智能機器人滾邊系統技術研究及應用

熊利新，丁　華，王昱昕，唐慧芳，高文杰

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 杭州311228）

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專論與綜述

智能機器人滾邊系統技術研究及應用

熊利新，丁華，王昱昕，唐慧芳，高文杰

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 杭州311228）

摘要：結合某車型開閉件滾邊工裝開發，研究了滿足汽車研發試制工藝要求的機器人滾邊技術方案，解決了要求汽車試制車間最大限度柔性化等一系列技術問題，并通過仿真技術，驗證了該技術方案的可行性和可靠性，為機器人滾邊方案技術研究和應用提供了參考。

關鍵詞：開閉件；機器人；滾邊；柔性化

隨著世界汽車工業的快速發展，市場競爭日漸白熱化，要求車型更新換代快速，產品開發周期極大縮短，開發成本不斷降低，以高品質和高速度的新車型迅速響應市場。汽車白車身外覆蓋件（發動機蓋、行李箱蓋、車側門、天窗頂蓋、輪罩等）作為其關鍵部件，其內外板的連接方式一般為包邊工藝，包邊尺寸和質量直接影響了白車身的制造裝配精度。因此，在汽車開發制造過程中，廣泛采用柔性化技術并能提高產品質量尤為重要，這樣，機器人滾邊技術應運而生。

機器人滾邊壓合技術作為一項新型的包邊工藝技術，較傳統包邊方法，包括壓機折邊模具、Table Top包邊、專機、液壓站手工包邊技術和純手工包邊等，具有技術成熟，易實現柔性化作業，成型美觀，生產率較高，設備一次性投入和維護成本低，占地面積和操作空間小，包邊質量穩定且調試周期短等許多顯著特點，逐步得到越來越多的國內外汽車廠的青睞［1-2］。

汽車的試制試裝過程作為其研發的關鍵一環，對產品設計、量產工藝、量產工裝、控制計劃和生產制造以及訂單管理、供應商管理、生產管理和質量管理系統的全面充分模擬、測試和驗證工作，起到了重要作用，因此，需要實現設備工裝最大限度柔性化，保證滿足現有和未來研發產品以及新材料、新工藝和新工裝研究開發的需要。

本文結合某車型的開閉件滾邊工裝開發工作，研究滿足汽車研發試制工藝要求的機器人滾邊技術，通過解決相關技術問題，并使用仿真技術，驗證該方案的可行性和可靠性。

1　機器人滾邊工作島布局

焊裝車間包括主拼、小線、滾邊和激光四大部分，機器人滾邊工作區作為主線關鍵工作站之一，根據白車身試制整體裝配制造工藝流程規劃要求，布局在主線的090工位站，與激光工作站和外覆蓋件裝調線毗鄰，如圖1所示。

圖1　焊裝車間整體布局圖

機器人滾邊工作站必須能滿足試制車間后期驗證量產工藝要求，新開發車型共用一個滾邊島，實現左右前側門、左右后側門、發動機蓋、行李箱蓋和天窗頂蓋的包邊，主要任務是機器人自動涂膠和機器人滾邊兩大工藝作業。為滿足以上要求，保證后期產品精度，經過反復討論驗證，機器人滾邊系統決定采用如圖2所示布局，根據廠房規劃要求，滾邊工作站平面尺寸為長×寬：26000 mm×10700 mm，使用一臺機器人本體系統，預留一個機器人位置，保證能滿足小批量生產要求，根據滾邊負荷，決定選擇型號為IRB6700的ABB機器人；機器人兩邊各安裝一條FLEXTRACK系統，作為機器人第七軸，同時，也是滾邊胎模和夾具的滑道和載體，每條FLEXTRACK兩端各安裝兩個胎模基座，通過聯接機構，固連在一起，滾邊胎模由定位機構精確的安裝在對應的基座上，FLEXTRACK系統把胎模從上、下件位置送到機器人工作區域涂膠和滾邊，完成后返回到起始位置；滾邊島配置的自動涂膠系統由控制柜和涂膠槍組成，控制柜與PLC控制柜、機器人控制柜、FLEXTRACK控制柜一起布置在安全圍欄一側，涂膠槍和滾邊頭裝置布置在機器人旁邊，由換槍盤實現功能快速切換；安全系統由安全圍欄、安全光柵、SCANER和安全門組成，安裝在機器人工作范圍和人工上、下件等工作范圍處，安全設備通過PLC控制，用于保護設備和人身安全；零件修復檢查臺、資料架和零部件物料框布置在滾邊島四周，實現快速取件和放件；為保證不同車型快速切換，采用胎模切換系統，它由鋼構、EMS和運輸存放機構組成。

圖2　機器人滾邊島布局圖

2　機器人滾邊島工藝過程

汽車車身開發過程中，為保證外覆蓋件外觀美觀平順而廣泛采用的包邊技術是指薄板折邊后包住另一薄板的成型工藝，如圖3所示，外板完全包裹并固定住內板，使兩零件不再產生相對移動［3］。

圖3　包邊過程圖

滾邊技術作為一種特殊的包邊工藝技術，具有開發周期短，成本低廉，柔性化程度高，應用廣泛等許多優點，適用于許多材料，包括現在研究較多的鋁車身。如圖4所示，機器人滾邊技術是利用裝在機器人第6軸上的滾邊頭裝置上的滾輪，在胎模工裝的作用下，以一定的壓力和壓合角，接觸工件外板的翻邊，使外板包住內板的工藝過程。根據滾輪型式的不同，可以形成各種不同型式的滾邊，滿足車身開閉件產品性能要求，如表1所示，普通滾邊應用廣泛，開閉件大部分部位采用普通滾邊；翻轉角度為180°滾邊主要應用于天窗頂蓋；水滴滾邊對板材延展性要求低，主要應用在需要碰撞保護的發動機蓋；直滾邊和半滾邊應用在一些拐角處，外板折彎一個角度，與內板無重疊；對于一些外觀要求非常高的開閉件，可以采用V型滾邊。

圖4　滾邊工藝圖

表1　滾邊類型表

根據以上要求和平面布置方案，焊裝車間機器人滾邊島，滿足試制車間最大限度柔性化要求，適用于現有和未來所有車型的開發工作，如圖2所示，主要包括：機器人系統、滾邊頭裝置系統、FLEXTRACK滑軌系統、胎模切換系統、安全系統、PLC控制系統和自動涂膠系統等主要設備。該滾邊島共有四個小工位組成，左后門和左前門；右后門和右前門；后背門1和后背門2；天窗頂蓋和機蓋，一個小工位的滾邊胎模在運行工作過程中，并不影響其它小工位的上件和夾緊等準備工作的操作過程，極大提高了試制工作效率。該滾邊島主要操作工藝過程如下：首先把工件（側門、機蓋、后背門及天窗頂蓋）外板放在滾邊胎模上，進入機器人工作位置，機器人自動涂折邊膠和減振膨脹膠，完成后，返回到起始位置；再把工件內板總成扣合在外板上，定位夾緊后，再次進入機器人工作區，完成機器人滾邊，返回到起始位置，夾具打開，取下總成。

為保證兩款車型的順利切換，同時快速便利的實現不同車型的試制滾邊，專門開發的胎模切換系統能精確的保證該功能的實現，首先用胎模運輸存放機構把需要的胎模移動到切換區域，再把滑軌上的胎模氣電快速接頭斷開，用EMS機構把胎模吊起，通過定位夾緊機構放在另一個胎模存放小車上，接著EMS把需要切換的胎模精確的放在滑軌基座上，定位夾緊后，氣電快速接頭連接，實現供氣供電。

3　某新研發車型試制滾邊工裝開發和工藝分析

針對某新車型四門、兩蓋和天窗頂蓋，所需要設計開發的工裝，主要包括胎模、定位夾緊機構和附屬聯接機構，必須和滾邊島通用設備具有很好的可聯接行和可拆卸性，滿足很好的人機工程，保證最終的滾邊質量和尺寸公差要求。

首先根據定位夾緊信息RPS（Reference Point System），設計胎模和定位夾緊工裝，考慮到FLEXTRACK承重量和氣缸重復性使用，要能最大限度滿足柔性化需要，同時，必須壓緊到機器人滾邊施力區，保證滾壓過程中，內外板之間不會發生任何形式的竄動，夾緊定位工裝決定采用小氣缸單獨壓緊，為保證支撐穩定性和耐磨性，滾邊胎模采用整體鑄造。

針對新車型開閉件數模，通過PD/PS（Process Designer/Process Simulate）工藝仿真軟件，對產品數模進行仿真分析，通過反復仿真分析，反饋分析結果，對產品結構尤其是翻邊長度和翻邊角度，提出合理性修改建議，同時，不斷完善工裝夾具和胎模的設計。比如，通過仿真分析，后背門采用一套胎模不能完成全部滾邊過程，決定開發兩套胎模，如圖5所示，胎模一用于上、下外板與內板總成的包邊，胎模二用于上外板和下外板的包邊。滾邊頭裝置是滾邊工藝的核心，綜合考慮產品結構和生產節拍要求，在保證最終產品質量的前提下，要求減少更換滾頭頻率，采用三套滾邊頭裝置，共六個滾輪。

圖5　后背門工藝仿真

滾邊工藝對產品翻邊長度和翻邊角度提出了更為嚴格的要求，通常要求工件外板翻邊角度為90°到115°，當超過120°，需要進行預翻邊；對于直線和拐彎半徑大于800 mm，翻邊長度取7 mm到9 mm，拐角半徑小于10 mm，翻邊長度取3.5 mm并且采取半包或者不包邊的工藝。在保證最終產品質量的前提下，對于滾邊壓入角，可根據胎模邊沿切角和滾邊次數確定，如圖6所示，CX11天窗頂蓋滾邊工藝為五次，從里到外分別是180°—135°—90°—60°—30°—0°.

圖6　天窗頂蓋滾邊工藝

4　機器人滾邊離線編程和調試

隨著仿真技術的快速發展和廣泛應用，通過仿真軟件對機器人滾邊進行離線編程，把離線程序導入機器人系統，再進行人工微調，可大大縮短滾邊現場調試時間，減少人工調試成本，保證滾邊質量，順利推進項目進度等方面起到了重要作用。

該車型工裝設計和機器人滾邊島通用設備確定后，根據工藝要求，進行工裝帶產品數模仿真，自動生成滾邊離線程序，通過與PLC控制系統進行聯調，保證自動化順利實現，圖7為人機交換操作界面。

圖7　PLC人機交互界面

滾邊調試主要以產品最終質量為標準，滾邊后工件外表面平順，不能因滾邊后而出現褶皺、壓痕、凹凸不平，劃痕和壓不實等質量缺陷；保證手摸無任何異常感覺；在光照條件下，外觀反射平順；周邊邊沿輪廓要求平順光滑，無任何突出或者凹進現象，不涂折邊膠的情況下，滾邊后的總厚度不應大于2.3 mm（內、外板厚度均為0.7 mm）。究和應用，提供了參考。

5　結束語

本文研究規劃了試制焊裝車間機器人滾邊系統技術方案，結合某新車型工藝要求，開發了機器人滾邊島所需的通用設備和該車型工件滾邊專用工裝，研究了滿足汽車研發要求的試制機器人滾邊工藝，并通過仿真技術，驗證了該方案的可行性和可靠性，為機器人滾邊技術在產品研發和制造過程的深入研

參考文獻：

［1］張宏偉.機器人滾邊技術在汽車制造中的應用［J］.機器人，2007，（10）:24～29.

［2］陳勇.機器人滾輪包邊工藝及應用［J］.汽車工藝及材料，2011，（8）:50～58.

［3］孟繁秋.基于工業機器人控制的滾邊壓合技術研究［D］.長春：吉林大學，2008.

Intelligent Robot System Piping Technology Research and Application

XIONG Li-xin，DING Hua，WANG Yu-xin，TANG Hhi-fang，GAO Wen-jie
（Zhejiang Geely Automobile Research Institute，Hangzhou Zhejiang 311228，China）

Abstract：Combined with the roller hemming tooling development of closures for one vehicle type，this thesis studied the robot roller hemming technical proposal that could satisfy the requirement of automobile research and development and prototype process，and solved a series of technical problems which required the maximum flexibility in vehicle prototype workshop.Then the technical scheme verified is very feasible and reliable by simulation technology.At last，it provides a reference for robot roller hemming technical proposal research and application.

Key words：closure；robot；roller hemming；flexibility

中圖分類號：TH165.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0080-04

收稿日期：2015-12-24

作者簡介：熊利新（1986-）男，湖北黃岡人，碩士，工程師，研究方向：機械電子工程。