汽車制造企業(yè)柔性自動化裝配系統(tǒng)

蔡俊英

（承德華遠自動化設(shè)備有限公司，河北 承德 067000）

1 系統(tǒng)介紹

柔性自動化裝配系統(tǒng)成為現(xiàn)代汽車制造業(yè)的生產(chǎn)核心，代表著裝配制造的水平。我公司多年的潛心研究和反復(fù)實踐，成功研發(fā)的柔性自動化裝配系統(tǒng)，填補了國內(nèi)空白，完全替代了進口，實現(xiàn)了國產(chǎn)化。大量的“光、機、電”一體化技術(shù)已應(yīng)用于裝配系統(tǒng)，使整套系統(tǒng)具有“自動感知、自我診斷、自我決策”的功能。

2 總體思路

柔性自動化裝配系統(tǒng)綜合了柔性裝配技術(shù)和現(xiàn)代物流技術(shù)，使汽車裝配中生產(chǎn)管理調(diào)度、柔性裝配控制、質(zhì)量安全管理實現(xiàn)信息化，不僅實現(xiàn)多品種、多車型混線生產(chǎn)，同時實現(xiàn)質(zhì)量控制、自我診斷等功能，極大提高了生產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，提升了國內(nèi)裝配制造水平，并能廣泛應(yīng)用于焊裝、涂裝、工程機械、家電電子、物流、服裝、郵政等各方面的自動化作業(yè)，并對裝備制造業(yè)具有示范作用。

系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理中心、電氣控制系統(tǒng)、機器人、機械手及多種類機械傳輸系統(tǒng)組成一套完整的、專用的柔性智能化裝配控制系統(tǒng)。系統(tǒng)成功研發(fā)了多種類通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化機械、電氣、程序的功能模塊；研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理中心，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程、質(zhì)量、設(shè)備等的統(tǒng)一化管理；在系統(tǒng)中采用了條碼、 二維碼、視覺識別、光電、激光測距、WCS定位、接近、安全、無接觸取功，伺服精確定位等多種技術(shù)。

研發(fā)的機械傳輸系統(tǒng)包括車身存儲、內(nèi)飾裝配、底盤裝配、輪胎儲運、座椅儲運、車門分裝、動力總成分裝、發(fā)動機前橋分裝、儀表板分裝、整車裝配、下線檢測及各線上和線間相互轉(zhuǎn)掛的機器人等。

系統(tǒng)是以軟件為核心，以計算機網(wǎng)絡(luò)為信息載體，以各類信息傳感器感知和識別生產(chǎn)信息及數(shù)據(jù)，以各種形式的智能化機器人和輸送設(shè)備為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了汽車柔性裝配自動化的全部過程，并對汽車裝配質(zhì)量進行在線檢測，同時系統(tǒng)還對全線運轉(zhuǎn)情況進行自檢、診斷并及時提供故障修復(fù)指導(dǎo)。系統(tǒng)涉及了機械、電子、計算機、網(wǎng)絡(luò)、軟件、無線通訊、機器人、傳輸系統(tǒng)等多個領(lǐng)域，并綜合了柔性裝配系統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代物流技術(shù)，整個系統(tǒng)非常復(fù)雜，技術(shù)難度很大。

2.1 工藝及裝備的研發(fā)

通過對不同車型、裝配工藝、生產(chǎn)節(jié)拍的分析，設(shè)計合理的工藝布局；研發(fā)滿足不同裝配工藝的功能模塊，確定模塊的設(shè)備及機器人型式；研發(fā)設(shè)計功能輸送設(shè)備；研發(fā)設(shè)計滿足多車型、多品種的橇體、吊具、托盤等工件載體；研發(fā)設(shè)計滿足多車型、多品種的定位轉(zhuǎn)接機械手、機器人，實現(xiàn)汽車總裝生產(chǎn)大批量、多品種混線生產(chǎn)的高綱領(lǐng)、高節(jié)拍、高柔性、自動化、智能化的裝配生產(chǎn)的需求。

2.2 柔性自動化控制的研發(fā)

通過對工藝布局、生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)的分析，設(shè)計計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)與管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、功能模塊控制系統(tǒng)的信息交換；數(shù)據(jù)歸檔、建立數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序二次開發(fā)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程和設(shè)備運行的集中管理和監(jiān)控。

設(shè)計合理的PLC總線網(wǎng)絡(luò)及無線LAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，選擇射頻識別系統(tǒng)（RFID）、接近傳感器、光電傳感器、位移傳感器、機器視覺傳感器及執(zhí)行器系統(tǒng)等，研發(fā)動作功能模塊程序、特殊傳感器功能模塊程序、執(zhí)行器功能模塊程序、重復(fù)調(diào)用功能模塊程序，實現(xiàn)產(chǎn)品自動識別和跟蹤、產(chǎn)品自動存儲、在線自動檢測、產(chǎn)品流向智能控制、柔性裝配等功能于一身的柔性自動化裝配生產(chǎn)線。

3 技術(shù)方案

3.1 智能化運輸和集散控制系統(tǒng)總體布局與構(gòu)成

系統(tǒng)由符合汽車裝配要求的車身存儲、內(nèi)飾裝配、底盤裝配、輪胎座椅裝配、最終裝配、整車檢測、車門分裝、動力總成分裝、發(fā)動機前橋分裝、儀表板分裝、油箱、線束及各線上和線間相互關(guān)聯(lián)的機器人模塊構(gòu)成。智能化控制系統(tǒng)由計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智能檢測、程序設(shè)計及執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成。

3.2 系統(tǒng)主要研究內(nèi)容

3.2.1 總裝車間各子裝配線的設(shè)計

根據(jù)汽車總裝線高產(chǎn)能（年產(chǎn)35萬臺汽車總裝）、多品種、準(zhǔn)時化生產(chǎn)的要求，在對各輸送線時序分析的基礎(chǔ)上，完成車身存儲、內(nèi)飾裝配、底盤裝配、輪胎座椅裝配、最終裝配、整車檢測、車門分裝、動力總成分裝、發(fā)動機前橋分裝、儀表板分裝、油箱線、線束線等裝配線的設(shè)計與制造。

3.2.2 雙層多通道立體庫設(shè)計

開發(fā)的多通道立體倉儲系統(tǒng)應(yīng)具備多品種倉儲的特點，具備邊入庫、邊出庫；識別、糾錯、托盤碼垛、空托盤儲存、托盤拆垛、空托盤返回等完整的倉庫功能。

（1）倉庫主體結(jié)構(gòu)設(shè)計。倉庫主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)支架，通道輸送設(shè)備鋁合金軌架，不銹鋼輥子。根據(jù)不同的功能，采用單元輸送+積放輸送結(jié)合的方式完成倉庫的儲存、輸送功能。

（2）倉庫存儲輔助設(shè)備開發(fā)。研究開發(fā)碼垛機、拆垛機、伺服動力移行車、停止器、激光測距多層定位往復(fù)雙層升降輥床等構(gòu)成功能齊全的立體庫輔助系統(tǒng)。

（3）倉庫管理控制系統(tǒng)開發(fā)。依據(jù)多品種、準(zhǔn)時化生產(chǎn)的指令，實時對出庫的目標(biāo)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象，并對目標(biāo)對象進行非接觸的數(shù)據(jù)寫入或讀取，對于非碼的目標(biāo)，在糾錯區(qū)進行更換，按生產(chǎn)指令完成邊入庫、邊出庫、識別、糾錯、托盤碼垛、托盤儲存、托盤拆垛、空托盤返回等完整的倉庫功能。

3.2.3 柔性單元輸送設(shè)計

本系統(tǒng)的倉庫及輸送采用以柔性單元輸送為主的輸送方式。柔性單元輸送可大大的減少設(shè)備運行時間，從而減少磨損，提高設(shè)備的使用壽命，降低能耗。本部分的主要研究內(nèi)容是開發(fā)各種不同于連續(xù)輸送和積放式輸送方式的柔性單元輸送設(shè)備。其中包括以下內(nèi)容。

（1）單元輥道采用自主開發(fā)的鋁合金機架，不銹鋼輥子，自潤滑性能良好的PE1000鏈條導(dǎo)條，帶有自補償張緊的驅(qū)動裝置。

（2）雙層回轉(zhuǎn)輥床上層用于輸送帶有工件的托盤，下層用于空托盤返回。

（3）90°錐輥彎道實現(xiàn)連續(xù)輸送過程中的90度轉(zhuǎn)向輸送。

（4）翻轉(zhuǎn)輥床用于與物流車對接；以及安裝工位配合機械手需要的垂直翻轉(zhuǎn)設(shè)備。

（5）備胎翻轉(zhuǎn)機在備胎安裝工位前，按照備胎安裝的需要，備胎翻轉(zhuǎn)180度。滿足輸送及安裝的需要。

（6）移行機在物流的水平分支處，按照總體布置的需要，布置多種形式的移行機、伺服動力移行車。

（7）聯(lián)動停止器運用多種擒縱方式，將不同形狀的連續(xù)物料分解成單體輸送。

3.2.4 控制系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)方案說明。控制系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、集散控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成，集成為高度智能化的裝配控制系統(tǒng)，用以完成汽車各零部件在裝配線上的自動運輸及裝配，滿足用戶先進復(fù)雜的使用要求。

一是控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視、分散控制”的模式。

二是與機器人通訊接口協(xié)議的研發(fā)。通過該協(xié)議，使機器人應(yīng)具有柔性控制，從而適應(yīng)汽車生產(chǎn)裝配過程中車型隨時變化或多車型同時混合出現(xiàn)的裝配過程，由機器人的控制器跟蹤裝配的最后步驟，并決定下一個執(zhí)行的裝配任務(wù)，同時作為FAS 的核心對PLC 和PC之間的通信進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)最優(yōu)化控制。

三是通信系統(tǒng)的研發(fā)。通過建立工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線控制，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。

（2）控制系統(tǒng)創(chuàng)新成果。

一是整個電控系統(tǒng)通過三層網(wǎng)絡(luò)，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理中心，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等的統(tǒng)一化。提高了生產(chǎn)調(diào)度管理的靈活性，信息處理的及時性，對汽車裝配過程進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、各設(shè)備生產(chǎn)狀況實時顯示，實時診斷出故障發(fā)生的部位和原因，引導(dǎo)維修人員迅速排除故障，系統(tǒng)智能化程度高。

二是系統(tǒng)中在設(shè)備層成功集成條碼、 二維碼、視覺識別、光電、激光測距、WCS定位、射頻識別系統(tǒng)（RFID）、接近、安全、無接觸取功、伺服精確定位等多種技術(shù)。配合執(zhí)行器件的動作，保證系統(tǒng)高精度定位的實現(xiàn)，自動識別功能的實現(xiàn)，高節(jié)拍的實現(xiàn)，線上產(chǎn)品追蹤定位功能的實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的智能化程度和安全級別。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

3.3.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）為保證各子系統(tǒng)間高精度轉(zhuǎn)掛，系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備采用了無側(cè)隙齒輪傳動和高精度位移傳感器兩項關(guān)鍵技術(shù)。

（2）為保證系統(tǒng)的多品種混線柔性生產(chǎn)的需要，系統(tǒng)中設(shè)計研發(fā)了具有自動調(diào)整功能的多位置支撐點橇體、吊具及滑板等，通過車型識別系統(tǒng)針對不同車型進行支點自動轉(zhuǎn)換。

（3）RFID射頻識別、條碼位置編碼定位、激光測距、無接觸免維護供電系統(tǒng)、伺服精準(zhǔn)定位等新技術(shù)的應(yīng)用，保證了系統(tǒng)生產(chǎn)的先進性和精確性。

（4）電控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視、分散控制”的模式。依據(jù)這一原則，將整個電控系統(tǒng)分為三個層次，即運行管理層、控制層和現(xiàn)場層。每個層次中使用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及軟硬件配置，以實現(xiàn)各自不同的功能，從而實現(xiàn)了生產(chǎn)管理的信息化。

3.3.2 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）研制成功了系統(tǒng)能在一條裝配線上同時完成多個品種混線、準(zhǔn)時化裝配工作。系統(tǒng)能隨時調(diào)整生產(chǎn)計劃，在所存儲的20多個品種中能根據(jù)需要隨時調(diào)出所需品種進行裝配。

（2）研制成功了滿足年產(chǎn)35萬輛份生產(chǎn)的需要，生產(chǎn)節(jié)拍54sec/輛份，最快節(jié)拍42sec/輛份，每小時可裝配60～65輛以上，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

（3）研制成功了對汽車裝配過程進行監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、各設(shè)備生產(chǎn)狀況時時顯示，實時診斷出故障發(fā)生的部位和原因，引導(dǎo)維修人員迅速排除故障。

（4）發(fā)明了系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，針對不同汽車廠、不同汽車總裝工藝進行組合，針對不同的功能及動作規(guī)律選取不同的程序功能塊，實現(xiàn)系統(tǒng)功能要求。

（5）發(fā)明了系統(tǒng)采用射頻識別系統(tǒng)（RFID）、接近傳感器、光電傳感器、位移傳感器、視覺傳感器及執(zhí)行器系統(tǒng)等多種智能傳感器的組合應(yīng)用，保證高精度的定位，自動識別功能的實現(xiàn)，高節(jié)拍的實現(xiàn)，線上產(chǎn)品追蹤定位。

3.4 系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)原理3.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柔性自動化裝配系統(tǒng)是汽車行業(yè)實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)中物料自動化輸送、柔性裝配的主要設(shè)備，是物料的水平運輸、回轉(zhuǎn)運輸、垂直提升、物料旋轉(zhuǎn)等輸送過程及物料工位自動控制的基礎(chǔ)單元，還可以廣泛應(yīng)用于家電、機械、電子、物流等方面的自動化作業(yè)。

智能化運輸系統(tǒng)涉及了機械、電子、計算機、網(wǎng)絡(luò)、軟件、無線通訊、機器人等各個領(lǐng)域，系統(tǒng)復(fù)雜，綜合性技術(shù)難度較大。

3.4.2 系統(tǒng)技術(shù)原理（圖1、2）

4 結(jié)語

如果采用了智能化運輸和柔性裝配系統(tǒng)（FAS），可實現(xiàn)汽車整車的自動裝配，每小時人工裝配時間平均可達57.5分鐘，最大限度地滿足了當(dāng)前市場需求的快速多變和不確定性要求，直接創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

目前，國內(nèi)自主生產(chǎn)的大規(guī)模總裝柔性自動化裝配控制系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，為我國汽車制造行業(yè)提供了先進的工藝裝備，提高了我國汽車制造行業(yè)的裝配水平，填補了國內(nèi)空白，完全替代了進口，實現(xiàn)了國產(chǎn)化。該系統(tǒng)達到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。

圖1 智能化運輸系統(tǒng)控制原理圖

圖2 智能化運輸系統(tǒng)電氣原理圖

該系統(tǒng)是汽車行業(yè)柔性生產(chǎn)的主要裝備，對提高汽車行業(yè)的技術(shù)水平具有非常重要的作用，代表著國際汽車裝配工藝的發(fā)展方向，符合國家振興高端裝備制造業(yè)發(fā)展方向，具有極大的推廣應(yīng)用價值，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，將帶動機械、電子、計算機、機器人等領(lǐng)域的發(fā)展，具有良好的示范作用。