该结构不仅能用在夹具定位，还可以扩展成3轴、4轴、5轴的自动焊机。

（7）磨损小，寿命长，维护简单。

5 结束语

本文重点介绍了多自由度定位系统的设计原理、设计过程、结构特点，该定位系统的核心内容是多个运动轴的组合，满足一定的运动范围，还要同步运行和精确到位，最后是实现人机交互的自动化控制。实物的运行达到了预期的精度要求。

根据该多自由度定位系统的参数特点和厂内车型规划，该系统完全可以兼容厂内未来车型，包括中大型的MPV和SUV，对于后期生产线的车身主定位夹具设计，可以使用模块化的多自由度定位装置进行组合设计，快速实现工装的高柔性，也可根据实际需要，加大机构强度，增加电机功率，从而提高拼台的负载，进一步扩大多自由度定位装置的适用范围。

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]邓仕珍，范淼海.汽车车身制造工艺学[M].北京：北京理工大学出版社，1997.

[3]杨握铨.汽车焊接技术及夹具设计[M].北京：北京理工大学出版社，1996.

[4]机械工程师手册编委会.机械工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

Multi-degree Freedom Locating System

YANG Zhi-yuan，DAIWei，LIU Guo-bin，CHENG Zhi-qun
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

The paper deigns a multispindle locating system with accurate sliding freely by automatic control and combining screw rod and sliding together since body master location lacks of flexibility now.The system can improve tooling flexibility and fulfill quick switch of vehiclemodels and quick leading-in of new models.It also introduces the design theory，process，structural features and application effect.

body closure；tooling；flexibility；master location；respot line

U466

A

1672-545X（2017）04-0212-03

2017-01-01

杨志源（1986-），男，广西柳州人，本科，工程师，主要从事汽车制造的研究。