譚增欣1 陳路2

摘要：鑒于鋰離子電池在汽車行業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，針對(duì)兩種相似鋼制電池盒托盤共線生產(chǎn)，但各工序不能共用夾具的自動(dòng)化點(diǎn)焊生產(chǎn)線的布局和優(yōu)化研究，以達(dá)到平衡物流、優(yōu)化節(jié)拍、節(jié)省投資、減少占地、節(jié)約人工的目的。

關(guān)鍵詞：鋼制電池盒托盤，自動(dòng)化點(diǎn)焊生產(chǎn)線，兩種產(chǎn)品共線生產(chǎn)，各工序非共用夾具，方案規(guī)劃

Research on proposal planning and process optimization of steel battery box tray of non-common fixture automatic production line

Tan Zengxin1 Chen Lu1

Abstract:? In view of the wide application of lithium ion battery in the automobile industry, the layout and optimization of the automatic spot welding production line for two similar steel battery boxes and trays, but each process can not share the fixture, in order to balance the logistics, optimize the cycle time, save investment, reduce the footprint, save labor.

Key Words:? ??Steel battery box tray, automatic spot welding production line, the two products are produced in line, each process is not shared fixture, proposal planning

一，引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，新能源汽車在“環(huán)保、智能、駕駛性能”等方面形成了對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)銷量保持高速增長(zhǎng)，截止2022年底，新能源汽車銷量超過(guò)680萬(wàn)輛，市場(chǎng)占有率提升至25.6%，新能源汽車的興起已經(jīng)成為了全球汽車行業(yè)的趨勢(shì)。新能源汽車，無(wú)論是目前火熱的電動(dòng)汽車還是未來(lái)零排放的燃料汽車的發(fā)展均離不開(kāi)電池技術(shù)的進(jìn)步。

鋼制電池盒是一種新能源汽車電池包裝形式，主要由鋼材制成，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、防爆等特點(diǎn)。相比于其他材料制成的電池盒，鋼制電池盒具有更好的安全性能和耐久性，能夠有效地保護(hù)電池模組，防止電池受到外部沖擊和損壞。鋼制電池盒在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為新能源汽車電池包裝的重要形式之一。這主要是因?yàn)殇撝齐姵睾芯哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

1. 安全性能好：鋼制電池盒可以提供更好的防火、防爆、防撞擊等保護(hù)，能夠有效地保護(hù)電池模組，防止電池受到外部沖擊和損壞，從而提高了電池的安全性能。

2. 耐久性好：鋼制電池盒也可以采用超高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及先進(jìn)鍍層技術(shù)，提高強(qiáng)度和耐腐蝕性，從而提高了電池的使用壽命。

3. 適應(yīng)性強(qiáng)：鋼制電池盒可以根據(jù)不同的電池模組進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)各種不同的電池尺寸和形狀，從而提高了電池的適應(yīng)性和靈活性。

4. 成本較低：相比于其他材料制成的電池盒，鋼制電池盒的成本較低（相比鋁制電池盒托盤可以降本超過(guò)30%），能夠有效地降低電池包裝的成本，從而提高了整個(gè)新能源汽車的競(jìng)爭(zhēng)力。

5.環(huán)保性好：鋼制電池盒的碳排放更低，相比鋁制電池盒在生產(chǎn)過(guò)程中可以節(jié)省更多的能源和資源。鋼制電池盒托盤也更容易回收利用，符合環(huán)保理念。

總之，鋼制電池盒作為一種新型的電池包裝形式，具有良好的安全性能、耐久性能和適應(yīng)性能，已經(jīng)成為新能源汽車電池包裝的重要形式之一。

新能源汽車補(bǔ)貼政策已經(jīng)于2022年12月31日終止，這對(duì)于新能源汽車行業(yè)和主機(jī)廠都是一個(gè)重大的變化。補(bǔ)貼的退出將促使新能源汽車行業(yè)從政策驅(qū)動(dòng)向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型，也將加速行業(yè)的整合和優(yōu)勝劣汰。同時(shí)，補(bǔ)貼的退出也會(huì)影響消費(fèi)者的購(gòu)買意愿和選擇，制造成本成為車企的重要考量。鋼制電池盒基于成本、安全和環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)，以及在重量方面的可控性重新得到各主機(jī)廠青睞。

本文繼續(xù)以某公司兩種不同的鋼制電池盒托盤為例，討論兩種或多種鋼制電池盒托盤非共用夾具自動(dòng)化生產(chǎn)線的方案規(guī)劃和工藝優(yōu)化研究。

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二，方案說(shuō)明和產(chǎn)品介紹

前期方案考慮和項(xiàng)目階段工藝優(yōu)化目的已在之前文章提到過(guò)，此處不再贅述，下面直接介紹產(chǎn)品：

產(chǎn)品一包含下殼體（見(jiàn)圖1）和上蓋（見(jiàn)圖2）需要焊接。

產(chǎn)品二僅含下殼體（見(jiàn)圖3）需要焊接。

此項(xiàng)目要求生產(chǎn)節(jié)拍600s/件，并且兩種產(chǎn)品共用焊接生產(chǎn)線。

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三，焊接內(nèi)容和工藝分布

按照各部件搭接關(guān)系和焊點(diǎn)分布將產(chǎn)品一分為以下工序（見(jiàn)圖4，圖5，圖6，圖7，圖8）：

將產(chǎn)品二分為以下工序（見(jiàn)圖9，圖10，圖11）：

由于產(chǎn)品二焊點(diǎn)和工序均比產(chǎn)品一少，產(chǎn)品相似且結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，故采用生產(chǎn)線上切換夾具和抓手方式來(lái)切換生產(chǎn)產(chǎn)品一和產(chǎn)品二，后續(xù)工藝分析重點(diǎn)分析產(chǎn)品一。

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四，布局規(guī)劃

考慮到電池托盤產(chǎn)品特性為長(zhǎng)度2米左右，寬度1.5米左右，大部分平面焊點(diǎn)，少部分立面焊點(diǎn)，故變位機(jī)在電池托盤中應(yīng)用較少，大部分方案使用滑臺(tái)來(lái)傳遞各工位工件，使得機(jī)器人可以在電池托盤兩側(cè)焊接，以下為布局圖（見(jiàn)圖12，隱藏圍欄和維修門等外圍設(shè)施）。

其中藍(lán)色區(qū)域OP10，OP20為左側(cè)人工上件位，藍(lán)色區(qū)域OP30和OP40為右側(cè)人工上件工位；OP10和OP20通過(guò)固定連接和一個(gè)伺服電機(jī)在大滑臺(tái)上一起滑動(dòng)，OP30和OP40通過(guò)固定連接和一個(gè)伺服電機(jī)在大滑臺(tái)上一起滑動(dòng)。

紅色區(qū)域?yàn)闄C(jī)器人焊接工位，此區(qū)域有四臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人R1,R2,R3,R4，R1,R2機(jī)器人中間為上蓋焊接滑臺(tái)，上蓋通過(guò)兩工位小滑臺(tái)滑進(jìn)滑出，小滑臺(tái)外側(cè)為上件位，內(nèi)側(cè)為R1,R2上蓋焊接位。R3,R4機(jī)器人下方為分拼夾具焊接處，固定夾具形式。當(dāng)大滑臺(tái)上工件移動(dòng)到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人工作時(shí)，R1,R2焊接上蓋，R3,R4焊接分拼夾具。

綠色區(qū)域?yàn)榘徇\(yùn)機(jī)器人抓取工位，此位置上方含有固定弧焊設(shè)備和兩套空中快換抓手，機(jī)器人通過(guò)切換不同抓手來(lái)適應(yīng)兩種電池托盤。R5為搬運(yùn)機(jī)器人，機(jī)器人左側(cè)為雙層緩存架，機(jī)器人右側(cè)為固定點(diǎn)焊設(shè)備和快換焊槍和支架。R5搬運(yùn)機(jī)器人負(fù)責(zé)切換OP10,OP20,OP30和OP40夾具上的工件以及最終產(chǎn)品搬運(yùn)到下線滑臺(tái)，夾具上工件切換完成后，機(jī)器人在快換焊槍和支架處切換為焊槍，焊接固定架。

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五，工藝循環(huán)和節(jié)拍計(jì)算

1，鋪線階段：

OP10夾具開(kāi)始上件（見(jiàn)圖13），完成上件后OP10夾具移動(dòng)到焊接區(qū)域由R1R3焊接，焊接完成后移動(dòng)到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP10工件抓放到OP20工位，完成抓取后OP10和OP20夾具回到左側(cè)上件位，OP10和OP20夾具同時(shí)上件（見(jiàn)圖14）。

OP10和OP20夾具共同移動(dòng)到焊接位由R1R2R3R4焊接（見(jiàn)圖15），完成焊接后OP10和OP20夾具移動(dòng)到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件放到緩存架上再將OP10工件放入OP20夾具上（見(jiàn)圖16），OP10和OP20夾具回到左側(cè)上件位上件。大滑臺(tái)移動(dòng)和搬運(yùn)機(jī)器人工作時(shí)，R1R2機(jī)器人焊接上蓋板，R3R4機(jī)器人焊接分拼夾具。

搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件從緩存架上抓放到OP30夾具上（見(jiàn)圖17），OP30夾具滑到右側(cè)上件位上件，上完件后滑到焊接位由R1R3機(jī)器人焊接，焊接完成后移動(dòng)到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP30工件抓放到OP40夾具上。OP10和OP20夾具上件后滑到焊接位由R1R2R34機(jī)器人焊接（見(jiàn)圖18）。

OP10和OP20夾具焊接完成后移動(dòng)到抓取位置，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件放到緩存位，將OP10工件放到OP20夾具上，OP10和OP20夾具滑回左側(cè)上件位上件（見(jiàn)圖19）。OP10和OP20夾具上完件后滑動(dòng)到焊接位由R1R2R3R4焊接，搬運(yùn)機(jī)器人R5將緩存架上的OP20工件放到OP30夾具上，OP30和OP40滑倒最右側(cè)上件（見(jiàn)圖20）。

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2，循環(huán)生產(chǎn)階段：

焊接完成的OP10和OP20夾具移動(dòng)到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件抓放到緩存架上，將OP10工件放倒OP20夾具上，完成搬運(yùn)后OP10和OP20夾具移動(dòng)到上件位上件。R1R2R3R4機(jī)器人開(kāi)始焊接上蓋板和分拼夾具（見(jiàn)圖21）。OP30和OP40移動(dòng)到焊接位，R1R2R3R4開(kāi)始焊接OP30和OP40夾具（見(jiàn)圖22）。

OP30和OP40夾具焊接完成后移動(dòng)到抓取位，OP10和OP20夾具移動(dòng)到焊接位，R1R2R3R4機(jī)器人開(kāi)始焊接（見(jiàn)圖23）。搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP40工件放在緩存架上，再將OP30工件放在OP40夾具上，再將緩存架上的OP20工件放在OP30夾具上，完成搬運(yùn)后OP30和OP40夾具滑動(dòng)到最右側(cè)上件位上件（見(jiàn)圖24）。

搬運(yùn)機(jī)器人R5抓取緩存架上的OP40工件在OP50固定點(diǎn)焊工位進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊完成后在大滑臺(tái)上方OP60固定弧焊槍位置進(jìn)行固定弧焊補(bǔ)焊，再將焊接完成的工件放入下線滑臺(tái)（見(jiàn)圖25）。之后R5機(jī)器人在大滑臺(tái)上方的空中抓手切換架脫掉抓手，到下線滑臺(tái)旁的快換焊槍支架處裝上小焊槍，對(duì)固定架夾具上的固定架分總成進(jìn)行焊接。焊接完成后到快換焊槍支架處脫掉小焊槍，再到大滑臺(tái)上方空中抓手處裝上抓手（見(jiàn)圖26）。

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3，清線階段：

OP10和OP20夾具焊接完成后移動(dòng)到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP20工件抓到緩存架上，再將OP10工件抓到OP20夾具上（見(jiàn)圖27），OP10和OP20夾具滑倒左側(cè)上件臺(tái)，OP10停止上件，只上OP20工件。OP30和OP40夾具滑到焊接位，R1R2R3R4機(jī)器人進(jìn)行焊接（見(jiàn)圖28）。

焊接完成的OP30和OP40夾具滑倒抓取位，R5機(jī)器人抓取OP40工件到緩存架上，將OP30工件抓到OP40夾具上，再將OP20工件從緩存架抓到OP30夾具上（見(jiàn)圖29）。抓放完后OP30和OP40夾具滑到最右側(cè)上件臺(tái)上件。OP20夾具上件完成后滑到焊接位進(jìn)行焊接。搬運(yùn)機(jī)器人R5將緩存臺(tái)上的工件補(bǔ)焊后放倒下件滑臺(tái)上（見(jiàn)圖30）。

OP20夾具焊接完成后滑到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5抓取OP20工件到緩存臺(tái)上，OP10和OP20空夾具滑動(dòng)回左側(cè)上件位。OP30和OP40夾具滑動(dòng)到焊接位，R1R2R3R4機(jī)器人進(jìn)行焊接（見(jiàn)圖31）。OP30和OP40夾具完成焊接后滑到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP40工件抓到緩存位，將OP30工件抓到OP40夾具上，將緩存架上的OP20工件抓到OP30夾具上（見(jiàn)圖32）。

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OP30和OP40夾具滑到最右側(cè)上件位進(jìn)行上件，搬運(yùn)機(jī)器人將緩存架上的OP40工件補(bǔ)焊后放在下件滑臺(tái)上（見(jiàn)圖33）。OP30和OP40夾具上完件后滑動(dòng)到焊接位，R1R2R3R4機(jī)器人進(jìn)行焊接（見(jiàn)圖34）。

OP30和OP40夾具完成焊接后滑到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5將OP40工件抓到緩存架上，將OP30工件抓到OP40夾具上（見(jiàn)圖35）。OP30和OP40工件滑到最右側(cè)上件位，OP40夾具上件。搬運(yùn)機(jī)器人R5將緩存架上的OP40工件補(bǔ)焊后放入下件滑臺(tái)（見(jiàn)圖36）。

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OP40夾具上件完成后滑動(dòng)到焊接位，R2R4機(jī)器人進(jìn)行焊接（見(jiàn)圖37），焊接完成后滑動(dòng)到抓取位，搬運(yùn)機(jī)器人R5抓起OP40工件進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊完成后放入下線滑臺(tái)，清線完成（見(jiàn)圖38）。

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六，焊點(diǎn)分配和節(jié)拍計(jì)算

1， 焊點(diǎn)分配：

產(chǎn)品一：

分拼件共76個(gè)焊點(diǎn)，螺母板焊接26個(gè)焊點(diǎn)，固定架80個(gè)焊點(diǎn)，上蓋69個(gè)焊點(diǎn)，OP10共192個(gè)焊點(diǎn)，OP20共193個(gè)焊點(diǎn)，OP30共112個(gè)焊點(diǎn)，OP40共109個(gè)焊點(diǎn)。

R1R2機(jī)器人焊接上蓋板35+34個(gè)焊點(diǎn)，R3R4焊接分拼夾具51+51個(gè)焊點(diǎn)（見(jiàn)圖39）；OP10工位R1焊接91個(gè)焊點(diǎn)，R3焊接76個(gè)焊點(diǎn)，共167個(gè)焊點(diǎn)，剩余25個(gè)焊點(diǎn)后續(xù)補(bǔ)焊；OP20工位R2焊接92個(gè)焊點(diǎn)，R4焊接76個(gè)焊點(diǎn)，共168個(gè)焊點(diǎn)，剩余25個(gè)焊點(diǎn)后續(xù)補(bǔ)焊（見(jiàn)圖40）；OP30工位R2焊接56個(gè)焊點(diǎn)，R4焊接56個(gè)焊點(diǎn)，共112個(gè)焊點(diǎn)；OP40工位R2焊接54個(gè)焊點(diǎn)，R4焊接55個(gè)焊點(diǎn)，共109個(gè)焊點(diǎn)；剩余50個(gè)焊點(diǎn)和9條焊縫R5機(jī)器人進(jìn)行固定補(bǔ)焊（見(jiàn)圖41）；R5機(jī)器人完成固定補(bǔ)焊和搬運(yùn)后切換焊槍進(jìn)行固定架80個(gè)焊點(diǎn)焊接。

產(chǎn)品二：

分拼件共74個(gè)焊點(diǎn)，OP10共111個(gè)焊點(diǎn)，OP20共108個(gè)焊點(diǎn)，OP30共129個(gè)焊點(diǎn)，OP40共237個(gè)焊點(diǎn)。

R1R2機(jī)器人焊接分拼37個(gè)焊點(diǎn)，R3R4機(jī)器人焊接分拼37個(gè)焊點(diǎn)（見(jiàn)圖42）；OP10工位R1焊接56個(gè)焊點(diǎn)，R3焊接55個(gè)焊點(diǎn)；OP20工位R2焊接54個(gè)焊點(diǎn)，R4焊接54個(gè)焊點(diǎn)；OP30工位R1焊接64個(gè)焊點(diǎn)，R3焊接65個(gè)焊點(diǎn)（見(jiàn)圖43）；OP40工位R2焊接65個(gè)焊點(diǎn)，R4焊接65個(gè)焊點(diǎn)，剩余107個(gè)焊點(diǎn)后續(xù)補(bǔ)焊；R5機(jī)器人完成前序剩余的107個(gè)焊點(diǎn)補(bǔ)焊（見(jiàn)圖44）。

1， 節(jié)拍計(jì)算：

由于產(chǎn)品二焊點(diǎn)少于產(chǎn)品一，且一般鋪線和清線都不計(jì)算在節(jié)拍內(nèi)，這里為方便理解，僅給出產(chǎn)品一循環(huán)生產(chǎn)節(jié)拍（見(jiàn)圖45）。

七，周邊規(guī)劃示意，物料流動(dòng)示意和設(shè)備清單

1，周邊圍欄和料箱擺放示意（見(jiàn)圖46）：

2，物料流動(dòng)示意圖（見(jiàn)圖47，圖48）：

3，設(shè)備清單：

略。

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八，總結(jié)

一個(gè)優(yōu)秀的方案需要優(yōu)先考慮最少的設(shè)備投資，最少的操作人員，良好的生產(chǎn)工藝流程，生產(chǎn)過(guò)程中的防錯(cuò)防漏和通暢的物流來(lái)保證順利完成生產(chǎn)，同時(shí)也需要考慮合理的自動(dòng)化率以及合適的周邊輔助設(shè)備來(lái)優(yōu)化人機(jī)操作，減少操作人員工作負(fù)荷，保證各工位節(jié)拍平衡，盡可能使機(jī)器人工作效率達(dá)到95%以上，操作工效率不超過(guò)80%。為后續(xù)工廠自動(dòng)化，數(shù)字化，智能化建設(shè)提供良好保障。

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參考文獻(xiàn)：

無(wú)

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作者簡(jiǎn)介：

譚增欣，男，漢族，本科學(xué)歷，方案工程師，從事汽車行業(yè)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化設(shè)備方案和工藝相關(guān)工作。

陳路，男，漢族，在讀博士，四川省成都市電子科技大學(xué)，從事自動(dòng)化控制相關(guān)研究。