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柔性制造技术在汽车行业的发展趋势
作者:李红亮
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汽车与公路设备展厅
乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ...
在花样繁多的新车型不断刺激消费者的眼球的同时,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,如何令您的生产线跟上快速变化的汽车加工需求?本文着重介绍了三类在汽车行业应用较广的柔性制造技术。

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,如最早的“老三样”的更新换代时间为8~10年左右,到现在车辆的换型时间平均为2~3年,甚至每年都进行车型年改进(modal-year facelift)。在花样繁多的新车型不断刺激消费者的眼球的同时,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。

现根据笔者在汽车行业的经历和亲自参与的相关项目,对柔性技术进行介绍:车身分层制造技术、柔性检测系统、柔性在线视觉测量系统技术和柔性包边(滚压roller hemming)技术等几种典型的汽车制造方面的技术,通过进行上述项目的实施,来降低制造工艺开发环节的成本。

柔性制造技术与汽车行业

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,把以往工厂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。

柔性制造技术对汽车制造行业起了重要的作用,尤其在使多成型混线生产成为可能;缩短了制造周期;降低开发成本;柔性设备使功能进行扩展等方面表现卓越。

根据汽车行业常用的柔性技术方面可以归为三类:

* 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)

工艺规划设计方面——Layer build工艺设计技术

★Layer build技术:这是一种较为先进的车身设计技术,它由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: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、克鲁兹同属于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。

产品检测方面——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。

针对检具单一性、人为误差、占有效工作面积等缺点,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(如图1所示):

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柔性支架的优点比较多,如:

* 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。由于这些组件为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。

在使用过程中,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,使用方法如上。

总而言之,使用柔性测量系统,能够最大程度减少制造专用检具,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;还能自动的批量进行检测,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。

产品检测方面——工业视觉测量分析系统

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。

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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:

1)采用非接触式测量方式,提高了相应速度,对生产线影响小;
2)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;
3)适用于不同车型混线生产的测量要求;
4)适合在安全风险高、人机工程恶劣、环境差的区域工作。

在汽车行业的测量中,应用较多的是在线尺寸检测功能(Vision System),通常采用东台检测方式,对车身尺寸进行检测。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,并能将发现的问题及时进行报警。

采用这种检测方式,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。但是,这种方式设备初期的一次性费用投入较大;测量精度较CMM低,同时对恭维的定位精度要求也较高。

工艺制造方面——Roller hemming(滚边技术)

Roller hemming(滚边技术)的概念主要包括两大部分:

>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。

采用机器人滚边系统,能令模具数量较少,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比较短。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。

柔性汽车制造技术前景展望

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。

福特已经试图大量运用3D打印技术,已知的应用了该项技术的零部件即包括:福特C-MAX和福特福星混合动力车里的转子,阻尼器外壳和变速箱;福特翼虎复合动力车使用EcoBoost四气缸发动机;福特2011版探险家的刹车片;福特F-150的3.5LEcoBoost引擎里的排气导管。

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,为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。今天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,将很多领域在未来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。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2013-10-14)
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