汽車零部件產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的研究
——基于開發(fā)和優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人操作程序

文 /徐 霖 陳 誠 任浩源

目前，汽車行業(yè)主要將機(jī)器人用于生產(chǎn)線上的裝配、焊接和涂裝等，在汽車零部件產(chǎn)品檢測(cè)方面，機(jī)器人的使用率并不高。在國外，已有測(cè)試機(jī)構(gòu)開始應(yīng)用機(jī)器人來進(jìn)行一些多動(dòng)作的可靠性試驗(yàn)，如手套箱的開閉耐久試驗(yàn)、方向盤的調(diào)節(jié)操作耐久試驗(yàn)等。在國內(nèi)，對(duì)機(jī)器人的擴(kuò)展性能、測(cè)試和控制系統(tǒng)的二次開發(fā)研究不夠深入，現(xiàn)階段僅在模擬人體進(jìn)出座椅試驗(yàn)上使用成套的機(jī)器人測(cè)試裝置，而對(duì)于其他汽車零部件的可靠性測(cè)試，主要還是用氣缸、電缸或油缸來進(jìn)行。

一、基于工業(yè)機(jī)器人開發(fā)汽車產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)

1.汽車產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)

目前,汽車部件的可靠性試驗(yàn)主要是用氣缸、油缸和電缸來執(zhí)行，可以對(duì)加載點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立的往復(fù)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但在一般情況下，很難在加載點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)。近幾年，汽車主機(jī)廠對(duì)于可靠性試驗(yàn)的要求越來越高，制定的標(biāo)準(zhǔn)也盡可能地模擬乘員對(duì)汽車產(chǎn)品的實(shí)際使用情況。從中可以看出，如果試驗(yàn)室僅僅只有單自由度的執(zhí)行裝置，已經(jīng)不能覆蓋汽車主機(jī)廠的試驗(yàn)要求，而擁有六個(gè)自由度的工業(yè)機(jī)器人就能夠完全模擬乘員的動(dòng)作，基于工業(yè)機(jī)器人開發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)加載點(diǎn)上的復(fù)合運(yùn)動(dòng)（見圖1）。

圖1 六自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)圖

2.機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

本研究的目的是利用機(jī)器人平臺(tái)可以精確模擬人體運(yùn)動(dòng)軌跡的特性，結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)采集、可編程邏輯控制器（PLC）、氣動(dòng)裝置、電動(dòng)裝置、攝像裝置和夾具執(zhí)行裝置等，開發(fā)出一套可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)（見圖2）。

圖2 機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成圖

3.可靠性試驗(yàn)臺(tái)架研發(fā)

本研究要解決的首要問題是如何對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)室環(huán)境下的二次開發(fā)，在原有的汽車座椅進(jìn)出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)（KUKA Occubot）功能下，開發(fā)出滿足客戶（汽車主機(jī)廠）要求的試驗(yàn)臺(tái)架，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度協(xié)同控制的試驗(yàn)要求，以替代單自由度的液壓缸、電動(dòng)缸和氣缸組合，通過復(fù)雜臺(tái)架的搭建，實(shí)現(xiàn)多通道閉環(huán)控制試驗(yàn)。

奧迪的轉(zhuǎn)向管柱耐久試驗(yàn)是一個(gè)模擬駕駛員按住方向盤左右打方向的試驗(yàn)，需要進(jìn)行60萬次同時(shí)控制左右旋轉(zhuǎn)力矩和下壓力的可靠性試驗(yàn)。一般情況下，至少需要使用一個(gè)閉環(huán)控制的旋轉(zhuǎn)缸加上一個(gè)閉環(huán)控制的直線缸，通過復(fù)雜的夾具設(shè)計(jì)才能夠既滿足旋轉(zhuǎn)力矩的要求又滿足下壓力的要求。由于是兩個(gè)獨(dú)立的激勵(lì)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，難免會(huì)產(chǎn)生相互干擾和相位不易控制的情況。圖3為客戶提供的試驗(yàn)曲線示例。

圖3 客戶試驗(yàn)曲線示例圖

通過對(duì)該耐久試驗(yàn)要求的分析，本研究重新設(shè)計(jì)了與機(jī)器人匹配的試驗(yàn)臺(tái)架和夾具（見圖4）。經(jīng)過多次嘗試，完成了對(duì)機(jī)器人軟件的編程調(diào)教。其間解決了雙重激勵(lì)的輸入方式、雙閉環(huán)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償比例的設(shè)定、最小修正因子和最大修正量的確定以及相位差的設(shè)定等問題，最終實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制的可靠性試驗(yàn)。力值反饋試驗(yàn)曲線見圖5。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架圖

圖5 力值反饋曲線

二、各加載頭汽車內(nèi)飾件可靠性試驗(yàn)的研究

汽車上的零部件和乘員身體接觸的部位往往是不同的，導(dǎo)致汽車主機(jī)廠在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會(huì)有各式各樣的加載頭（見圖6），來對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行按壓耐久試驗(yàn)。當(dāng)前，座椅相關(guān)疲勞耐久試驗(yàn)中，針對(duì)不同位置的加載需要更換加載頭且更換通常由人工完成，而市場(chǎng)上的機(jī)器人快換裝置成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本研究通過與市場(chǎng)上多種不同產(chǎn)品的比對(duì)，設(shè)計(jì)出了一種與工業(yè)機(jī)器人配套使用的簡(jiǎn)易氣動(dòng)快換裝置。該裝置采用氣動(dòng)插銷式結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)方便等特點(diǎn)，同時(shí)具有安全自鎖機(jī)構(gòu)，保證在壓縮空氣阻斷情況下依舊保持主盤與工具盤連接。

圖6 耐久性試驗(yàn)加載頭

圖7 快換裝置工作部分現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人操作示意圖

快換裝置工作方式主要步驟如下：

初始狀態(tài)下，工具盤與氣缸插銷脫離，與加載頭一同放置在支架的加載頭放置底座上，工具盤側(cè)邊三個(gè)平面與定位塊接觸。機(jī)器人連接座固定在機(jī)器人工作法蘭盤上，連接氣缸的控制電磁閥信號(hào)線及磁性開關(guān)信號(hào)線連接至機(jī)器人控制器。

試驗(yàn)開始后，機(jī)器人帶著連接氣缸移動(dòng)至支架上方，控制器發(fā)出控制信號(hào)，連接氣缸活塞桿縮回。活塞桿縮回位置磁性開關(guān)有信號(hào)，說明此時(shí)插銷處于解鎖位置并與工具盤無接觸。接著，緩慢下降直至連接氣缸固定座與工具盤接觸，此時(shí)機(jī)器人處于鎖定位置。連接氣缸活塞桿伸出，活塞桿伸出位置磁性開關(guān)有信號(hào)，說明插銷已經(jīng)插入銷孔中，此時(shí)處于鎖定狀態(tài)。機(jī)器人帶動(dòng)加載頭移動(dòng)至試驗(yàn)工作位置開始試驗(yàn)。

一段試驗(yàn)完成后，需要更換加載頭。機(jī)器人帶著連接氣缸移動(dòng)至支架上方，緩慢下降，直至工具盤與加載頭放置底座接觸。控制器發(fā)出控制信號(hào)，連接氣缸活塞桿縮回。工具盤與機(jī)器人連接座脫離。機(jī)器人帶著連接氣缸移動(dòng)至另一個(gè)工具盤上方，緩慢下降至鎖定位置，重復(fù)動(dòng)作（見圖 7）。

三、結(jié) 論

本研究依托試驗(yàn)室實(shí)際情況和試驗(yàn)?zāi)芰Γ塾诔Ｒ姷脑囼?yàn)形式，基于工業(yè)機(jī)器人開發(fā)出了可以滿足主機(jī)廠要求的汽車零部件產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)，并解決了座椅疲勞耐久試驗(yàn)中更換加載頭需要停止試驗(yàn)并人工更換的情況。本研究積累了工業(yè)機(jī)器人的二次開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的可靠性試驗(yàn)和不同加載頭的自動(dòng)更換，不僅能夠滿足將來汽車主機(jī)廠越來越復(fù)雜的試驗(yàn)要求，還提高了試驗(yàn)效率，降低了技師的工作強(qiáng)度。同時(shí)通過用工業(yè)機(jī)器人來進(jìn)行可靠性試驗(yàn)?zāi)軌蚋鎸?shí)地模擬乘員操作，有助于汽車零部件廠家有針對(duì)性地提升產(chǎn)品質(zhì)量。