協作機器人在發動機罩蓋擰緊上的應用探析

沈云嘯 庹鵬

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007

前言

在智能制造的推進中，基于機器人的自動化應用是轉型的基礎。某發動機工廠也在不斷推進數字智能化應用，通過自動化提升不斷降低運行成本以應對激烈的汽車市場。傳統機器人在大質量搬運、大扭矩擰緊應用上優勢明顯。但為滿足生產安全需要，行業對機器人的生產和集成提出嚴格的規范要求，增加安全護欄后存在占地過大問題，特別是在技改作業等場合對工藝布局挑戰更大。人機協作機器人在滿足工藝目標前提下不僅可帶來生產空間的節約，而且其可拖動示教的特性在安全可控下可實現人機協作智能化應用。

協作機器人首次由丹麥UR公司于2008年正式推向市場，隨后機器人廠家KUKA、ABB、Fanuc，新松等均發布了協作機器人，且有效負載逐步提升[1]。隨著2016年ISO/TS15066規范發布，為促進協作機器人的集成推廣提供了行業指導意見[2]。協作機器人具備體積小，質量輕，編程簡單并具備防碰撞功能適應工業現場小負載，人機交互應用場合。汽車行業協作機器人已在整車裝配[3]，車身涂膠[4]等場合進行了應用。

某公司發動機工廠在國6機型導入過程中，需要將發動機缸蓋罩的全軸自動擰緊改造為機器人擰緊以提升生產柔性實現多產品共線生產。在方案設前期中，如圖1所示采用傳統機器人帶雙軸伺服擰緊變距方案，機器人的防護欄設計需要將現有工段園地移走才能實現，但線旁緊湊的料架擺放無法實現工段園地的整體遷移。

圖1 缸蓋罩傳統機器人擰緊方案

1 協作機器人應用于發動機罩蓋擰緊

為解決傳統機器人擰緊罩蓋占地大問題，同時考慮引入智能設備應用試點，為后續發動機裝配線人機協作提升做好技術儲備。發動機罩蓋擰緊方案設計為采用兩臺作機器人每次同步擰緊兩顆螺栓的方案。發動機罩蓋螺栓要求擰緊11顆，扭矩要求為10±2N.M。

1.1 機器人選型

為保證生產效率，在滿足定位精度，工作范圍等基礎要求下，重點考慮機器人末端負載情況，考慮大批量生產線下自動站工作的穩定性，擰緊軸凈重2.6kg及擰緊軸安裝后重心相對手腕中心偏移導致有效負載進一步下降，同步考慮關節軸強度[5]最終選取UR10機器人。該型機器人主要參數如表1所示，相比傳統機器人380V供電需求，協作機器人無須配置動力電路。

表1 UR10機器人主要參數

1.2 機器人擰緊方案設計

（1）缸蓋罩擰緊要求

為保證發動機罩蓋的密封性，在兩臺機器人移動下，帶動雙軸擰緊以在實現產品柔性擰緊，程序設置同步擰緊降低螺栓擰緊過程的衰減問題。各螺栓擰緊步驟如圖2所示，前5組(10顆)螺栓分5步，每一步兩顆螺栓同步擰緊，最后一顆單獨擰緊，即螺栓擰緊順序為1→2→3→4→5→6。

圖2 罩蓋擰緊螺栓示意圖（11顆）

（2）協作機器人結構及運動學分析

協作機器人通過監測電流變化實現力的反饋，因此在使用過程中考慮不同角度是否達到各關節軸的極限情況，并按廠家要求盡可能合理布局機器人姿態實現機器人軸受力均勻以減少誤報警。機器人各運動部件如圖3所示，由6個旋轉關節組成，其中基座和肩關節規格相同，末端3個手腕規格相同。

圖3 協作機器人結構

根據手冊獲得各關節軸極限扭矩如表2所示，其中末端極限扭矩為56N?m，足夠滿足10N?m規格螺栓擰緊要求，并降低機器人在快速移動過程中軸的誤報警。

表2 機器人各關節軸軸扭矩極限

協作機器人和傳統機器人在工作行程中一樣需考慮運行過程中避開其運動奇異點以防止不確定的動作發生，在零位狀態下，其 D-H連桿坐標系參數如表3所示，ai為連桿長度，di為連桿偏移距離；αi-1為連桿扭轉角度，θi為關節旋轉角度。依據正運動學，求解連桿坐標系之間的齊次變換矩陣可獲得機器人末端位姿。

表3 協作機器人D-H參數

另通過數值求解法獲得機器人逆運動學，避免運行過程的奇異點，確保各關節旋轉角度θ有解。

（3）協作機器人擰緊方案布局

為降低協作機器人擰緊過程中的誤報警，要求擰緊軸旋轉中心避免與機器人旋轉軸中心平行，防止旋轉軸受到擰緊過程中的最大反作用力。缸蓋罩螺栓擰緊過程中，設計方案如圖4所示，擰緊槍采用了直柄結構通過連接件設計實現旋轉中心垂直結構；腕關節安裝支架基座采用45度安裝避免擰緊軸旋轉中心與關節旋轉中心平行。協作機器人方案直接在滾道旁布置，相比傳統機器人方案節省占地面積35%以上。并且在施工過程中，無須單獨配置動力電，系統上電后，人工拖動擰緊槍對位加快了現場的調試、驗證時間。

圖4 協作機器人安裝布局及關鍵結構

（4）電槍擰緊過程與機器人系統匹配

協作機器人剛性較差，在擰緊工藝設計上，在滿足節拍的前提下，設定適合的電槍旋轉速度以防止發生過沖導致機器人誤感應報警的問題。如圖5所示，兩臺協作機器人實現螺栓的同步擰緊。經長期生產驗證，螺栓的動態扭矩穩定，生產過程的靜態扭矩抽檢過程也未發生明顯衰減的問題。

圖5 協作機器人擰緊罩蓋

2 結束語

在國6機型適應性改造過程中，協作機器人的輕便快速安裝，現場連接動力無須傳統再配380V電源，調試對位過程中基于人機協作的應用可以快速拖動實現各擰緊對位，有效節約了場地并提升了改造工作效率。但是其各關節軸承受負載相比傳統機器人降低較多，為降低運行過程中誤報警，需要細致考慮各關節軸的工作姿態，讓各軸均勻分擔反力。協作機器人擰緊現場的應用成功，為生產線下一步自動化提升，人機協作下降低人員工作負荷提供了全新應用思路。