汽车合装失败问题的研究与改进

王恺，李金贵，郑大元

（北京奔驰汽车有限公司，北京 101300）

合装，即将汽车两大主体：车身与底盘，装配在一起的过程。其英文更是被形象地翻译为Marriage。目前汽车行业中，底盘与车身合装的组装模式主要有以下3种：自动导引车AGV（Automated Guided Vehicle）、轨道导引车RGV（Railed Guided Vehicle）以及工位组装，其主要区别在于AGV以及RGV是在生产线移动状态完成合装，而工位组装是在固定工位完成合装。其共同点在于这三种合装模式，均先将车身固定在某一个高度，升降底盘寻找车身，实现合装。该过程中涉及到底盘与车身两个最大主体之间的非常复杂的连接和配合关系，包括发动机，前桥，后桥，传动轴以及车身等重要组件。如何准确实现车身与底盘众多主要组件的定位以满足合装要求是合装设备面临的关键难题。底盘组件之间在合装之前并没有完全固定，底盘的整体姿态依靠托盘实现组件之间的相对位置关系。

在与车身进行合装时，通过托盘主定位寻找车身，使用托盘传递底盘与车身的定位关系。而升降台作为装配过程中主要动作设备，其稳定性将会成为合装定位成功的关键因素。

1 合装定位方案以及存在问题

1.1 合装设备简介

北京奔驰某总装车间合装线采用工位组装模式，其主体设计概念对标德国Kecskemet工厂。合装线由8个工位组成，其中1工位（合装工位）和8工位（分装工位）是由皮带式双剪升降台复合高架链床的复合设备组成，如图1所示。2～7工位是高架链床以及配套的EC工具，完成底盘和车身之间螺栓连接工作。

图1 合装工位

合装线工作流如下：承载底盘的托盘及承载车身的EMS抱具同时进入合装工位，完成前后减震与车身合装，并用Downholder将车身与底盘锁紧在托盘上，随后跟随托盘继续前进；2～7工位依次完成底盘与车身主要连接螺栓的拧紧工作；分装工位打开Downholder，将车身（连底盘）与托盘分离并由EMS抱具输送至底盘线。

在此阶段，底盘与车身的定位对合装过程显得尤其关键，一旦定位出现问题，托盘的主定位销与车身定位孔无法匹配，必然会引起合装的失败，导致停线。

1.2 合装定位方案

合装过程中，车身与底盘的定位是合装的前提，它们之间的定位在设计时全部分解到设备并由设备来保证，其定位方案如表1所示。

表1 车身与底盘合装定位设备

EMS抱具，如图2所示，由EMS控制系统通过轨道上的连续条形码控制其在X方向停止位，卷扬机沿Z方向上升下降抱具，编码器控制上升下降的高度，并且在抱具下方由固定在地面的两个定位气缸装置（如图3所示）精确定位抱具的X,Y位置。

图2 EMS抱具

图3 抱具定位气缸

载有底盘的托盘沿X方向运行到位，由于到位传感器存在一定的感应公差，为弥补传感器造成的托盘位置偏差，托盘到位后，升降台上设计有托盘定位气缸装置，其工作前，高架链床打开电机抱闸，定位气缸带动定位销通过锥面导向进入托盘上的定位孔，拉拽托盘到固定位，实现X、Y方向的精确定位，以保证托盘位置的高度一致性，Z方向高度由升降台控制。

1.3 合装定位存在的问题

从生产线投产以来，合装失败的现象屡次发生，主要分为2类：设备问题以及人为操作失误。本文研究的是设备问题引起的合装失败。具体现象表现为：托盘上的主定位销在Y方向上偏离车身定位孔，导致两者无法合装。如图4所示。

图4 车身定位孔与托盘主定位销

2 合装定位失败分析

合装过程中，设备引起的合装失败现象主要表现为：车身与托盘在Y向定位存在偏差，导致托盘的主定位销无法进入车身定位孔。

合装定位涉及的设备主要包括EMS抱具、托盘、升降台，抱具定位装置，托盘定位装置。因此，从设备角度，合装定位失败只可能是以上设备中的一种或者多种产生定位偏差导致。

2.1 基于停机报告的故障分析

根据停机报告的5W原因追溯方法，合装定位失败的故障追溯到原因是升降台两端止退机构（Catch hook）沿Y向对升降台的推力，如图5所示。

图5 停机报告5W根本原因追溯

涉及合装定位的五种设备及其位置控制因素，如表2所示。

表2 合装定位设备位置控制因素

因此，对托盘与车身定位失败的问题，首先，检查两个固定不变的定位装置上是否发生位置变化，一般通过观察漆封即可判断，如果未发生变化，则记录托盘号以及抱具号，并追踪他们在之后装配过程中是否仍然存在问题，如果存在问题，则使用标定样架重新校正，但多数情况，在下一轮装配中，托盘与抱具没有问题（托盘和抱具都会定期进行标定保证其精度），可排除托盘与抱具的原因。

大部分情况，合装定位失败是因为升降台在Y方向上发生了移动，升降台上升至与托盘与车身接触时，发现托盘上定位销的位置与车身定位孔位置无法匹配造成的。而且在检查升降台时，发现升降台的滚轮左右相对导轨的位置不一样，如图6所示，即也证明了其在Y方向确实发生了移动。

图6 滚轮左右相对导轨的位置不一致

采用激光标线仪，对升降台高位和低位在Y方向上的位置进行测量，发现合装工位升降台在到达低位和高位时（即止退机构打开），在Y方向上有明显移动。升降台在前后两端装有止退保护机构，如图7所示。

图7 止退机构

其工作原理：两工位之间的止退机构相互挤压，带滚轮的旋转止退杆沿固定的导向块斜面滚动，实现止退杆的打开和关闭，如图8所示。

图8 止退杆打开和关闭状态

升降台入口与出口处的止退机构，工作状态如图9所示4种状态，其中“低位打开”以及“高位打开”对升降台Y方向上会产生侧向推力Fy。

图9 止退机构四种状态

升降台在下降过程中到达低位时，在入口受到止退机构的Y向力Fy，上升过程中，到达合车位置时，在出口处受到Y向力Fy，且入口与出口Y方向受力相反，升降台在合车过程中左右产生位移，影响合装定位成功率。

现有的止退机构设计只能通过调整相对位置减小Y向推力，但是，不可避免Y向推力，因此，我们以工位之间止退机构互不影响为改造目标，通过更改其结构以及控制方式，从而达到消除Y向推力的目的。

2.2 基于深度挖掘方法的故障分析

由于升降台是双剪刀叉机构，升降行程大，但结构稳定性不如单剪刀叉升降台。因此，合装升降台对Y向推力更加敏感，其最直接的影响即造成合装定位的失败。然而，除此之外，我们联想到升降台还存在一种不正常故障现象，可能也与此有关：升降台行走滚轮损坏，如图10所示。

图10 升降台行走滚轮损坏

升降台剪刀叉结构以及滚轮分布如图11所示。

图11 升降台剪刀叉结构以及滚轮分布

剪刀叉与升降台框架的连接一端为固定轴承箱（Y向固定），另一端为滚轮。升降台受Y向力，以升降台在高位为例，Y向力使上框架整体向左侧偏离，则剪刀叉滚轮向左侧有移动，但由于剪刀叉另一端固定，则滚轮将不再与行走轨道完全贴合。

首先，检测并调整滚轮行走轨道的水平，其后通过在轨道和滚轮表面涂抹适量黄油，升降多次后，观察滚轮表面黄油残留区域。没有黄油残留区域，表明该区域与轨道完全接触；表面残留黄油，表明该区域滚轮并没有与轨道完全贴合，检查结果如图12所示。

图12 滚轮与行走轨道贴合状态

通过图12可以看出，滚轮与轨道只有部分接触，并且D滚轮甚至完全没有与轨道完全贴合。其趋势呈现的状态是剪刀叉呈向左倾斜。滚轮内部结构如图13所示，3个深沟球轴承组合而成，如果接触面不完全接触，代表滚轮内部3个轴承受力不均，导致出现滚轮损坏的设备故障。

图13 滚轮内部结构

因此，Y向受力对滚轮损坏有激励作用，加速滚轮损坏，现场实际情况平均2～3个月需要更换一次滚轮。

3 合装设备的改造方案

上文分析指出，合装设备主要问题是止退机构对升降台的Y向推力。该力不仅对车身与底盘的合装定位有影响，而且会加速滚轮损坏。为解决该问题，本文提出以下设备改造方案。

3.1 消除升降台受到的Y向力

现有止退机构方案，相邻两个工位相互作用，依靠Y向推力打开或关闭机械挡块，Y向推力无法避免，故更改其工作原理从根本上解决Y向受力问题。新方案如图14所示，每个工位的止退机构由独立的气缸打开或关闭机械挡块，可完全避免Y向推力。

图14 新止退机构方案

3.2 提高滚轮与轨道贴合状态

滚轮损坏主要原因是滚轮内部轴承受力不均。Y向推力的消除，消除了左右移动对滚轮受力的影响，除此之外，滚轮轨道高低不平也是滚轮受力不均的重要影响因素，由于升降台结构特性，分为上下两层框架，升降台滚轮行走轨道为中间层，处于悬空状态，因此，在该段轨道下方与地面之间增加支撑立柱，加强轨道结构强度抵抗变形，如图15所示，从而消除因轨道高低差异造成的滚轮内部轴承受力不均问题。

图15 轨道支撑立柱

3.3 设备的维护策略的优化

从设备的维护角度，优化完善维护策略，除了日常的紧急性维护、修正性维护、增加预防性以及预测性维护，从多个维度增强对设备的维护保养工作，同时，对重点设备制定维修应急预案，做到心中有数。

（1）预防性维护是指制定周期性的检查工单，如月检、季度检、半年检、年检等，其中包含主要活动件以及功能件的状态检查、润滑，比如，电机有无异响、轴承定期润滑、皮带检查有无裂纹、编码器有无损坏等等，主要目的是发现偏差，并对偏差进行修正和追踪。

（2）预测性维护是收集数据，统计并寻找规律，用以判断设备的变化趋势，比如，皮带张紧值以及差异比例，上框架前后水平差值，剪刀叉滚轮贴合面以及内部轴承运转状态，上框架上输送链条张紧值等。通过与标准值比较，以及自身变化趋势，判断并预估设备状态，在极限值之前即做出相应的调整或者更换将要损坏的零件，以达到避免故障发生在生产期间的目的。

（3）维修应急预案是指针对某些特定的故障（发生或者可能发生），提前制定维修的方案，并且提前进行实操演练，从而确保预案的可操作性以及正确性，它不仅提高了维修熟练程度，缩短了维修时间，更重要的是可以基于各种各样的预案，制作数据库，提供参照以及查询，是维修部门一项重要的工作成果。

4 结语

本文以北京奔驰某车间合装线设备为例，研究频繁出现的合装定位失败问题。对合装定位失败主要原因进行追溯和分析，定位到止退机构的Y向推力并通过现场验证证实了问题确实存在，并且它还是导致升降台滚轮损坏的一个重要原因，在此分析基础上，我们提出了对止退机构的重新设计方案，并且通过改善滚轮轨道的水平，降低滚轮受力不均问题，增加其的使用寿命。除此之外，通过对设备的偏差检查以及趋势分析，降低设备的停线时间，并且引入维修应急预案概念，不仅加强了对设备的预防维护，也提高了紧急性维修的可操作性以及有效性。