钢制电池盒托盘自动化生产线方案规划与工艺优化研究
谭增欣1
摘要：鉴于新能源汽车在我国的高速发展，针对新能源汽车一种钢制电池盒托盘自动化点焊生产线的布局和优化，以达到节省投资、减少占地、节约人工的目的。
关键词：钢制电池盒托盘，自动化点焊生产线，方案规划和工艺优化
Research on proposal planning and process optimization of steel battery box tray automatic production line
Tan Zengxin1
Abstract: As the rapid development of new energy vehicles in China, the proposal planning and process optimization of a steel battery box tray automatic spot welding production line for new energy vehicles, in order to achieve the purpose of saving investment, reducing occupation, saving labor.
Key Words: Steel battery box tray, automatic spot welding production line, proposal planning and process optimization
一，引言
随着国家节能减排、发展低碳经济战略实施，新能源汽车整体趋势有了进一步发展，自2016年起，我国连续5年成为新能源汽车产销量最大的国家。新能源汽车的电池技术也经历了一系列重大技术突破，由一开始的铅酸电池到磷酸铁锂电池再到三元锂电池。电动车安全问题始终是大家关注的焦点，而作为新能源电池的承载和安全控制部分，电池盒托盘的安全可靠性就显得尤为重要。
目前市面上主要为两种电池盒托盘，一种为钢制，一种为铝制，相对于铝制电池盒托盘，钢制托盘重量较大，但生产工艺比较简单，生产成本较低。本文以某公司钢制电池盒托盘为例，初步讨论钢制电池盒托盘生产线前期方案规划和后期工艺优化。
二，前期方案说明
在汽车自动化领域，得益于可编程、拟人化、通用性和智能性四大特点，工业机器人成为汽车自动化生产的核心。在具体的生产制造中，大部分方案规划都围绕工业机器人和周边配套设备来设计。一般地，汽车焊接自动化生产规划包含如下设备：1.工业机器人 2.机器人管线包 3.机器人底座 4.点焊枪 5.点焊控制器 6.点焊修模器 7.弧焊枪 8.弧焊设备（包含弧焊控制器，送丝器，送丝桶） 9.弧焊清枪器 10.抓手 11.滑台/转台 12.焊接夹具 13.PLC系统 14.焊接电源柜 15.光栅/区域扫描设备 16.围栏/焊房设备 17.安全门及安全门锁 18.各类支架 19.HMI操作屏 20.按钮盒 21.HIP/RIP 22.周边设备（吊具/助力臂，龙门架，料箱等）
前期方案规划一般围绕以下方面考虑：
1.节拍 2.产品特性 3.工艺（流程和循环） 4.设备数量和品牌 5.占地 6.物流 7.电气通信 8.安全防护 9.实施成本（包含整体硬件成本、人员成本、生产消耗成本以及阶段性投资） 10.支出（管理费用、财务费用、杂项和其他费用） 11.运输 12.利润
综合以上条件和客户倾向，在甲乙双方多次沟通交流后形成最终方案，定点项目。
三，项目阶段工艺优化的目的
在方案确定项目点后，由于项目执行阶段可能发生的产品设计变更、客户需求更改、预算缩减、新技术应用、项目设计或仿真过程中产生问题、工艺流程变更或优化等情况，会导致原先方案在项目执行阶段需要进一步优化。此时需要专门的工艺人员持续与客户以及项目执行人员交流，优化工艺并推动项目进行，从而达到各方均满意的状态，确保项目顺利稳步地执行。
四，项目优化案例
图1为钢制电池盒托盘产品3D数模，由分析得此产品最短工艺需要三序点焊一序弧焊完成。产品共550多个焊点，节拍要求600s/件。由于焊点比较简单，按照平均3.2s一个焊点计算得出需要3台点焊机器人，一台弧焊机器人。
图2为初步焊接工艺，考虑单机器人对两幅夹具形式，为平衡节拍，点焊分为6序，弧焊1序。OP10为分总成点焊，OP20为总成点焊，OP30为总成补焊，OP40为总成总成点焊，OP50为总成点焊，OP60为总成点焊，OP70为总成弧焊。
图3为初步布局图。每个站由一台机器人和两个伺服滑台组成，滑台上夹具具有旋转180度功能，当左侧夹具滑台滑进焊接工位焊接时，右侧夹具在上件位，操作工在右侧夹具上下件；左侧靠近机器人一端焊点焊完时夹具旋转180度，机器人继续焊接夹具另一侧焊点；当左侧夹具焊接完成时，左侧滑台滑出，操作工在左侧上下件，右侧滑台滑进焊接位，机器人开始焊接；如此循环。当第三个点焊站OP60工位焊接完成后，操作工将工件放到OP70弧焊工位由机器人弧焊，弧焊完成后操作工将工件放入最右侧检具检测。
主要设备如下：点焊机器人3台，点焊设备3套，点焊夹具6套，伺服滑台6套，弧焊机器人1台，弧焊设备1套，单轴变位机1套，弧焊夹具1套，吊具4套，PLC共用1套，检具1套。需要4个操作工，占地546m2。
通过进一步评估产品以及内部讨论确定此产品可以三序点焊完，并且夹具可以通过不同气路控制分布压紧得方式将点焊三序做成共用夹具，工艺优化为下图点焊四序弧焊一序。OP10为分总成点焊，OP20为总成点焊，OP30为总成点焊，OP40为总成补焊，OP50为总成弧焊。（图4）
图5为优化后布局图。P1和P3为上件位置，P2为焊接位置，P4为下件位置。将两幅相同夹具放在一根长滑轨上，R1R2机器人为拿焊枪的焊接机器人，分别位于P2焊接位两侧，夹具可省去旋转功能，R3为搬运机器人配固定焊枪，R4为弧焊机器人。当左侧夹具滑动到P2中间焊接位置时，右侧夹具在P3位置上件；待左侧夹具焊接完成后滑回P1位置上件，右侧夹具滑动到P2位置焊接。如此循环上件/焊接三次后，R3机器人抓取P2焊接位置焊接完三序的工件进行补焊，补焊完成后将工件放入弧焊工位，R4机器人进行弧焊，待R4机器人弧焊完成后将工件由弧焊位置抓到下线滑台上，下线滑台滑倒P4位置后由操作工下线搬到检具上。由于R3机器人使用单面抓手降低机器人负载，故需要在下线滑台旁增加一处缓存架保证线体正常循环。
大滑台上夹具简易循环见图6
主要设备如下：点焊机器人3台，点焊设备3套，点焊夹具2套，单面抓手1套，伺服滑台1套，气动下件台1套，缓存架1套，弧焊机器人1台，弧焊设备1套，单轴变位机1套，弧焊夹具1套，吊具3套，PLC1套，检具1套。需要3个操作工，占地220m2。
现场调试图片见图7：
后续由于产能翻倍，节拍减少为300s，并且为了节省投资，决定直接在线体上改造来适应新产能。通过计算得知焊接功能的机器人需要增加3台，弧焊机器人需要增加1台。从减少厂房占地、共用现场已有设备、方便人工操作等方面出发，最终得到如下最终布局（图8）。
滑台上夹具上件循环和改造前一致，大滑台改为5个位置，其中P1和P5为上件位，P3为焊接位，P2和P4为搬运位置，R1R2R5R6机器人在P3焊接完成后夹具滑动到P2/P4，由R3/R7机器人抓取到P6弧焊位置，弧焊完成后由R3/R7机器人抓取到P7下件滑台处人工下件。
主要设备如下：点焊机器人6台，点焊设备6套，点焊夹具2套，单面抓手2套，伺服滑台1套，气动下件台2套，缓存架2套，弧焊机器人2台，弧焊设备2套，单轴变位机2套，弧焊夹具2套，吊具2套，PLC1套，检具1套。需要4个操作工，占地300m2。
最终现场生产见图9。
如使用最初版单机站方案，遇到扩能后需要完全复制一条线体，最终设备如下：点焊机器人6台，点焊设备6套，点焊夹具12套，伺服滑台12套，弧焊机器人2台，弧焊设备2套，单轴变位机2套，弧焊夹具2套，吊具8套，PLC2套，检具1套。需要8个操作工，占地1092m2。
比较可得，改造成自动化线体后节省了夹具10套、伺服滑台约10套、吊具6套、PLC1套，增加了抓手2套、气动下件台2套、缓存架2套，同时占地节省了4个操作工和厂房占地792m2。直接设备节省约200万元，操作工和厂房节省约60万每年。
五，结论
方案是整个项目的总体规划，是项目中机械设计的指导，也是电气逻辑循环的大纲，直接影响到后期项目是否能顺利实施。一个优秀的产品方案不仅仅要对产品的特征、节拍、工艺进行分析，还需要合理规划设备以减少投资，并且需要考虑工厂周边已有设备布局，也要合理考虑方案内设备摆放、物流规划等以减小设备占地，更需要为未来可能的产能提升做预留。
参考文献
无
来源: 《汽车制造业》杂志 2022年第3期
