汽車(chē)制造企業(yè)柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)

蔡俊英

（承德華遠(yuǎn)自動(dòng)化設(shè)備有限公司，河北 承德 067000）

1 系統(tǒng)介紹

柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)成為現(xiàn)代汽車(chē)制造業(yè)的生產(chǎn)核心，代表著裝配制造的水平。我公司多年的潛心研究和反復(fù)實(shí)踐，成功研發(fā)的柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，完全替代了進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。大量的“光、機(jī)、電”一體化技術(shù)已應(yīng)用于裝配系統(tǒng)，使整套系統(tǒng)具有“自動(dòng)感知、自我診斷、自我決策”的功能。

2 總體思路

柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)綜合了柔性裝配技術(shù)和現(xiàn)代物流技術(shù)，使汽車(chē)裝配中生產(chǎn)管理調(diào)度、柔性裝配控制、質(zhì)量安全管理實(shí)現(xiàn)信息化，不僅實(shí)現(xiàn)多品種、多車(chē)型混線生產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制、自我診斷等功能，極大提高了生產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，提升了國(guó)內(nèi)裝配制造水平，并能廣泛應(yīng)用于焊裝、涂裝、工程機(jī)械、家電電子、物流、服裝、郵政等各方面的自動(dòng)化作業(yè)，并對(duì)裝備制造業(yè)具有示范作用。

系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理中心、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)器人、機(jī)械手及多種類(lèi)機(jī)械傳輸系統(tǒng)組成一套完整的、專(zhuān)用的柔性智能化裝配控制系統(tǒng)。系統(tǒng)成功研發(fā)了多種類(lèi)通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械、電氣、程序的功能模塊；研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理中心，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量、設(shè)備等的統(tǒng)一化管理；在系統(tǒng)中采用了條碼、 二維碼、視覺(jué)識(shí)別、光電、激光測(cè)距、WCS定位、接近、安全、無(wú)接觸取功，伺服精確定位等多種技術(shù)。

研發(fā)的機(jī)械傳輸系統(tǒng)包括車(chē)身存儲(chǔ)、內(nèi)飾裝配、底盤(pán)裝配、輪胎儲(chǔ)運(yùn)、座椅儲(chǔ)運(yùn)、車(chē)門(mén)分裝、動(dòng)力總成分裝、發(fā)動(dòng)機(jī)前橋分裝、儀表板分裝、整車(chē)裝配、下線檢測(cè)及各線上和線間相互轉(zhuǎn)掛的機(jī)器人等。

系統(tǒng)是以軟件為核心，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為信息載體，以各類(lèi)信息傳感器感知和識(shí)別生產(chǎn)信息及數(shù)據(jù)，以各種形式的智能化機(jī)器人和輸送設(shè)備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)柔性裝配自動(dòng)化的全部過(guò)程，并對(duì)汽車(chē)裝配質(zhì)量進(jìn)行在線檢測(cè)，同時(shí)系統(tǒng)還對(duì)全線運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行自檢、診斷并及時(shí)提供故障修復(fù)指導(dǎo)。系統(tǒng)涉及了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、軟件、無(wú)線通訊、機(jī)器人、傳輸系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域，并綜合了柔性裝配系統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代物流技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)非常復(fù)雜，技術(shù)難度很大。

2.1 工藝及裝備的研發(fā)

通過(guò)對(duì)不同車(chē)型、裝配工藝、生產(chǎn)節(jié)拍的分析，設(shè)計(jì)合理的工藝布局；研發(fā)滿足不同裝配工藝的功能模塊，確定模塊的設(shè)備及機(jī)器人型式；研發(fā)設(shè)計(jì)功能輸送設(shè)備；研發(fā)設(shè)計(jì)滿足多車(chē)型、多品種的橇體、吊具、托盤(pán)等工件載體；研發(fā)設(shè)計(jì)滿足多車(chē)型、多品種的定位轉(zhuǎn)接機(jī)械手、機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)總裝生產(chǎn)大批量、多品種混線生產(chǎn)的高綱領(lǐng)、高節(jié)拍、高柔性、自動(dòng)化、智能化的裝配生產(chǎn)的需求。

2.2 柔性自動(dòng)化控制的研發(fā)

通過(guò)對(duì)工藝布局、生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、功能模塊控制系統(tǒng)的信息交換；數(shù)據(jù)歸檔、建立數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用程序二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備運(yùn)行的集中管理和監(jiān)控。

設(shè)計(jì)合理的PLC總線網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線LAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，選擇射頻識(shí)別系統(tǒng)（RFID）、接近傳感器、光電傳感器、位移傳感器、機(jī)器視覺(jué)傳感器及執(zhí)行器系統(tǒng)等，研發(fā)動(dòng)作功能模塊程序、特殊傳感器功能模塊程序、執(zhí)行器功能模塊程序、重復(fù)調(diào)用功能模塊程序，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)識(shí)別和跟蹤、產(chǎn)品自動(dòng)存儲(chǔ)、在線自動(dòng)檢測(cè)、產(chǎn)品流向智能控制、柔性裝配等功能于一身的柔性自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線。

3 技術(shù)方案

3.1 智能化運(yùn)輸和集散控制系統(tǒng)總體布局與構(gòu)成

系統(tǒng)由符合汽車(chē)裝配要求的車(chē)身存儲(chǔ)、內(nèi)飾裝配、底盤(pán)裝配、輪胎座椅裝配、最終裝配、整車(chē)檢測(cè)、車(chē)門(mén)分裝、動(dòng)力總成分裝、發(fā)動(dòng)機(jī)前橋分裝、儀表板分裝、油箱、線束及各線上和線間相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器人模塊構(gòu)成。智能化控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智能檢測(cè)、程序設(shè)計(jì)及執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成。

3.2 系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容

3.2.1 總裝車(chē)間各子裝配線的設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車(chē)總裝線高產(chǎn)能（年產(chǎn)35萬(wàn)臺(tái)汽車(chē)總裝）、多品種、準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)的要求，在對(duì)各輸送線時(shí)序分析的基礎(chǔ)上，完成車(chē)身存儲(chǔ)、內(nèi)飾裝配、底盤(pán)裝配、輪胎座椅裝配、最終裝配、整車(chē)檢測(cè)、車(chē)門(mén)分裝、動(dòng)力總成分裝、發(fā)動(dòng)機(jī)前橋分裝、儀表板分裝、油箱線、線束線等裝配線的設(shè)計(jì)與制造。

3.2.2 雙層多通道立體庫(kù)設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)的多通道立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)具備多品種倉(cāng)儲(chǔ)的特點(diǎn)，具備邊入庫(kù)、邊出庫(kù)；識(shí)別、糾錯(cuò)、托盤(pán)碼垛、空托盤(pán)儲(chǔ)存、托盤(pán)拆垛、空托盤(pán)返回等完整的倉(cāng)庫(kù)功能。

（1）倉(cāng)庫(kù)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。倉(cāng)庫(kù)主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)支架，通道輸送設(shè)備鋁合金軌架，不銹鋼輥?zhàn)?。根?jù)不同的功能，采用單元輸送+積放輸送結(jié)合的方式完成倉(cāng)庫(kù)的儲(chǔ)存、輸送功能。

（2）倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)輔助設(shè)備開(kāi)發(fā)。研究開(kāi)發(fā)碼垛機(jī)、拆垛機(jī)、伺服動(dòng)力移行車(chē)、停止器、激光測(cè)距多層定位往復(fù)雙層升降輥床等構(gòu)成功能齊全的立體庫(kù)輔助系統(tǒng)。

（3）倉(cāng)庫(kù)管理控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。依據(jù)多品種、準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)的指令，實(shí)時(shí)對(duì)出庫(kù)的目標(biāo)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行非接觸的數(shù)據(jù)寫(xiě)入或讀取，對(duì)于非碼的目標(biāo)，在糾錯(cuò)區(qū)進(jìn)行更換，按生產(chǎn)指令完成邊入庫(kù)、邊出庫(kù)、識(shí)別、糾錯(cuò)、托盤(pán)碼垛、托盤(pán)儲(chǔ)存、托盤(pán)拆垛、空托盤(pán)返回等完整的倉(cāng)庫(kù)功能。

3.2.3 柔性單元輸送設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)及輸送采用以柔性單元輸送為主的輸送方式。柔性單元輸送可大大的減少設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，從而減少磨損，提高設(shè)備的使用壽命，降低能耗。本部分的主要研究?jī)?nèi)容是開(kāi)發(fā)各種不同于連續(xù)輸送和積放式輸送方式的柔性單元輸送設(shè)備。其中包括以下內(nèi)容。

（1）單元輥道采用自主開(kāi)發(fā)的鋁合金機(jī)架，不銹鋼輥?zhàn)?，自?rùn)滑性能良好的PE1000鏈條導(dǎo)條，帶有自補(bǔ)償張緊的驅(qū)動(dòng)裝置。

（2）雙層回轉(zhuǎn)輥床上層用于輸送帶有工件的托盤(pán)，下層用于空托盤(pán)返回。

（3）90°錐輥彎道實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸送過(guò)程中的90度轉(zhuǎn)向輸送。

（4）翻轉(zhuǎn)輥床用于與物流車(chē)對(duì)接；以及安裝工位配合機(jī)械手需要的垂直翻轉(zhuǎn)設(shè)備。

（5）備胎翻轉(zhuǎn)機(jī)在備胎安裝工位前，按照備胎安裝的需要，備胎翻轉(zhuǎn)180度。滿足輸送及安裝的需要。

（6）移行機(jī)在物流的水平分支處，按照總體布置的需要，布置多種形式的移行機(jī)、伺服動(dòng)力移行車(chē)。

（7）聯(lián)動(dòng)停止器運(yùn)用多種擒縱方式，將不同形狀的連續(xù)物料分解成單體輸送。

3.2.4 控制系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)方案說(shuō)明。控制系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、集散控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成，集成為高度智能化的裝配控制系統(tǒng)，用以完成汽車(chē)各零部件在裝配線上的自動(dòng)運(yùn)輸及裝配，滿足用戶先進(jìn)復(fù)雜的使用要求。

一是控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視、分散控制”的模式。

二是與機(jī)器人通訊接口協(xié)議的研發(fā)。通過(guò)該協(xié)議，使機(jī)器人應(yīng)具有柔性控制，從而適應(yīng)汽車(chē)生產(chǎn)裝配過(guò)程中車(chē)型隨時(shí)變化或多車(chē)型同時(shí)混合出現(xiàn)的裝配過(guò)程，由機(jī)器人的控制器跟蹤裝配的最后步驟，并決定下一個(gè)執(zhí)行的裝配任務(wù)，同時(shí)作為FAS 的核心對(duì)PLC 和PC之間的通信進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。

三是通信系統(tǒng)的研發(fā)。通過(guò)建立工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線控制，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。

（2）控制系統(tǒng)創(chuàng)新成果。

一是整個(gè)電控系統(tǒng)通過(guò)三層網(wǎng)絡(luò)，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理中心，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等的統(tǒng)一化。提高了生產(chǎn)調(diào)度管理的靈活性，信息處理的及時(shí)性，對(duì)汽車(chē)裝配過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、各設(shè)備生產(chǎn)狀況實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)診斷出故障發(fā)生的部位和原因，引導(dǎo)維修人員迅速排除故障，系統(tǒng)智能化程度高。

二是系統(tǒng)中在設(shè)備層成功集成條碼、 二維碼、視覺(jué)識(shí)別、光電、激光測(cè)距、WCS定位、射頻識(shí)別系統(tǒng)（RFID）、接近、安全、無(wú)接觸取功、伺服精確定位等多種技術(shù)。配合執(zhí)行器件的動(dòng)作，保證系統(tǒng)高精度定位的實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)，高節(jié)拍的實(shí)現(xiàn)，線上產(chǎn)品追蹤定位功能的實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的智能化程度和安全級(jí)別。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

3.3.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）為保證各子系統(tǒng)間高精度轉(zhuǎn)掛，系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備采用了無(wú)側(cè)隙齒輪傳動(dòng)和高精度位移傳感器兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

（2）為保證系統(tǒng)的多品種混線柔性生產(chǎn)的需要，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)研發(fā)了具有自動(dòng)調(diào)整功能的多位置支撐點(diǎn)橇體、吊具及滑板等，通過(guò)車(chē)型識(shí)別系統(tǒng)針對(duì)不同車(chē)型進(jìn)行支點(diǎn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

（3）RFID射頻識(shí)別、條碼位置編碼定位、激光測(cè)距、無(wú)接觸免維護(hù)供電系統(tǒng)、伺服精準(zhǔn)定位等新技術(shù)的應(yīng)用，保證了系統(tǒng)生產(chǎn)的先進(jìn)性和精確性。

（4）電控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視、分散控制”的模式。依據(jù)這一原則，將整個(gè)電控系統(tǒng)分為三個(gè)層次，即運(yùn)行管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層。每個(gè)層次中使用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及軟硬件配置，以實(shí)現(xiàn)各自不同的功能，從而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理的信息化。

3.3.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）研制成功了系統(tǒng)能在一條裝配線上同時(shí)完成多個(gè)品種混線、準(zhǔn)時(shí)化裝配工作。系統(tǒng)能隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，在所存儲(chǔ)的20多個(gè)品種中能根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)出所需品種進(jìn)行裝配。

（2）研制成功了滿足年產(chǎn)35萬(wàn)輛份生產(chǎn)的需要，生產(chǎn)節(jié)拍54sec/輛份，最快節(jié)拍42sec/輛份，每小時(shí)可裝配60～65輛以上，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

（3）研制成功了對(duì)汽車(chē)裝配過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、各設(shè)備生產(chǎn)狀況時(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)診斷出故障發(fā)生的部位和原因，引導(dǎo)維修人員迅速排除故障。

（4）發(fā)明了系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)不同汽車(chē)廠、不同汽車(chē)總裝工藝進(jìn)行組合，針對(duì)不同的功能及動(dòng)作規(guī)律選取不同的程序功能塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能要求。

（5）發(fā)明了系統(tǒng)采用射頻識(shí)別系統(tǒng)（RFID）、接近傳感器、光電傳感器、位移傳感器、視覺(jué)傳感器及執(zhí)行器系統(tǒng)等多種智能傳感器的組合應(yīng)用，保證高精度的定位，自動(dòng)識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)，高節(jié)拍的實(shí)現(xiàn)，線上產(chǎn)品追蹤定位。

3.4 系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)原理3.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)是汽車(chē)行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)中物料自動(dòng)化輸送、柔性裝配的主要設(shè)備，是物料的水平運(yùn)輸、回轉(zhuǎn)運(yùn)輸、垂直提升、物料旋轉(zhuǎn)等輸送過(guò)程及物料工位自動(dòng)控制的基礎(chǔ)單元，還可以廣泛應(yīng)用于家電、機(jī)械、電子、物流等方面的自動(dòng)化作業(yè)。

智能化運(yùn)輸系統(tǒng)涉及了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、軟件、無(wú)線通訊、機(jī)器人等各個(gè)領(lǐng)域，系統(tǒng)復(fù)雜，綜合性技術(shù)難度較大。

3.4.2 系統(tǒng)技術(shù)原理（圖1、2）

4 結(jié)語(yǔ)

如果采用了智能化運(yùn)輸和柔性裝配系統(tǒng)（FAS），可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)整車(chē)的自動(dòng)裝配，每小時(shí)人工裝配時(shí)間平均可達(dá)57.5分鐘，最大限度地滿足了當(dāng)前市場(chǎng)需求的快速多變和不確定性要求，直接創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的大規(guī)?？傃b柔性自動(dòng)化裝配控制系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，為我國(guó)汽車(chē)制造行業(yè)提供了先進(jìn)的工藝裝備，提高了我國(guó)汽車(chē)制造行業(yè)的裝配水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，完全替代了進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。該系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。

圖1 智能化運(yùn)輸系統(tǒng)控制原理圖

圖2 智能化運(yùn)輸系統(tǒng)電氣原理圖

該系統(tǒng)是汽車(chē)行業(yè)柔性生產(chǎn)的主要裝備，對(duì)提高汽車(chē)行業(yè)的技術(shù)水平具有非常重要的作用，代表著國(guó)際汽車(chē)裝配工藝的發(fā)展方向，符合國(guó)家振興高端裝備制造業(yè)發(fā)展方向，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，將帶動(dòng)機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展，具有良好的示范作用。