汽車扁線電機安裝工藝與機器人協同系統應用

中圖分類號：U463.631 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0164-03

【Abstract】Aiming at the problems of loweficiencyand poorconsistency in the instalation process offlat wire motors，thepainpointsinthestatorinsertion，windingforming，weldingandotherprocesseswereanalyzed，andasolution basedon thecollaborative operation of multiple robots was proposed.The article designs a communicationarchitecture basedon PLCandROS，formulates task alocation strategiesandpath planning methods，andaplieskeytechnologies such asvisual deviation correction.After verificationonthe production line，thecolaborative mode shortens thecycle timeby 45.2% compared with the traditional mode，reduces the scrap rate by 82.7% ，and the qualified rate of plug-in wires reaches 98.5% .The welding qualityhas been improved，providing asolution for the eficient production offlat wire motors.

【Key words】robot collaboration；installtion of flat wire motors；dynamic optimization of paths；visual positioning compensation

1扁線電機安裝工藝瓶頸與機器人協同需求分析

1.1扁線電機定子插線、繞組成型、焊接等工序的作業痛點

扁線電機因其高功率密度與低損耗特性，廣泛應用于新能源汽車驅動系統，但其安裝工藝復雜度顯著高于傳統圓線電機。定子插線工序中，受限于扁銅線截面形狀與定子槽的精密配合需求，人工操作易因角度偏差導致漆膜破損或插線不到位，廢品率常達 5% 以上。繞組成型環節，扁線剛性較高，連續折彎易引發局部應力集中，導致繞組端部翹曲變形，直接影響后續焊接品質。焊接工序需確保數百個發卡繞組端部的高精度對位，電弧焊熱輸入控制不當易導致焊點虛焊或過燒，返工率居高不下。

1.2 多機器人協同作業的場景定義

為解決扁線電機安裝工藝瓶頸，提出四軸與六軸機器人協同作業模式。四軸機器人負載高、定位穩，負責定子鐵芯搬運、粗定位及繞組成型后端部預壓緊；六軸機器人自由度高，承擔插線路徑調整、焊接槍頭姿態優化等精細任務。

在產線布局中，采用串并聯混合邏輯：插線時，四軸將定子移至視覺平臺，六軸依糾偏數據插線；繞組成型時，兩臺四軸固定繞組并折彎夾持，六軸調整弧度；焊接時，四軸負責固定焊槍與換工裝，六軸規劃軌跡并補償偏移。

協同場景需解決任務時序匹配、運動干涉規避及執行器同步精度控制問題，最終實現全流程節拍lt;35s、廢品率 ≤1% 。

2工業機器人協同系統設計與實施

2.1基于PLC與ROS的多機器人通信架構

針對四軸與六軸機器人混聯布局的協同需求，設計分層式通信架構。底層采用可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）實現四軸機器人的時序控制與安全聯鎖，上層依托機器人操作系統（RobotOperatingSystem，ROS）構建六軸機器人的軌跡規劃與傳感器融合模塊。PLC與ROS間通過開放平臺通信統一架構協議實現實時數據交互，確保四軸機器人的位置反饋與六軸機器人的運動指令同步精度 ?0.15mm 。

系統采用星形拓撲結構，主控PLC作為核心節點，同步協調四軸搬運機器人與六軸作業單元的啟停邏輯。關鍵參數（如插線深度、焊接電流）寫人PLC共享數據塊，六軸機器人通過訂閱話題獲取實時工藝參數，避免因數據滯后導致的動作沖突。實際部署中，需優化ROS節點刷新頻率與PLC掃描周期匹配關系，推薦采用 500Hz 的ROS控制頻率，對應PLC循環周期設定為 2ms ，確保多軸協同穩定性。

2.2任務分配策略與動態優先級調度算法

在插線、焊接等多工序串聯場景中，提出基于工序節拍平衡的任務分配策略。定義機器人任務集為：T={t_i|i=1，2，…，n} ，其中每個任務 t_i 包含所需機器人類型、工藝時間 τ_i 及優先級權重 w_i° 以某產線插線-焊接工序為例，構建任務時間矩陣為：

式中： —四軸機器人搬運耗時（8s）; τ₂₂ （20六軸機器人焊接耗時（12s）。通過動態規劃求解最優分配路徑，目標函數為： 。

約束條件包括機器人負載上限、工序前后邏輯關系等。當某一機器人因故障或超差暫停時，調度算法立即將待處理任務遷移至空閑機器人隊列，并重新計算剩余任務優先級。某案例中，該策略使產線整體節拍波動率從 15% 降低至 3% 。

2.3 協同路徑規劃與精度補償方法

針對四軸與六軸機器人工作空間重疊導致的干涉風險，提出基于空間柵格化的路徑規劃方法。將協同作業區域離散化為 5mm×5mm×5mm 的立方體單元，利用 A^* 算法搜索無碰撞路徑。定義干涉代價函數為：

式中： d_path. —路徑長度； δ（k） ——侵人干涉區域的柵格數; ∝ 1 -權重系數， α=0.7 β —權重系數，β=0.3 。上述權重系數均通過實際測試標定。

為補償多機器人協同時的累積誤差，建立六軸機器人末端執行器的位姿修正模型。當四軸機器人完成定子粗定位后，六軸機器人通過線激光掃描獲取實際插線孔位偏差 Δx，Δy，Δθ ，其運動學修正量計算為：

式中： J ——六軸機器人雅可比矩陣。在某產線

驗證中，該方法使插線位置重復精度從 ±0.2mm 提升至 ±0.05mm ，且干涉發生率下降 82% ○

3關鍵技術應用與優化

3.1視覺糾偏系統與繞組定位精度控制

扁線電機繞組定位偏差直接影響插線成功率和焊接品質，傳統機械定位難以滿足 ±0.1mm 的精度要求。本系統采用線激光掃描與圖像處理融合方案，硬件端部署巴斯勒Ace2工業相機及樂姆邁Gocator2350線激光傳感器，以 0.05mm 分辨率采集繞組端部三維點云數據。點云預處理后，通過改進的萊昂納多網絡提取繞組輪廓特征，網絡輸人層針對高反光銅線表面特性優化濾波算法，輸出層回歸預測繞組中心線偏移量。

實際應用中，視覺系統需在 300ms 內完成單次檢測-糾偏閉環。在訓練階段，采用5000組帶標簽的繞組樣本（包含不同彎曲度與表面氧化狀態）進行模型優化，最終測試集定位誤差標準差為0.06mm 。產線部署時，六軸機器人根據糾偏數據實時修正插線路徑。

3.2定子鐵心自適應夾持與防變形結構

定子鐵心由 0.35mm 厚硅鋼片疊壓而成，傳統剛性夾爪易導致鐵心橢圓度超差。設計雙自由度柔性夾爪，主體采用7075鋁合金框架，夾持面覆蓋3mm 厚雙曲面硅膠層，其邵氏硬度為 HA40±5 可自適應鐵心外徑公差 ?（180±0.5）mm 。夾爪內部集成16組微型壓力傳感器，以 5×5 陣列排布，實時監測夾持力分布。

當夾爪閉合時，控制系統依據壓力分布矩陣動態調整氣動比例閥開度，確保單點壓力 ?15N 且整體夾持力波動范圍 lt;±8% 。防變形核心在于限制鐵心徑向受力：夾持過程中，硅膠層與鐵心接觸面積 985% ，避免局部應力集中；釋放階段采用兩段式分離策略，先解除軸向約束再徑向后退，減少鐵心回彈。經三坐標測量儀檢測，優化后鐵心橢圓度從 0.12mm 降至0.03mm ，滿足后續插線工序的同心度要求。

3.3焊接軌跡與工藝參數耦合控制方法

扁線電機發卡繞組焊接需同時保證熔深一致性1 0.5～0.8mm 與焊點表面光潔度（表面粗糙度 ? 3.2μm 。傳統焊接機器人采用固定參數分段焊接，難以適應銅線受熱變形導致的軌跡偏移。本方案建立焊接電流、機器人速度與電弧長度的動態匹配模型。

1）軌跡分段優化。根據焊縫高度預設基礎速度1 8～12mm/s 與電流 （120～150A） ），將環形焊道劃分為24個等角度區間。

2）實時參數調整。通過松下FD系列焊機讀取電弧電壓，當檢測到電壓波動 gt;0.5V 時，觸發機器人降速 10% 并提升電流5A，直至電弧長度恢復穩定。

3）熱變形補償。在焊槍后方 200mm 處安裝菲力爾A315紅外熱像儀，監測焊道溫度梯度。若局部溫升速率 gt;30^°C/s ，則后續焊接區間速度提升 15% ，避免熱累積導致的焊穿缺陷。

實際測試表明，該控制策略使焊點熔深極差從0.25mm 縮小至 0.08mm ，焊縫氣孔率由 1.2% 降至 0.3% 。同時，焊接機器人平均移動速度提高 18% ，單定子焊接總耗時從42s縮短至 34s 。

4實際產線驗證與效率評估

4.1測試平臺搭建與產線改造案例

以某車企華東生產基地的扁線電機產線為驗證平臺，改造范圍涵蓋定子插線、繞組成型與焊接3大核心工序。原產線采用人工輔助機器人作業模式，改造后引入四軸與六軸機器人協同系統，并集成視覺糾偏、柔性夾爪及動態焊接控制模塊。產線布局調整包括以下幾個方面。

1）新增2臺四軸SCARA機器人（負載 12kg ，重復定位精度 ±0.02mm ），負責定子鐵心搬運與粗定位。2）部署3臺六軸協作機械臂（工作半徑 800mm ，末端軌跡精度 ±0.05mm ），執行插線與焊接任務。3）原人工工位改為視覺檢測站，配置巴斯勒工業相機與基恩士線激光傳感器實現全流程品質監控。

4.2多模式生產效能對比分析

通過連續30天生產數據采集，對比人工、單機器人及多機器人協同3種模式的運行指標（表1）。表1顯示，協同模式較人工模式節拍縮短 45.2% ，廢品率降低 82.7% 。關鍵瓶頸工序插線環節效率提升顯著：原人工插線合格率僅 82% ，單機器人模式提升至 91% ，而協同系統通過視覺糾偏與路徑補償，合格率達98.5% ，插線節拍從人工模式的28s壓縮至18s，效率提升 35.7% 。

表13種模式生產運行指標對比表

4.3工藝優化效果驗證

1）插線工序優化。通過視覺糾偏系統（線激光 + 深度學習）實時修正銅線插入角度，將端部偏移量標準差從0.25mm 降至 0.06mm 。某批次500件定子測試中，插線深度合格率從 86.4% 提升至 99.1% ，返工率降低 92% 。

2）焊接品質提升。動態焊接參數耦合模型使焊點熔深極差 ?0.1mm ，焊縫氣孔率由 1.5% 降至 0.3% ○紅外熱像儀監測顯示，熱影響區溫度波動從 ±45^°C 收窄至 ±18^°C ，有效抑制銅線氧化。

3）多機器人協同穩定性。OPCUA通信架構實現四軸與六軸機器人動作同步誤差 ?0.15mm ，干涉規避算法降低設備停機率 83% 。連續生產8h數據顯示，系統平均負載均衡度達 94.6% ，優于單機器人模式的 78.3% 。

5 工程化應用建議

5.1 機器人選型與布局經濟性優化

四軸與六軸機器人混聯部署需平衡成本與性能。四軸SCARA機器人適用于定子搬運等重復性作業，六軸協作機械臂用于插線、焊接等高精度工序。實際案例顯示，混聯方案較全六軸布局顯著節約設備投資，縮短回報周期。布局遵循功能分區，四軸單元集中于原料緩存區，六軸單元在精加工區，控制區域間距以減少物料轉運耗時。維護需區分機型，四軸定期換減速器潤滑脂，六軸周期性校準零位，實現全生命周期成本優化。

5.2 工藝標準與響應機制優化

建立覆蓋焊接電流、插線速度等核心參數的標準化數據庫，通過分類存儲與一鍵載入大幅縮短工藝切換時間。故障響應實施分級管理：緊急停機類故障需即時響應，工藝偏差觸發報警并暫停生產，預警類生成工單且不中斷流程。基于失效概率模型的備件管理，對高損耗部件冗余儲備，結合供應商協同，降低庫存成本與缺貨風險。人員培訓整合理論、仿真與實操，明確協同邏輯及應急流程，借數字孿生模擬異常，降低誤操作率，提升設備效率。

參考文獻

[1]李璞伶，曹增明.雙速三相異步電動機雙獨立同心式定子繞組嵌線方式[J].技術與市場，2023，30（2）：105-107.

[2]黃金壩，黃廷磊，黃庭權，等.現代三相交流電機新型定子繞組探討[J].工程機械，2023，54（5）：126-129.

（編輯林子衿）