黃鳳輝，楊 戈，曾 威，章 冰，黃繼輝，盛征陽(yáng)

（1.湖南同心模具制造有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410135；2.湖南同岡科技發(fā)展有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410135）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)制造向著全面柔性自動(dòng)化方向發(fā)展[1]。汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的單一車(chē)型大批量生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需求，因此要求一條線共線生產(chǎn)多種型號(hào)品種的車(chē)型，不但批量小，而且品種多，這種生產(chǎn)方式越來(lái)越受到歡迎。如何實(shí)現(xiàn)汽車(chē)生產(chǎn)輸送系統(tǒng)的“柔性化”是汽車(chē)柔性制造的關(guān)鍵點(diǎn)。汽車(chē)車(chē)身柔性自動(dòng)化焊裝系統(tǒng)主要是運(yùn)用各種先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、柔性自動(dòng)化夾具等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)身全流程各工序的自動(dòng)化焊接和拼裝。中低速電動(dòng)轎車(chē)車(chē)身自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝目前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題包括：安全高效無(wú)干擾焊接、多車(chē)型共享一線生產(chǎn)、高可靠性數(shù)據(jù)交換、低故障和簡(jiǎn)單維修、可視化打膠等五大問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)白車(chē)身柔性自動(dòng)化焊裝，本文以中低速電動(dòng)汽車(chē)白車(chē)身焊裝線為對(duì)象介紹白車(chē)身柔性自動(dòng)化焊裝系統(tǒng)。

1 柔性自動(dòng)化焊裝系統(tǒng)介紹

柔性自動(dòng)化焊裝系統(tǒng)由高速滾床系統(tǒng)、車(chē)身柔性支撐系統(tǒng)、EMS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、車(chē)身主線柔性切換系統(tǒng)、頂蓋可視化打膠控制系統(tǒng)等五大核心關(guān)鍵系統(tǒng)組成。這五大系統(tǒng)相互配合，共同完成車(chē)身的高速傳送，車(chē)身下部柔性支撐，無(wú)線數(shù)據(jù)信息通信，機(jī)器人柔性抓取側(cè)圍實(shí)現(xiàn)車(chē)身主線柔性切換，車(chē)身頂蓋的自動(dòng)化打膠等工序，解決了柔性自動(dòng)化焊接中出現(xiàn)的行業(yè)難題，實(shí)現(xiàn)白車(chē)身的柔性自動(dòng)化焊裝。

2 自動(dòng)化高速滾床系統(tǒng)

自動(dòng)化高速滾床系統(tǒng)如圖1所示，包括支撐架、同步帶、舉升電機(jī)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、蓋板、輥?zhàn)咏M，此系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)身的可靠快速傳輸，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，能自動(dòng)導(dǎo)向和防止偏移的發(fā)生。高速滾床的運(yùn)行速度為10～40m/min，速度及節(jié)拍可調(diào)整。高速滾床利用電機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)舉升，水平運(yùn)動(dòng)利用變頻調(diào)速電機(jī)及輥?zhàn)咏M實(shí)現(xiàn)。為了確保往復(fù)輸送線在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的安全性，主線氣缸采用磁性氣缸，每個(gè)氣缸有2個(gè)磁性開(kāi)關(guān)，為防止誤操作，磁性開(kāi)關(guān)均具有抗干擾特性，可防止焊槍在工作時(shí)所發(fā)出的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的干擾，解決了車(chē)身焊裝節(jié)奏慢、不安全和精度低的問(wèn)題。

3 車(chē)身下部總成柔性支撐系統(tǒng)

目前企業(yè)要求一條線共用生產(chǎn)8種以上車(chē)型的車(chē)身，由于車(chē)身下部總成完全不同，X/Y/Z方向都存在較大差異，為了解決由于差異大無(wú)法支撐的問(wèn)題，研制與開(kāi)發(fā)了車(chē)身下部總成柔性支撐系統(tǒng)。如圖2所示，6個(gè)獨(dú)立的柔性定位單元組成了一個(gè)工位的柔性支撐系統(tǒng)。柔性定位單元由3條軌道組成，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下能夠?qū)崿F(xiàn)在X/Y/Z 3個(gè)方向的移動(dòng)，具備了X/Y/Z 3個(gè)方向的柔性定位功能，實(shí)現(xiàn)各種不同尺寸型號(hào)規(guī)格的車(chē)身下部支撐，其控制邏輯是基于三軸機(jī)器人控制原理。多軸運(yùn)動(dòng)控制卡是柔性定位單元最關(guān)鍵的電器單元，其是一款性能非常好的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器，這個(gè)核心控制器能夠輕松實(shí)現(xiàn)直線、圓弧、螺旋線運(yùn)動(dòng)控制[2]。柔性定位單元可以直接看成是一個(gè)直角坐標(biāo)系機(jī)器人，在運(yùn)動(dòng)耦合控制下可以實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)。6個(gè)柔性定位單元組成一個(gè)車(chē)身下部支撐系統(tǒng)布置在白車(chē)身生產(chǎn)線的1個(gè)工位，其通過(guò)PLC、人機(jī)交互界面和總線傳輸對(duì)6臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)柔性支撐系統(tǒng)調(diào)整各個(gè)方向的尺寸距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地對(duì)不同型號(hào)的車(chē)身進(jìn)行支撐和定位，其完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化，工裝減少，成本降低，生產(chǎn)效率得到極大提高，同時(shí)占用的空間很小，實(shí)現(xiàn)了多車(chē)共線生產(chǎn)的柔性支撐。

4 EMS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

目前行業(yè)內(nèi)焊裝線上自行小車(chē)主要采用的是滑觸式控制方式，其主要通過(guò)電刷與滑觸線接觸實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于是純物理接觸式的數(shù)據(jù)傳輸模式，因此受到空間場(chǎng)地和硬件設(shè)施的限制，數(shù)據(jù)交換范圍小，而且在長(zhǎng)期滑動(dòng)接觸下容易發(fā)生故障，可靠性低，很容易存在機(jī)械故障，電氣系統(tǒng)安裝非常復(fù)雜，成本高。目前行業(yè)要求在新的中低速白車(chē)身焊裝線上控制的程控小車(chē)多達(dá)20臺(tái)，傳統(tǒng)的觸線控制方式已無(wú)法保證焊裝線上自行小車(chē)與主控系統(tǒng)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)通信。為解決客戶汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)出了基于EMS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的控制方案，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)應(yīng)用到自行小車(chē)的控制與信號(hào)傳輸中，可以完美避免滑觸線接觸式信號(hào)傳輸?shù)娜毕荨D3為EMS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)物圖。因?yàn)樾枰谳^大距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸，采用WAN技術(shù)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)接入點(diǎn)，支持漫游，因此只需要分布式接入多個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)地、多區(qū)域、長(zhǎng)距離的小車(chē)行駛控制信號(hào)傳輸[3]。在控制器方面中控室采用的是ILC 370控制器，在小車(chē)上采用了ILC 171控制器，同時(shí)在小車(chē)上采用了FL WLAN EC客戶端或FL BLUETOOTH EC客戶端，上面采用的控制器直接安裝有以太網(wǎng)口，因此在控制器上可以直接安裝無(wú)線以太網(wǎng)設(shè)備，其他協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備就可以取消，這樣成本降低，節(jié)約資源。電控箱內(nèi)集成了無(wú)線以太網(wǎng)設(shè)備與控制器，在出廠的時(shí)候就完成安裝、接線和功能定義等任務(wù)，客戶可以單獨(dú)以電控箱的形式采購(gòu)，極大地幫助客戶節(jié)省時(shí)間，并簡(jiǎn)化了安裝和維護(hù)成本，提高了生產(chǎn)效率。

圖3 EMS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)物圖

5 車(chē)身主線柔性切換系統(tǒng)

多車(chē)型共線生產(chǎn)，面臨著中長(zhǎng)短車(chē)型、高矮車(chē)型、加寬與非加寬等車(chē)型車(chē)身下部總成與側(cè)圍總成不一樣，差異比較大，側(cè)圍總成需要柔性上件的問(wèn)題。研究開(kāi)發(fā)的機(jī)器人柔性抓取側(cè)圍系統(tǒng)，在主拼工位兩側(cè)設(shè)計(jì)4個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置，每個(gè)裝置上放置3種側(cè)圍定位裝置，通過(guò)機(jī)器人抓取側(cè)圍定位裝置來(lái)對(duì)已經(jīng)預(yù)裝好的側(cè)圍進(jìn)行精準(zhǔn)定位，再由分布在兩側(cè)的機(jī)器人進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)了車(chē)身主線柔性切換。圖4為機(jī)器人柔性抓取空中移栽機(jī)，通過(guò)空中移栽機(jī)抓取側(cè)圍送達(dá)到機(jī)器人抓取位置，解決了傳輸帶輸送以及EMS占有空間大、投資高的缺點(diǎn)，并且避免了與夾具的干涉，抓取部件容易，空中輸送為直線往復(fù)輸送，占有空間小，解決了人工輸送的運(yùn)輸定位精度問(wèn)題。

圖4 機(jī)器人柔性抓取空中移栽機(jī)圖

6 頂蓋可視打膠控制系統(tǒng)

中低速電動(dòng)汽車(chē)的頂蓋打膠一般為人工打膠，打膠期間如果打膠機(jī)有故障，沒(méi)有涂膠均勻或者不出膠，機(jī)器人無(wú)法識(shí)別，會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)事故。為了解決自動(dòng)化打膠問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化焊裝，開(kāi)發(fā)了融入視覺(jué)系統(tǒng)的自動(dòng)化打膠系統(tǒng)，由ABB機(jī)器人、CCD攝像頭、機(jī)器人控制柜、控制計(jì)算機(jī)、圖像采集卡等組成。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、視覺(jué)信息處理模塊和機(jī)器人視覺(jué)定位模塊組成。初始化模塊的主要功能是完成采集卡的初始化，同時(shí)還要完成主機(jī)與機(jī)器人控制器之間的通信傳輸。圖像的采集、保存、實(shí)時(shí)顯示、圖像的預(yù)處理、目標(biāo)圖像的識(shí)別等功能主要由視覺(jué)信息處理模塊來(lái)完成。機(jī)器人視覺(jué)定位主要功能是完成機(jī)器人開(kāi)環(huán)和閉環(huán)視覺(jué)定位。通過(guò)三大模塊的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)打膠品質(zhì)問(wèn)題的自動(dòng)識(shí)別，解決了機(jī)器人自動(dòng)化頂蓋打膠存在的各種品質(zhì)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高效、高品質(zhì)頂蓋自動(dòng)打膠。

7 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)外企業(yè)智能制造技術(shù)的運(yùn)用及對(duì)先進(jìn)技術(shù)的掌控，使得國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，且不利于我國(guó)工業(yè)水平的提升。本文以中低速電動(dòng)汽車(chē)白車(chē)身焊裝線為對(duì)象設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了高速滾床系統(tǒng)、車(chē)身柔性支撐系統(tǒng)、EMS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、車(chē)身主線柔性切換系統(tǒng)、頂蓋可視打膠控制系統(tǒng)等五大核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全高效無(wú)干擾高精度焊接、多車(chē)型共享一線生產(chǎn)、數(shù)據(jù)交換高可靠性、低故障和維修簡(jiǎn)單、可視化打膠等五大功能，使得國(guó)內(nèi)汽車(chē)車(chē)身制造核心技術(shù)不斷取得新的突破，帶動(dòng)汽車(chē)車(chē)身制造實(shí)現(xiàn)了柔性自動(dòng)化焊裝，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身的柔性“智造”意義重大。