汽車白車身柔性焊裝線車身定位的研制*

唐國寶，廉迎戰(zhàn)，張 俊，黃忠寶，劉 益，王再欽，劉代鸞

（1.廣州瑞松智能科技股份有限公司，廣州 510535；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

0 引言

伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及居民購買力的不斷提升，國內(nèi)汽車的普及率將會(huì)提高，同時(shí)新能源汽車的蓬勃發(fā)展將進(jìn)一步帶動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級(jí)等，中國汽車行業(yè)上升至黃金發(fā)展期，保持高速穩(wěn)健發(fā)展態(tài)勢。汽車制造產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展導(dǎo)致了汽車行業(yè)的競爭加劇。現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是價(jià)格、數(shù)量、質(zhì)量的競爭，同時(shí)市場還在不斷地變化，為滿足客戶定制化的需求，汽車生產(chǎn)廠商新車投放、舊車改型步伐不斷加快、生產(chǎn)周期越來越短，這對(duì)汽車生產(chǎn)線的智能化升級(jí)改造提出了高要求與高標(biāo)準(zhǔn)。

隨著汽車發(fā)展由大批量生產(chǎn)向多品種、小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，為了滿足汽車消費(fèi)者廣泛而多樣化的需要，以及適應(yīng)汽車市場的激烈競爭，各大汽車生產(chǎn)廠家不斷縮短車型變換周期，加快車種的更新；為滿足客戶定制化的需求，現(xiàn)代汽車焊接線在功能上逐步趨于柔性化，必須建立一套柔性生產(chǎn)體系，在同一條生產(chǎn)線上通過設(shè)備之間的切換和調(diào)整滿足不同產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，既滿足多品種的多樣化要求，又達(dá)到可充分利用的目的。柔性化生產(chǎn)體系中，汽車白車身在生產(chǎn)線上的定位是柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-3]。本文提出了集多軸伺服白車身定位技術(shù)、多車型的無源臺(tái)車定位技術(shù)和在線視覺智能引導(dǎo)定位技術(shù)為一體的車身定位技術(shù)，解決了柔性焊裝線車身定位的技術(shù)難題。

1 汽車白車身柔性焊裝線車身定位總體設(shè)計(jì)

車身焊接是白車身制造工藝中最重要的工藝過程之一，車身焊接的質(zhì)量、精度、生產(chǎn)效率對(duì)整車的質(zhì)量、精度、生產(chǎn)效率有著直接的影響。焊接生產(chǎn)線的混流柔性技術(shù)，運(yùn)用于多品種車型，柔性化的制造，生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)具備多車型柔性生產(chǎn)的能力[4]。目前國內(nèi)部分焊裝生產(chǎn)線多數(shù)仍是剛性生產(chǎn)線，車型切換基本采用單元內(nèi)部的切換，兼容車型少。

多車型共線生產(chǎn)導(dǎo)致不同車型基準(zhǔn)的位置各異，一對(duì)一的基準(zhǔn)設(shè)置會(huì)導(dǎo)致設(shè)備極其復(fù)雜，極大地影響了機(jī)器人焊接的效率，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)拍增加，甚至無法實(shí)現(xiàn)共線共設(shè)備生產(chǎn)。通過伺服機(jī)構(gòu)夾具和無源臺(tái)車等智能裝備的使用，可以解決多車型共線生產(chǎn)兼容性等問題。由于生產(chǎn)過程中，加工件數(shù)量不斷增多，累積誤差無可避免，通過多軸伺服白車身定位技術(shù)及無源臺(tái)車的使用，可有效避開加工累積誤差。因此，為了更好地適應(yīng)于不同車型在焊裝線上的車身定位，通過多軸伺服白車身定位技術(shù)、多車型的無源臺(tái)車定位技術(shù)和在線視覺智能引導(dǎo)定位技術(shù)對(duì)白車身進(jìn)行定位，更有利于車身裝配和焊接的精度。

2 柔性焊裝線多軸伺服白車身定位技術(shù)

多軸伺服定位機(jī)構(gòu)用于對(duì)車身焊接的固定和定位，其通過伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多車型的定位。伺服機(jī)構(gòu)是通過伺服電機(jī)、滾珠絲杠以及滑軌的組合，利用數(shù)字化編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)能夠精確控制基準(zhǔn)移動(dòng)距離的機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)線采用伺服機(jī)構(gòu)柔性夾具，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地板對(duì)稱基準(zhǔn)多車種柔性共用的目的。通過數(shù)字化控制技術(shù)[5]，實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，并配置示教器及人機(jī)界面，在車型增加時(shí)通過簡單示教即可達(dá)到生產(chǎn)的需求，大幅縮短新車型導(dǎo)入的時(shí)間并減少追加成本。為確保伺服機(jī)構(gòu)在多軸伺服定位技術(shù)中的精度，需要開展對(duì)伺服電機(jī)、滾珠絲杠、滑軌負(fù)載及精度的研究，包括伺服機(jī)構(gòu)重復(fù)性定位精度驗(yàn)證、負(fù)載情況下的形變量測試以及疲勞測試等，伺服電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速的選取，滾珠絲杠導(dǎo)程及抗扭強(qiáng)度的確認(rèn)，導(dǎo)軌受力及壽命的驗(yàn)證等。

該技術(shù)為汽車車身柔性焊接生產(chǎn)線中的一個(gè)重要技術(shù)，可對(duì)汽車車身柔性定位、柔性切換與車身柔性搬運(yùn)機(jī)構(gòu)配合工作，實(shí)現(xiàn)車身柔性生產(chǎn)。該發(fā)明用于汽車車身焊接生產(chǎn)線中搬運(yùn)來的車身進(jìn)行定位支撐，包括一設(shè)置在各個(gè)工位上的基座，基座表面的四角分別對(duì)稱設(shè)置有2個(gè)六自由度伺服柔性定位裝置和2個(gè)四自由度伺服柔性定位裝置；基座表面中部設(shè)置有往復(fù)桿機(jī)構(gòu)，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)上安裝有車身搬運(yùn)柔性定位機(jī)構(gòu)；車身搬運(yùn)柔性定位機(jī)構(gòu)搬運(yùn)而來的車身部件在車身搬運(yùn)柔性定位機(jī)構(gòu)下落后，基座表面四角的伺服柔性定位裝置對(duì)車身部件進(jìn)行定位。本發(fā)明用于與車身搬運(yùn)柔性定位機(jī)構(gòu)配合工作，對(duì)搬運(yùn)而來的車身進(jìn)行定位支撐，節(jié)省搬運(yùn)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)多車種、多落點(diǎn)位置的柔性搬運(yùn)需求。

本技術(shù)的獨(dú)特性有以下兩點(diǎn)：（1）利用伺服電機(jī)共同組成的伺服機(jī)構(gòu)，多落點(diǎn)位置地柔性定位；（2）相比原有的手工切換技術(shù)，使用伺服切換精度高、柔性高，在一定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)任意位置的定位。

多軸伺服白車身定位機(jī)構(gòu)通過X、Y、Z三個(gè)方向的組合使用，能夠在行程范圍內(nèi)任意位置實(shí)現(xiàn)0.1 mm以內(nèi)的精確移動(dòng)，一套伺服結(jié)構(gòu)可以滿足多種車型的定位，讓在3種以上車型共線共設(shè)備生產(chǎn)成為可能，同時(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)大幅簡化，使得機(jī)器人在焊接時(shí)干涉區(qū)域明顯減少，極大提高了焊接生產(chǎn)的效率。通過采用本技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)產(chǎn)品平臺(tái)、8種車型的柔性共線生產(chǎn)。

圖1 多軸伺服白車身定位機(jī)構(gòu)圖

3 柔性焊裝線多車型的無源臺(tái)車定位技術(shù)

多車型無源臺(tái)車可以起到對(duì)焊接之后車身地板進(jìn)行定位和搬運(yùn)的作用，高速往復(fù)桿上的伺服電機(jī)控制運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制這個(gè)搬送機(jī)構(gòu)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多車型無源臺(tái)車的定時(shí)、定距離的搬送，達(dá)到將多車型無源臺(tái)車上的汽車工件搬運(yùn)到指定的焊接崗位。

多車型的無源臺(tái)車定位技術(shù)通過外部伺服機(jī)構(gòu)的控制如圖2所示。

圖2 無源臺(tái)車外部伺服機(jī)構(gòu)

由外部伺服機(jī)構(gòu)牽引臺(tái)車上的基準(zhǔn)沿著導(dǎo)軌方向移動(dòng)，移動(dòng)到位之后導(dǎo)軌鎖就導(dǎo)軌進(jìn)行抱閘鎖定，在臺(tái)車低成本、輕量化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同車型基準(zhǔn)之間切換的精確定位。在使用外部伺服機(jī)構(gòu)控制時(shí)，需要對(duì)滑軌、導(dǎo)軌鎖及車身強(qiáng)度及重量分析計(jì)算和研究，包括重復(fù)性定位精度驗(yàn)證，負(fù)載情況下的形變量測試和疲勞測試，導(dǎo)軌鎖抱閘情況下能夠承受推力測試，能源接口對(duì)接次數(shù)壽命驗(yàn)證，導(dǎo)軌側(cè)向力及壽命驗(yàn)證，對(duì)臺(tái)車重量的控制及強(qiáng)度驗(yàn)證。多車型的無源臺(tái)車定位，在裝載升降機(jī)處實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)位置的無極切換，使臺(tái)車調(diào)整到所需車型的狀態(tài)，具備自動(dòng)搜索、識(shí)別被切換體的位置，減輕了因自身重量的限制，降低制造及使用成本。結(jié)合多軸伺服白車身定位技術(shù)和其他核心技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的車型切換傳輸及定位，車型切換時(shí)間小于6 s，生產(chǎn)節(jié)拍高達(dá)43 s/臺(tái)，重復(fù)精度小于0.05 mm。

4 柔性焊裝線在線視覺智能引導(dǎo)定位技術(shù)

通過計(jì)算，其深度精度可達(dá)到±0.3 mm，其中視覺圖像捕捉圖如圖3所示。

隨后利用在智能系統(tǒng)中設(shè)定好的計(jì)算模型分析圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算外形輪廓尺寸，將偏差值發(fā)送給機(jī)器人控制器并反饋至數(shù)據(jù)端，以控制機(jī)器人本體做補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，保證在送料小車精度不高的情況下，機(jī)器人也能夠準(zhǔn)確地將小車內(nèi)的工件取出，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確尋跡。在汽車生產(chǎn)的復(fù)雜環(huán)境中，導(dǎo)入高精度視覺圖像系統(tǒng)對(duì)車身零

在線視覺智能引導(dǎo)定位技術(shù)[6-7]通過工業(yè)機(jī)器人與視覺識(shí)別三維定位技術(shù)的結(jié)合，集成在機(jī)器人拾取端2D平面圖像攝取和3D激光掃描技術(shù)，在機(jī)器人高速作業(yè)的過程中捕捉圖像信息，根據(jù)同一被測特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圖像視差來計(jì)算深度等信息。在已知相機(jī)焦距f、左右相機(jī)基線b、視差d時(shí)，可以計(jì)算出深度z為：件的不確定位置進(jìn)行定位，通過視覺引導(dǎo)功能，可以代替人力進(jìn)行取放件工作，適用于不同車型、無精度環(huán)境下的自動(dòng)化生產(chǎn)，加快了自動(dòng)化生產(chǎn)進(jìn)程，提高生產(chǎn)效率，真正實(shí)現(xiàn)“機(jī)器人”代替“人”。

圖3 視覺圖像捕捉圖

5 結(jié)束語

本文研究的車身定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3個(gè)產(chǎn)品平臺(tái)、8種車型的柔性共線生產(chǎn)；實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的車型切換傳輸及定位，車型切換時(shí)間小于6 s，生產(chǎn)節(jié)拍高達(dá)43 s/臺(tái)，重復(fù)精度小于0.05 mm。采用本研究的定位技術(shù)，公司的白車身地板機(jī)器人柔性焊裝線在各項(xiàng)性能指標(biāo)上都能達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。集多軸伺服白車身定位技術(shù)、多車型的無源臺(tái)車定位技術(shù)和在線視覺智能引導(dǎo)定位技術(shù)為一體的車身定位技術(shù)，解決了柔性焊裝線車身定位的技術(shù)難題，大大提高了共線車型種類及降低了車型切換時(shí)間，有效提升了生產(chǎn)效率。優(yōu)化設(shè)計(jì)了地板總成柔性焊接生產(chǎn)線，通過柔性焊接生產(chǎn)平臺(tái)，使用伺服切換精度高、柔性高，在一定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)任意位置的定位，實(shí)現(xiàn)高節(jié)拍、高產(chǎn)出比、高生產(chǎn)效率、高柔性、高自動(dòng)化率、穩(wěn)定的生產(chǎn)品質(zhì)，對(duì)提升車身制造質(zhì)量、車身生產(chǎn)制造速度等方面有重要作用。