白車身柔性自動化焊裝系統研究

黃鳳輝，楊 戈，曾 威，章 冰，黃繼輝，盛征陽

（1.湖南同心模具制造有限公司，湖南 長沙 410135；2.湖南同岡科技發展有限責任公司，湖南 長沙 410135）

隨著互聯網技術的發展，汽車工業制造向著全面柔性自動化方向發展[1]。汽車生產企業的單一車型大批量生產方式已不能適應市場發展的需求，因此要求一條線共線生產多種型號品種的車型，不但批量小，而且品種多，這種生產方式越來越受到歡迎。如何實現汽車生產輸送系統的“柔性化”是汽車柔性制造的關鍵點。汽車車身柔性自動化焊裝系統主要是運用各種先進的自動化控制系統、無線網絡傳輸技術、柔性自動化夾具等先進技術實現車身全流程各工序的自動化焊接和拼裝。中低速電動轎車車身自動化生產線工藝目前急需解決的關鍵技術問題包括：安全高效無干擾焊接、多車型共享一線生產、高可靠性數據交換、低故障和簡單維修、可視化打膠等五大問題。為了解決以上問題，實現白車身柔性自動化焊裝，本文以中低速電動汽車白車身焊裝線為對象介紹白車身柔性自動化焊裝系統。

1 柔性自動化焊裝系統介紹

柔性自動化焊裝系統由高速滾床系統、車身柔性支撐系統、EMS無線網絡控制系統、車身主線柔性切換系統、頂蓋可視化打膠控制系統等五大核心關鍵系統組成。這五大系統相互配合，共同完成車身的高速傳送，車身下部柔性支撐，無線數據信息通信，機器人柔性抓取側圍實現車身主線柔性切換，車身頂蓋的自動化打膠等工序，解決了柔性自動化焊接中出現的行業難題，實現白車身的柔性自動化焊裝。

2 自動化高速滾床系統

自動化高速滾床系統如圖1所示，包括支撐架、同步帶、舉升電機、導向機構、蓋板、輥子組，此系統通過電機驅動滾輪來實現車身的可靠快速傳輸，成本低，結構簡單可靠，能自動導向和防止偏移的發生。高速滾床的運行速度為10～40m/min，速度及節拍可調整。高速滾床利用電機帶動實現舉升，水平運動利用變頻調速電機及輥子組實現。為了確保往復輸送線在啟動運行時的安全性，主線氣缸采用磁性氣缸，每個氣缸有2個磁性開關，為防止誤操作，磁性開關均具有抗干擾特性，可防止焊槍在工作時所發出的強磁場對開關動作的干擾，解決了車身焊裝節奏慢、不安全和精度低的問題。

3 車身下部總成柔性支撐系統

目前企業要求一條線共用生產8種以上車型的車身，由于車身下部總成完全不同，X/Y/Z方向都存在較大差異，為了解決由于差異大無法支撐的問題，研制與開發了車身下部總成柔性支撐系統。如圖2所示，6個獨立的柔性定位單元組成了一個工位的柔性支撐系統。柔性定位單元由3條軌道組成，在電機的驅動下能夠實現在X/Y/Z 3個方向的移動，具備了X/Y/Z 3個方向的柔性定位功能，實現各種不同尺寸型號規格的車身下部支撐，其控制邏輯是基于三軸機器人控制原理。多軸運動控制卡是柔性定位單元最關鍵的電器單元，其是一款性能非常好的數字運動控制器，這個核心控制器能夠輕松實現直線、圓弧、螺旋線運動控制[2]。柔性定位單元可以直接看成是一個直角坐標系機器人，在運動耦合控制下可以實現多軸運動。6個柔性定位單元組成一個車身下部支撐系統布置在白車身生產線的1個工位，其通過PLC、人機交互界面和總線傳輸對6臺伺服電機進行控制，驅動柔性支撐系統調整各個方向的尺寸距離，實現精準地對不同型號的車身進行支撐和定位，其完全實現了自動化和智能化，工裝減少，成本降低，生產效率得到極大提高，同時占用的空間很小，實現了多車共線生產的柔性支撐。

4 EMS無線網絡控制系統

目前行業內焊裝線上自行小車主要采用的是滑觸式控制方式，其主要通過電刷與滑觸線接觸實現信號的傳輸，通過PLC系統進行控制。由于是純物理接觸式的數據傳輸模式，因此受到空間場地和硬件設施的限制，數據交換范圍小，而且在長期滑動接觸下容易發生故障，可靠性低，很容易存在機械故障，電氣系統安裝非常復雜，成本高。目前行業要求在新的中低速白車身焊裝線上控制的程控小車多達20臺，傳統的觸線控制方式已無法保證焊裝線上自行小車與主控系統進行可靠的數據通信。為解決客戶汽車生產過程中遇到的問題，研究開發出了基于EMS無線網絡的控制方案，將無線網絡傳輸技術應用到自行小車的控制與信號傳輸中，可以完美避免滑觸線接觸式信號傳輸的缺陷。圖3為EMS無線網絡控制系統實物圖。因為需要在較大距離內實現數據信號的傳輸，采用WAN技術進行無線網絡通信，可以同時實現多個接入點，支持漫游，因此只需要分布式接入多個無線接入點，就可以實現全場地、多區域、長距離的小車行駛控制信號傳輸[3]。在控制器方面中控室采用的是ILC 370控制器，在小車上采用了ILC 171控制器，同時在小車上采用了FL WLAN EC客戶端或FL BLUETOOTH EC客戶端，上面采用的控制器直接安裝有以太網口，因此在控制器上可以直接安裝無線以太網設備，其他協議轉換設備就可以取消，這樣成本降低，節約資源。電控箱內集成了無線以太網設備與控制器，在出廠的時候就完成安裝、接線和功能定義等任務，客戶可以單獨以電控箱的形式采購，極大地幫助客戶節省時間，并簡化了安裝和維護成本，提高了生產效率。

圖3 EMS無線網絡控制系統實物圖

5 車身主線柔性切換系統

多車型共線生產，面臨著中長短車型、高矮車型、加寬與非加寬等車型車身下部總成與側圍總成不一樣，差異比較大，側圍總成需要柔性上件的問題。研究開發的機器人柔性抓取側圍系統，在主拼工位兩側設計4個旋轉裝置，每個裝置上放置3種側圍定位裝置，通過機器人抓取側圍定位裝置來對已經預裝好的側圍進行精準定位，再由分布在兩側的機器人進行焊接，實現了車身主線柔性切換。圖4為機器人柔性抓取空中移栽機，通過空中移栽機抓取側圍送達到機器人抓取位置，解決了傳輸帶輸送以及EMS占有空間大、投資高的缺點，并且避免了與夾具的干涉，抓取部件容易，空中輸送為直線往復輸送，占有空間小，解決了人工輸送的運輸定位精度問題。

圖4 機器人柔性抓取空中移栽機圖

6 頂蓋可視打膠控制系統

中低速電動汽車的頂蓋打膠一般為人工打膠，打膠期間如果打膠機有故障，沒有涂膠均勻或者不出膠，機器人無法識別，會導致品質事故。為了解決自動化打膠問題，實現全自動化焊裝，開發了融入視覺系統的自動化打膠系統，由ABB機器人、CCD攝像頭、機器人控制柜、控制計算機、圖像采集卡等組成。整個系統由初始化模塊、視覺信息處理模塊和機器人視覺定位模塊組成。初始化模塊的主要功能是完成采集卡的初始化，同時還要完成主機與機器人控制器之間的通信傳輸。圖像的采集、保存、實時顯示、圖像的預處理、目標圖像的識別等功能主要由視覺信息處理模塊來完成。機器人視覺定位主要功能是完成機器人開環和閉環視覺定位。通過三大模塊的協同工作，實現了機器人自動打膠品質問題的自動識別，解決了機器人自動化頂蓋打膠存在的各種品質問題，實現了高效、高品質頂蓋自動打膠。

7 結語

目前國外企業智能制造技術的運用及對先進技術的掌控，使得國內相關產業的發展正面臨嚴峻挑戰，且不利于我國工業水平的提升。本文以中低速電動汽車白車身焊裝線為對象設計和開發了高速滾床系統、車身柔性支撐系統、EMS無線網絡控制系統、車身主線柔性切換系統、頂蓋可視打膠控制系統等五大核心關鍵技術，實現了安全高效無干擾高精度焊接、多車型共享一線生產、數據交換高可靠性、低故障和維修簡單、可視化打膠等五大功能，使得國內汽車車身制造核心技術不斷取得新的突破，帶動汽車車身制造實現了柔性自動化焊裝，對我國實現汽車車身的柔性“智造”意義重大。