小批量多品种汽车保险杠柔性激光切孔解决方

标题：小批量多品种汽车保险杠柔性激光切孔解决方案

关键字：汽车,保险杠,激光切割,柔性加工

摘要：汽车产业要求供应链采用柔性设备取代专机。普聚智能系统开发的全柔性保险杠激光切孔系统可兼容8种产品，及其高中低配。通过快速更换胎具，可实现柔性无限扩展。

像美国一样，中国已经成为车轮上的国度，轿车进入社会生活的方方面面，汽车工业随之蓬勃发展，到如今呈现如下特点：

l市场接近饱和，增长率呈下降态势，甚至萎缩；

l多品牌、多型号残酷竞争，除少量“常青藤”车型保持数十万以上的年销量外，绝大部分车型的年销量只有几万辆甚至不足一万辆；

l车型升级周期缩短；

l缺乏实质性技术进步而不得不注重造型和内外饰件的个性化和功能化。

总的特点是多品种、个性化、小批量、低库存、以销定产。对于配件供应商而言，开发适应于多品种配件生产的柔性设备变得非常重要。

普聚智能系统开发的汽车保险杠激光柔性切孔系统

01保险杠切孔需要柔性设备

汽车保险杠蒙皮上有很多孔，常见的有牌照安装孔、雷达孔和摄像头孔、安装螺丝的孔等。其中一些孔可以通过注塑模具成型，但由于以下原因，有些孔只能在产品注塑成型后冲切：

l同一车型，不同档次，配置的雷达个数和位置不一样，低端配置可能不需要摄像头。由于注塑模具成本很高（高达数百万人民币），不可能为每个档次都开模具。

l特殊孔型和位置造成模具设计困难。

传统的保险杠生产工艺流程如下：

其中，冲孔制程使用定制的专用设备。专用设备的优点是造价低，生产效率高，但由于车型的多品种、小批量、短开发周期和短生命周期的特点，专用设备并不适合汽车产业的发展趋势。以一个生产保险杠的典型汽车外饰件工厂为例，如果供应10个当前正在销售的车型需求、20个停产车型的维修市场，所需的专用冲切设备就至少多达30个，占地面积巨大。假定10个在产车型年均产量2万套，20个维修市场老旧车型年均产量套，总共年产量24万套，平均每台设备年产量套，平均每天产量32套。设备严重开工不足。

图1：保险杠冲孔专用设备

对于新开发的车型，如果市场推广失败，为其投入专用冲孔设备也不得不报废。无论对于整车厂还是配件供应商，这都是很大的财务风险。

汽车行业呼唤一种柔性冲孔设备，可以兼容多款产品，可以快速切换产品。

02传统的切孔设备及其柔性发展

1)机械冲孔专机

如上图1所示，机械式冲孔专机由专用胎具和冲切单元组成。胎具上的仿形块确保上料定位精度，在需要冲孔的位置下方布置冲切头的下模。冲切单元按设计的位置和角度布置在产品的上方，由液压或气缸驱动。冲切模具容易磨损，因而是耗材。

近年来有人使用超声波冲孔组件取代机械模切冲头。超声波冲切组件由超声波发生器和上、下模头构成，功效略低于机械冲头，但冲孔质量更好。

图2：超声波冲孔效果

机械冲孔专机是高度定制化的，不同形状的产品不能在同一台设备上冲孔。

2)冲焊一体机

把雷达支架或摄像头支架的焊接工位整合到冲孔机中，形成冲焊一体化设备，不但减少了焊接机的占地面积，而且还减少一次上料装夹和下料，缩短了制程，降低了用工成本。

显然，冲焊一体机并没有解决柔性问题。

图3：冲焊一体化专机

3)机器人柔性冲孔站

图4展示基本的机器人切孔站的组成，由机器人、超声波冲切单元、双工位转台组成。机器人提供了切孔位置的柔性；二工位转台将加工区和上下料区分隔开，以便并行工作提高效率；冲切单元通过快速换枪盘与机器人连接，通过更换冲切单元适应不同孔位上的不同孔型的柔性要求。

图4：机器人柔性冲孔站

已有柔性胎具投入使用，可通过PLC控制变换仿形块，一副胎具最多可兼容4款产品，如图5。

图5：柔性胎具，通过旋转连杆的转动变换胎具

总结一下，机器人解决了切孔位置柔性，快速换枪盘解决了孔型的柔性，柔性胎具解决了产品快速更换的柔性，似乎全部问题得到了完美解决。然而，每一种孔型都需要单独准备一个冲切单元，每个冲切单元都要单独配置一台超声波发生器，系统的柔性受到极大的限制。

超声波冲孔和机械冲孔一样，需要冲头上下合模，特殊位置的孔由于空间局促，下模无法抵达孔位，因而无法冲切，如图6。

图6：倒车影像摄像头安装孔，由于位置特殊空间局促，冲切单元的下模无法抵达孔位

有没有一种万能的冲切组件，可以适用所有的孔型呢？

03CO2激光器的切孔效果满足汽车保险杠切孔

1)激光切孔效果

用于切割的激光器又两种，一种是大功率光纤激光器，波长nm，另一种是CO2激光器，波长nm。由于不同材质对的激光的吸收效率不同，前者更适合于金属材料的切割，后者适合于非金属材料。

图7展示瓦的光纤激光和瓦CO2激光器的切孔效果对比，显然CO2激光更适合于保险杠蒙皮的切割。

图7：两种激光器切割效果对比

以下表格列出两种激光器切割效果评价。

由于激光切孔是非接触的，加工时不需对工件施加机械力，因而无需下模配合，所需胎具相对简单，更加适合于新产品的快速导入。

2)现有的柔性方案

方案1——内导光臂系统

采用CO2激光器，内导光臂（光路在机器人中空手臂内传播），通过机器人编程实现切割路径（孔型），如图8。该系统的优点是光路全封闭，其弱点是：①内导光臂的机器人最多只有5轴，限制了切割位置的柔性；②切割速度快了图形精度大幅度降低，在精度要求+/-0.05mm的情况下切割速度通常不能超过15mm/s；③成本较高。

图8：内导光臂机器人激光切割系统

方案2——外导光臂系统

采用CO2激光器，外导光臂，通过机器人编程实现切割路径（孔型），如图9。该系统的优点是光路全封闭，且成本适中；可用6轴机器人（或再增加扩展轴），切割位置柔性大大增强。其弱点是：①机器人快速运动移位时导光臂剧烈摆动，导光臂关节轴承会因过载而磨损，长期磨损导致精度降低；②与内导光臂系统相同，切割速度快了图形精度大幅度降低。

图10：外导光臂激光切割系统。

04普聚智能系统的全柔性激光切孔解决方案

图11：普聚智能系统设计制造的保险杠柔性切孔站投入量产

普聚智能系统开发了全柔性激光切孔解决方案，具有如下特点：

1.采用瓦射频管CO2脉冲激光器。

2.采用机器人加外导光臂系统，成本适中。

3.机器人背负激光器，减小了导光臂长度，且极大降低导光臂摆动幅度，从而大幅增加机器人移位速度。

图12：机器人背负激光器

4.采用自主开发的XYR切割组件，用XY平台执行切割路径，图形精度≤±0.05mm，切割速度可高达mm/s。

图13：XYR切割模组

5.R轴旋转切割头角度，用以实现斜孔切割，或避让产品上有干涉的局部结构。

图14：用R轴旋转切割头角度，避让有干涉的局部结构

6.采用二工位旋转工作台，分离切孔区与上下料区，实现切割与上下料并行操作，提升设备效率。

图15：设备平面布局

7.两副柔性胎具，可兼容8种产品，每种产品又分为高、中、低三种配置，可编制24个切割程序。用旋钮选择胎具位和切割程序，或用码枪扫工件上的产品码自动切换胎具和切割程序，从而实现“一键切换”。

图16：通过操作面板上的旋钮选择胎具位和切割程序。

8.胎具设计为快装结构，胎具ID自动识别，通过更换胎具，设备柔性可无限扩展。