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”一體化技術已應用于裝配系統(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和現(xiàn)代物流技術，使汽車裝配中生產(chǎn)管理調度、柔性裝配控制、質量安全管理實現(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)質量控制、自我診斷等功能，極大提高了生產(chǎn)質量及生產(chǎn)效率，提升了國內(nèi)裝配制造水平，并能廣泛應用于焊裝、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、標準化機械、電氣、程序的功能模塊；研發(fā)了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理中心，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程、質量、設備等的統(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。

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掛的機器人等。

系統(tǒng)是以軟件為核心，以計算機網(wǎng)絡為信息載體，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備為執(zhí)行機構，實現(xiàn)了汽車柔性裝配自動化的全部過程，并對汽車裝配質量進行在線檢測，同時系統(tǒng)還對全線運轉情況進行自檢、診斷并及時提供故障修復指導。系統(tǒng)涉及了機械、電子、計算機、網(wǎng)絡、軟件、無線通訊、機器人、傳輸系統(tǒng)等多個領域，并綜合了柔性裝配系統(tǒng)技術和現(xiàn)代物流技術，整個系統(tǒng)非常復雜，技術難度很大。

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，確定模塊的設備及機器人型式；研發(fā)設計功能輸送設備；研發(fā)設計滿足多車型、多品種的橇體、吊具、托盤等工件載體；研發(fā)設計滿足多車型、多品種的定位轉接機械手、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、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、設備參數(shù)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質量管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)的分析，設計計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)與管理系統(tǒng)、質量管理系統(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、應用程序二次開發(fā)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程和設備運行的集中管理和監(jiān)控。

設計合理的PLC總線網(wǎng)絡及無線LAN網(wǎng)絡系統(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、重復調用功能模塊程序，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 技術方案

3.1 智能化運輸和集散控制系統(tǒng)總體布局與構成

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聯(lián)的機器人模塊構成。智能化控制系統(tǒng)由計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智能檢測、程序設計及執(zhí)行系統(tǒng)構成。

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、準時化生產(chǎn)的要求，在對各輸送線時序分析的基礎上，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計與制造。

3.2.2 雙層多通道立體庫設計

開發(fā)的多通道立體倉儲系統(tǒng)應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）倉庫主體結構設計。倉庫主體結構采用鋼結構支架，通道輸送設備鋁合金軌架，不銹鋼輥子。根據(jù)不同的功能，采用單元輸送+積放輸送結合的方式完成倉庫的儲存、輸送功能。

（2）倉庫存儲輔助設備開發(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雙層升降輥床等構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、準時化生產(chǎn)的指令，實時對出庫的目標，通過射頻信號自動識別目標對象，并對目標對象進行非接觸的數(shù)據(jù)寫入或讀取，對于非碼的目標，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備運行時間，從而減少磨損，提高設備的使用壽命，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鏈條導條，帶有自補償張緊的驅動裝置。

（2）雙層回轉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度轉向輸送。

（4）翻轉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設備。

（5）備胎翻轉機在備胎安裝工位前，按照備胎安裝的需要，備胎翻轉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、集散控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等構成，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，使機器人應具有柔性控制，從而適應汽車生產(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，同時作為FAS 的核心對PLC 和PC之間的通信進行協(xié)調，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，建立網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理中心，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程管理、質量管理、設備管理等的統(tǒng)一化。提高了生產(chǎn)調度管理的靈活性，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。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 關鍵技術及創(chuàng)新點

3.3.1 關鍵技術

（1）為保證各子系統(tǒng)間高精度轉掛，系統(tǒng)中關鍵設備采用了無側隙齒輪傳動和高精度位移傳感器兩項關鍵技術。

（2）為保證系統(tǒng)的多品種混線柔性生產(chǎn)的需要，系統(tǒng)中設計研發(fā)了具有自動調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)、伺服精準定位等新技術的應用，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)絡結構及軟硬件配置，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、準時化裝配工作。系統(tǒng)能隨時調整生產(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，引導維修人員迅速排除故障。

（4）發(fā)明了系統(tǒng)采用模塊化設計，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)技術結構原理3.4.1 系統(tǒng)結構

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、柔性裝配的主要設備，是物料的水平運輸、回轉運輸、垂直提升、物料旋轉等輸送過程及物料工位自動控制的基礎單元，還可以廣泛應用于家電、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、軟件、無線通訊、機器人等各個領域，系統(tǒng)復雜，綜合性技術難度較大。

3.4.2 系統(tǒng)技術原理（圖1、2）

4 結語

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，具有極大的推廣應用價值，該系統(tǒng)的成功應用，將帶動機械、電子、計算機、機器人等領域的發(fā)展，具有良好的示范作用。