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，廣州 510006）

0 引言

伴隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及居民購買力的不斷提升，國內(nèi)汽車的普及率將會提高，同時新能源汽車的蓬勃發(fā)展將進一步帶動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級等，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)展導致了汽車行業(yè)的競爭加劇?，F(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是價格、數(shù)量、質(zhì)量的競爭，同時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，這對汽車生產(chǎn)線的智能化升級改造提出了高要求與高標準。

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，為了滿足汽車消費者廣泛而多樣化的需要，以及適應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、多車型的無源臺車定位技術和在線視覺智能引導定位技術為一體的車身定位技術，解決了柔性焊裝線車身定位的技術難題。

1 汽車白車身柔性焊裝線車身定位總體設計

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，運用于多品種車型，柔性化的制造，生產(chǎn)系統(tǒng)應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)導致不同車型基準的位置各異，一對一的基準設置會導致設備極其復雜，極大地影響了機器人焊接的效率，進而導致節(jié)拍增加，甚至無法實現(xiàn)共線共設備生產(chǎn)。通過伺服機構夾具和無源臺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及無源臺車的使用，可有效避開加工累積誤差。因此，為了更好地適應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、多車型的無源臺車定位技術和在線視覺智能引導定位技術對白車身進行定位，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

多軸伺服定位機構用于對車身焊接的固定和定位，其通過伺服機構實現(xiàn)多車型的定位。伺服機構是通過伺服電機、滾珠絲杠以及滑軌的組合，利用數(shù)字化編程技術實現(xiàn)能夠精確控制基準移動距離的機構。生產(chǎn)線采用伺服機構柔性夾具，以實現(xiàn)對地板對稱基準多車種柔性共用的目的。通過數(shù)字化控制技術[5]，實現(xiàn)多軸聯(lián)動，并配置示教器及人機界面，在車型增加時通過簡單示教即可達到生產(chǎn)的需求，大幅縮短新車型導入的時間并減少追加成本。為確保伺服機構在多軸伺服定位技術中的精度，需要開展對伺服電機、滾珠絲杠、滑軌負載及精度的研究，包括伺服機構重復性定位精度驗證、負載情況下的形變量測試以及疲勞測試等，伺服電機扭矩轉(zhuǎn)速的選取，滾珠絲杠導程及抗扭強度的確認，導軌受力及壽命的驗證等。

該技術為汽車車身柔性焊接生產(chǎn)線中的一個重要技術，可對汽車車身柔性定位、柔性切換與車身柔性搬運機構配合工作，實現(xiàn)車身柔性生產(chǎn)。該發(fā)明用于汽車車身焊接生產(chǎn)線中搬運來的車身進行定位支撐，包括一設置在各個工位上的基座，基座表面的四角分別對稱設置有2個六自由度伺服柔性定位裝置和2個四自由度伺服柔性定位裝置；基座表面中部設置有往復桿機構，往復桿機構上安裝有車身搬運柔性定位機構；車身搬運柔性定位機構搬運而來的車身部件在車身搬運柔性定位機構下落后，基座表面四角的伺服柔性定位裝置對車身部件進行定位。本發(fā)明用于與車身搬運柔性定位機構配合工作，對搬運而來的車身進行定位支撐，節(jié)省搬運時間，可以實現(xiàn)多車種、多落點位置的柔性搬運需求。

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

多軸伺服白車身定位機構通過X、Y、Z三個方向的組合使用，能夠在行程范圍內(nèi)任意位置實現(xiàn)0.1 mm以內(nèi)的精確移動，一套伺服結(jié)構可以滿足多種車型的定位，讓在3種以上車型共線共設備生產(chǎn)成為可能，同時設備結(jié)構大幅簡化，使得機器人在焊接時干涉區(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，可實現(xiàn)3個產(chǎn)品平臺、8種車型的柔性共線生產(chǎn)。

圖1 多軸伺服白車身定位機構圖

3 柔性焊裝線多車型的無源臺車定位技術

多車型無源臺車可以起到對焊接之后車身地板進行定位和搬運的作用，高速往復桿上的伺服電機控制運轉(zhuǎn)，從而控制這個搬送機構的移動，實現(xiàn)對多車型無源臺車的定時、定距離的搬送，達到將多車型無源臺車上的汽車工件搬運到指定的焊接崗位。

多車型的無源臺車定位技術通過外部伺服機構的控制如圖2所示。

圖2 無源臺車外部伺服機構

由外部伺服機構牽引臺車上的基準沿著導軌方向移動，移動到位之后導軌鎖就導軌進行抱閘鎖定，在臺車低成本、輕量化的同時，實現(xiàn)不同車型基準之間切換的精確定位。在使用外部伺服機構控制時，需要對滑軌、導軌鎖及車身強度及重量分析計算和研究，包括重復性定位精度驗證，負載情況下的形變量測試和疲勞測試，導軌鎖抱閘情況下能夠承受推力測試，能源接口對接次數(shù)壽命驗證，導軌側(cè)向力及壽命驗證，對臺車重量的控制及強度驗證。多車型的無源臺車定位，在裝載升降機處實現(xiàn)基準位置的無極切換，使臺車調(diào)整到所需車型的狀態(tài)，具備自動搜索、識別被切換體的位置，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和其他核心技術，可以實現(xiàn)快速精準的車型切換傳輸及定位，車型切換時間小于6 s，生產(chǎn)節(jié)拍高達43 s/臺，重復精度小于0.05 mm。

4 柔性焊裝線在線視覺智能引導定位技術

通過計算，其深度精度可達到±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)中設定好的計算模型分析圖像數(shù)據(jù)，計算外形輪廓尺寸，將偏差值發(fā)送給機器人控制器并反饋至數(shù)據(jù)端，以控制機器人本體做補償運動，保證在送料小車精度不高的情況下，機器人也能夠準確地將小車內(nèi)的工件取出，實現(xiàn)機器人的精確尋跡。在汽車生產(chǎn)的復雜環(huán)境中，導入高精度視覺圖像系統(tǒng)對車身零

在線視覺智能引導定位技術[6-7]通過工業(yè)機器人與視覺識別三維定位技術的結(jié)合，集成在機器人拾取端2D平面圖像攝取和3D激光掃描技術，在機器人高速作業(yè)的過程中捕捉圖像信息，根據(jù)同一被測特征點所對應的圖像視差來計算深度等信息。在已知相機焦距f、左右相機基線b、視差d時，可以計算出深度z為：件的不確定位置進行定位，通過視覺引導功能，可以代替人力進行取放件工作，適用于不同車型、無精度環(huán)境下的自動化生產(chǎn)，加快了自動化生產(chǎn)進程，提高生產(chǎn)效率，真正實現(xiàn)“機器人”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實現(xiàn)了3個產(chǎn)品平臺、8種車型的柔性共線生產(chǎn)；實現(xiàn)快速精準的車型切換傳輸及定位，車型切換時間小于6 s，生產(chǎn)節(jié)拍高達43 s/臺，重復精度小于0.05 mm。采用本研究的定位技術，公司的白車身地板機器人柔性焊裝線在各項性能指標上都能達到國內(nèi)外先進水平。集多軸伺服白車身定位技術、多車型的無源臺車定位技術和在線視覺智能引導定位技術為一體的車身定位技術，解決了柔性焊裝線車身定位的技術難題，大大提高了共線車型種類及降低了車型切換時間，有效提升了生產(chǎn)效率。優(yōu)化設計了地板總成柔性焊接生產(chǎn)線，通過柔性焊接生產(chǎn)平臺，使用伺服切換精度高、柔性高，在一定范圍內(nèi)可實現(xiàn)任意位置的定位，實現(xiàn)高節(jié)拍、高產(chǎn)出比、高生產(chǎn)效率、高柔性、高自動化率、穩(wěn)定的生產(chǎn)品質(zhì)，對提升車身制造質(zhì)量、車身生產(chǎn)制造速度等方面有重要作用。