浅析车身制造生产线输送吊具设计要点

摘 要：文章就车身制造过程中简易吊具的使用背景，分析了简易吊具存在必要性及其对输送线的重要意义；介绍了简易吊具的结构和分类，对简易吊具在设计过程中输入条件和设计要点进行了分析论证。

关键词：车身制造；输送线；简易吊具；设计分析

引言

汽车制造自福特公司在1905年采用流水线生产以来，经过100多年的发展，流水线的制造模式已经得到广泛应用，并且自动化也日渐融入其中。目前，西方发达国家流水线多采用自动化方式，具体就是电气控制输送方式，更多的采用气缸、液压泵、电机等高成本设备，这提高了汽车的制造节拍。但是，针对我们国家的实际情况，绝大部分汽车制造厂家并未一味照搬国外的汽车生产模式，而更多考虑了制造成本和使用价值的平衡问题，在汽车四大传统车间均相当程度上采用电动葫芦或者气动葫芦的生产线输送方式，使用更多的人力进行设备操作，比如电动葫芦、气动葫芦和简易吊具配合，人力进行输送。这种制造策略是适应我国经济发展水平和制造能力的，我国的汽车制造业在这些年也得到了迅速发展，这与我们的低成本制造理念是密切相关的。

在流水线中，输送方式是重中之重，它关系着该生产线的生产节拍、人机操作工程、安全等诸多方面。目前，人力吊运方式在国内采用普遍，在车身车间、总装车间都有相当数量的应用。但是各公司工装开发过程中对吊具设计流程介绍不多，对吊具设计涉及的广度和深度没有明确的认识，这一定程度上影响到吊具设计开发质量、制造和安装调试进度。文章就人力吊运（通常有电动葫芦和气动葫芦两种）吊具的简易设计进行简单分析，旨在从简易吊具的结构、占用空间、重量、人机操作等方面进行探讨其设计理念和设计要点，以更好指导我们对吊具的设计，开发出实用、轻量化、易操作的吊具来满足我们的生产制造需求。

1 简易吊具设计要点浅析

1.1 简易吊具的一般结构

图1

按照工作原理来分，大致有下面几个典型结构：吊耳、吊具架、吊钩三部分。吊耳用来安装在电动葫芦、气动葫芦上，接受动力输入（葫芦中有升降电机和行走电机），通常用链条来连接，通过升降电机收放链条实现吊具上下动作，同时葫芦可以在工字钢上直线滑移（移动速度与行走电机参数有关，可以在一定范围内调节），实现上下、前后二维运动，从而吊运产品零件。由于零件的特殊性，通常不同的吊具吊运不同的零件，其专有性很强，这在一定程度上也说明了柔性吊具设计中会受到更多的输入需求的约束，设计难度也更大。在此，为了分析方便，将所吊运产品零件通常为吊重。

吊耳数量的设计对整个吊具的平衡有很大的影响。当吊具吊钩的连接方式为刚性连接时，一个吊耳进行吊挂需要考虑吊重加吊具架两者的重心与吊耳的位置保持竖直状态，即要求两者的重心在空间位置的X、Y汽车坐标基本相同，这样才能保证吊重保持水平起吊状态，不会发生太大的倾斜变化；两个吊耳进行吊挂则要求吊重加吊具架两者的重心基本保持在两个吊耳连线的竖直投影中，三个及以上吊耳进行吊挂要求吊重加吊具架两者的重心落在吊耳组成的区域Z向投影中即可。在此简单介绍一下汽车坐标系，在汽车车身设计中采用右手定则确定坐标系，X为汽车的长度方向，Y为宽度方向，Z为高度方向。坐标零平面按汽车满载时确定，一般取沿车架纵梁上缘上表面平直且较长一段所在平面作为高度方向坐标的零平面，无车架的车辆可沿车身底板下表面平直且较长一段所在平面作为高度方向坐标的零平面；零平面上方为正，下方为负。将通过汽车前轮理论中心线并垂直于高度方向零平面的平面作为长度方向坐标的零平面。零平面前方为负，后方为正。把汽车的纵向对称中心平面作为宽度方向坐标的零平面，零平面左侧为负，右侧为正。以下坐标均指上述汽车坐标。从数学分析中显知一个吊耳或者两个吊耳的设计不利于现场的安装调试，因此通常都会增加剪刀叉机构来进行平衡吊具架。剪刀叉可以消除平面倾斜度，残余力由机构本身承担。当多吊耳进行起吊时，容易保证吊具架的水平状态，通常不会采用剪刀叉结构。当吊具吊钩的连接方式为柔性连接，即通过链条进行连接时，由于吊重通常体积比较大，吊钩的数量通常都为多个，所以此时对吊耳的要求基本同上。基本上，少吊耳的吊具需要剪刀叉进行吊具架的平衡，而多吊耳的吊具则不需要剪刀叉结构进行吊具架的平衡。对剪刀叉结构，如果吊重在70Kg以上都会设置安全防护装置，放置在剪刀叉安装基础上。由于剪刀叉仅仅是保持吊具架的水平，所以其基本可以认为不受力，仅仅是维持水平平衡的一个力矩差而已。剪刀叉的安装基础是和葫芦刚性相连，剪刀叉下面连着吊具架，通过吊耳柔性链接到葫芦上。吊具架的上升高度与剪刀叉的收缩高度有关，这需要在设计之初就明确的。

吊具架是吊具的主体，通常都是焊接件，材料为有良好焊接性能的低碳钢，通常选Q235A。其承受吊重的重力作用，在其上按照各种性能要求添加剪刀叉、气缸、吊钩的刚性转化零件等，以及链条放置位、安装安全保护装置，上面这些统属于吊具的主体部分，是吊挂等结构的安装基础，需要考虑强度和刚度要求。在吊具架上结构布置通常有以下几种形式：（1）吊钩+刚性连接+手动操作进行打开和夹紧。（2）吊钩+刚性连接+气控，一般用气缸控制吊钩的收缩和打开，在空运或者停放时通常打开，进行吊运时将吊钩收缩到位，吊住零件进行输送。（3）吊钩+柔性连接+手动操作进行吊勾和脱勾。这三种形式在车间使用都是非常普遍，通常根据生产工艺要求进行吊具吊勾方式的设计。

吊钩是连接各部件和产品的结构，比如葫芦的吊钩是连接吊耳的，这里主要指吊挂产品零件的钩子，通常针对汽车零件的吊挂位置进行力学等分析，然后再确定吊钩的形式为柔性连接抑或刚性连接。吊钩有时吊挂A面，则需要增加尼龙垫块，以防止吊挂时刮伤A面。吊钩非标设计时要注意强度校验，防止吊挂强度不足。

1.2 简易吊具的分类

按照吊具的动力来源不同，可以分为电动葫芦吊具、气动葫芦吊、助力吊挂；按照功能分类，可以分为上线吊具、下线吊具、拼台间输送吊具；按照吊挂形式来分，又可以分为自动吊钩、人力吊挂两种。

1.3 简易吊具设计注意要点

下面就简易吊具在设计开发过程中需要注意的几点着重介绍如下。在进行受力分析之前，我们需要明确一下吊具内部各部件的相对位置关系。对简易吊具而言，吊具架是是连接吊重与葫芦的部分，进行吊运时吊具架可以上下、前后移动。至于吊钩，可以人力辅助勾吊，也可自行定位勾吊，相对吊具架有独立运动。

1.3.1 平面倾斜度

首先明确我们的设计意图：（1）当吊具空载时，即没有吊重时，要求吊具架在吊耳作用下保持水平状态；（2）当吊具吊起零件时，要求吊重保持水平状态。这两者中条件2必须满足，条件1让步满足，最好都要尽量满足。

当采用一个吊耳时，首先葫芦吊起吊具架，当然吊具架上安装有各种机构，这时如果要保持吊具架为水平状态，理论上要求吊具架的重心要在吊耳的竖直下方，即保持X、Y值相同。如果两者相差太远，就会导致吊具架明显的倾斜。当X值偏差过大，会导致吊具架和吊重呈现前后倾斜的姿态，如果Y值偏差过大，会导致吊具架和吊重呈左右倾斜的姿态。下面就是单吊耳时吊具架与葫芦在空载时的简单示意图2，当吊具重心位置在点1处时吊具架保持水平；当吊具架的重心在位置2时，吊具架就会倾斜，倾斜角度为23连线与竖直方向的夹角，其中点3位吊耳的悬挂点。对于空载时吊具架的重心，我们可以控制其在Y向保持与吊耳的Y值相同，这样即使吊具架发生倾斜，仅发生在XOZ平面，即吊具架呈前后倾斜状态，同时可以优化吊具架的结构或者增加配重来调节重心位置，改善倾斜状态。此时，吊具架的平面倾斜度就是23连线与13连线的夹角。

1、2-吊具架的重心位置，3-葫芦悬挂点

图2 空载时吊具架与葫芦连接示意图

当吊具吊起零件后，我们为保持零件在吊起时保持水平状态，也要注意保持其重心符合一定的几何条件。有三个理论重心需要关注：吊具架的重心1、吊重的重心2、吊具架和吊重两者的合成重心3，这些都可以在设计过程或设计之初确定的。从数学分析，重心3必然是重心1和重心2的杠杆平衡点。当吊具架和吊重刚性连接时，我们要求的是零件在吊起的状态保持水平，所以我们最终要保证重心2与吊耳在同一条竖直直线上，即重心2的X、Y值要与吊具架的吊耳的X、Y值相同。实际上这很难实现，因为如果零件在吊起时保持水平，数学反求可知，重心2的X、Y值要与吊具架的吊耳的X、Y值相同；又知重心3的X、Y值要与吊具架的吊耳的X、Y值相同，且重心3重心1和重心2的杠杆平衡点，这就要求重心1的X、Y值要与吊具架的吊耳的X、Y值相同。设计很难满足三者的重心恰好在同一条竖直线上。现在这点很多设计者并没有注意到，很多的吊具设计存在着这样的缺陷，到最后只能在安装阶段进行弥补，增加了安装调试的难度，这些问题其实是来源于设计阶段没有很好的控制实现保持水平的几何条件。

在汽车车身设计中通常Y向基本对称，所以在左右倾斜方面程度不大，可以接受略微倾斜。在X向需要我们重点关注，如果车身倾斜过大，一是不利于输送，因为车身在前进过程中扫略面积增大，需要更大的空间通过，也需要吊具升起更高高度，客观上影响到了钢结构的布置，这些都是先期输入，不会因为吊具的设计进行更改；二是不利于产品定位，倾斜过大，使得车身进工装定位销困难，很难放置产品，同时也会对定位销造车损坏。对于吊具设计，吊重的重心2是输入条件，吊具架是我们的设计对象，需要控制吊耳的安装位置，除去结构、力学、空间的考虑外，还要控制几何条件。吊具的实际状态为吊耳悬挂点与重心3在同一条竖直直线上，如果要保持吊重的水平状态，就要求重心2和重心1两者的质心与吊耳有相同的X、Y值，这需要调整重心1的位置；这与空载时重心1的位置基本确定有一定的冲突，这需要在两者之间寻求一个平衡点，同时近似满足两者，优先满足条件2。

通过上述分析，可以知道当采用一个吊耳吊挂吊具架，吊具架和吊钩刚性连接时，吊重若保持理论水平状态，可以通过增加配重来改变吊具架的重心进而改变两者重心的位置；这可能会影响空载时吊具的水平状态，需要寻找一个平衡即要求吊重基本保持水平又要求空载吊具架倾斜角度不致过大。此时吊重的平面倾斜度为34连线与竖直方向的夹角，该角度需要控制在一定的范围内，保持吊重处于近似水平状态。

下面再就多吊耳的平面倾斜度再分析一下，也即3个或以上的吊耳通过柔性链条与葫芦连接。以3各吊耳设置为例，设计时吊具架重心可以大致确定，根据结构可以微调；采用不同长度的链条使得葫芦悬挂点与吊具架的重心保持竖直，则基本保证空载时吊具架处于水平状态。这个安装调试的工作比较简单，链条长度可以在设计初给出参考，以便于调整。

1为吊具架重心 2-葫芦悬挂点

图4空载时葫芦与吊具架连接示意图

当吊具架下吊挂产品零件时，吊重有一重心，该重心位置一般不能改变。这个重心的位置与图三中空载的吊具架的重心可能不在一条竖直直线上，会导致吊重不能保持水平状态。这个问题比较容易解决，通常设计时以吊重为输入条件，很容易控制吊具架的重心位置，然后再通过柔性链条来控制葫芦悬挂点的位置，理论和实践都一致证明这个很容易实现三者同在一条竖直直线上，从而来保证吊重的水平状态，来满足输送过程空间及人机工程的要求。其他情形的分析方法同上，不再一一赘述。

1.3.2 力学平衡分析。单吊耳时，吊重受有重力和吊钩的拉力，两者保持平衡。依据产品本身的刚度会在产品选择合适的位置进行吊挂，在产品本身较重的情况下还需要对吊钩的柔性链条进行强度方面的校验，保证吊挂不会发生断裂失效。吊具架受有吊具本身的重力、柔性链条对吊具架的下拉力、葫芦对吊具架的拉力（作用点在吊耳处）；此时，危险截面应为葫芦吊耳的柔性链条处，应该对链条规格如截面直径加以限制，保证强度要求。

多吊耳时，吊具结构的受力状况得以好转，链条受力被分散，安全系数增加。总体来说，在受力分析这方面，可以利用更多的经验数据来进行设计。

1.3.3 人工操作事项。简易吊具的输送通常都有人工辅助，在吊重上升过程中，操作者人工辅助可以保证吊重基本处于水平状态，还可以放置吊重在上升过程中的水平面内的转到，使得吊重平稳升降和前进。这些都会存在一定的安全隐患，需要操作者注意操作规程，防止事故发生。

当吊具运动部分出现卡滞时要及时检修，更换新零件。由于吊具重量大，且属高空工作，其危险程度较高，所以必须注意日常保养工作，出现问题要马上解决。

2 简易吊具的发展方向

2.1 缺点

体积大，重量也大，占用相当的空间，一定程度上影响输送便利性和员工的操作性；简易吊具的动力源选择有限，电动/气动葫芦的纵向滑移速度有一定的限制，会对高节拍有所影响。

2.2 优点

结构简单，焊接强度较好；型钢下料，利于加工；安装调试方便。

2.3 发展方向

现在的焊接吊具架一般都比较笨重，因此轻量化一直是汽车输送吊具的改进方向。可以改变使用材料，优化焊接结构等方法进行减重，目前还处于探索状态。另外，由于现在生产线都在追求柔性化和高节拍，所以对葫芦的输送速度要求提高，目前葫芦的前进速度略慢，在基于安全的前提下还有提速的空间，所以这应该也算是简易吊具的一个发展趋势。最后，由于现在的简易吊具往往体积庞大，操作性比较差，考虑到人机工程，减小简易吊具的体积增加其操作性也应是简易吊具的发展方向。以我们目前的经济发展水平来看，在相当长一段时间内我们的制造业可能还会继续使用简易吊具，因此也需要我们对简易吊具的设计、制造、安装调试进行一定关注，来保证汽车焊装生产线的生产水平。

3 结束语

针对简易吊具存在的生产现状，分析简易吊具的优缺点和今后的发展方向。重点关注简易吊具在设计过程中忽略的设计要求，明确吊具设计的两大前提：（1）当吊具空载时要求吊具架保持水平状态；（2）当吊具吊起零件时，要求吊重保持水平状态。通过引入平面倾斜度分析单吊耳和多吊耳两种情况下吊重的水平保持状态，介绍了设计、安装调试过程中各个注意事项。当然还有一些考虑不到或者不周全的地方，敬请指正。

作者简介：李飞（1981-），男，河南南阳，工程师，硕士，目前主要从事车身工装夹具设计、汽车焊装生产线的开发工作。