四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)研究*

黃 海，王 磊，卿小芳，李志強(qiáng)，石海波

（廣州德恒汽車裝備科技有限公司，廣州 510800）

0 引言

汽車新產(chǎn)品的研發(fā)速度和成本控制是汽車研發(fā)企業(yè)的一貫追求，新產(chǎn)品研發(fā)量產(chǎn)前試生產(chǎn)是必不可少環(huán)節(jié)，如何有效地利用產(chǎn)品研發(fā)中開發(fā)的資源，是企業(yè)值得思考的問題[1-2]。以往大批量、單一化生產(chǎn)模式造成大量工藝裝備投資，使制造成本增加和產(chǎn)能浪費(fèi)，而基于小批量、多品種生產(chǎn)模式的柔性化制造技術(shù)最大程度降低工藝裝備投資成本和利用產(chǎn)能，最大程度縮短開發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)新車型迅速投產(chǎn)，因此多車型汽車柔性化混線焊裝生產(chǎn)模式成為適應(yīng)市場需求的焊接生產(chǎn)線發(fā)展趨勢[3]。

現(xiàn)階段汽車柔性生產(chǎn)線還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)工藝模式，針對不同車型，不同廠家每次都要重新設(shè)計(jì)工藝及設(shè)備，這樣導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本高昂，工藝兼容性差，當(dāng)需增加車型就要對原生產(chǎn)線改造設(shè)計(jì)，既耗費(fèi)成本，也浪費(fèi)時(shí)間，這種模式很難滿足我國對汽車巨大需求。為彌補(bǔ)不足，提高汽車柔性生產(chǎn)線柔性化程度，智能柔性定位單元逐步被應(yīng)用于各主機(jī)廠汽車柔性焊裝生產(chǎn)線上[4-5]。智能柔性定位單元應(yīng)用于汽車白車身焊裝主線與地板線，可與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人配合，精確、快速、簡便地實(shí)現(xiàn)多車型切換與定位，實(shí)現(xiàn)汽車柔性化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低工裝成本。因此對焊裝車間生產(chǎn)線工裝夾具定位單元進(jìn)行柔性化設(shè)計(jì)開發(fā)是必須解決的問題[6]。

當(dāng)前，一般汽車廠商首先考慮采用發(fā)展時(shí)間更久、更成熟的國外相關(guān)柔性定位技術(shù)，導(dǎo)致國內(nèi)自主柔性定位技術(shù)的推廣應(yīng)用困難。目前，雖然有多臺定位單元組建的智能柔性定位系統(tǒng)被應(yīng)用于各大主機(jī)廠汽車柔性焊裝生產(chǎn)線上，一定程度上提高了汽車柔性生產(chǎn)線的柔性化水平，但現(xiàn)有定位系統(tǒng)使用的定位單元均采用三軸單元組合聯(lián)動方式驅(qū)動，價(jià)格昂貴，示教調(diào)試復(fù)雜，限制了智能柔性定位系統(tǒng)在汽車柔性焊裝生產(chǎn)線的普及應(yīng)用[7-8]。

結(jié)合當(dāng)前各主要柔性定位夾具的設(shè)計(jì)研究，充分考慮焊接工藝及需求，研制出四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)。本文分別對該定位系統(tǒng)的總體方案、電控方案、技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)、車型切換、節(jié)拍能力及平臺擴(kuò)展性等方面進(jìn)行闡述和分析，結(jié)果表明該定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可操作性好、制作及維修容易、成本低，可為汽車生產(chǎn)廠商提供一種應(yīng)用案例參考，為汽車多車型柔性定位系統(tǒng)的多元化解決方案提供借鑒。

1 智能柔性定位系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

柔性定位技術(shù)是指可以根據(jù)不同車型數(shù)據(jù)自動切換定位銷對工件進(jìn)行定位夾緊，實(shí)現(xiàn)多車型共線生產(chǎn)。四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)（以下簡稱四單元定位系統(tǒng)）能實(shí)現(xiàn)汽車四平臺多車型焊裝共線生產(chǎn)，如圖1所示，四單元定位系統(tǒng)主要包括定位平臺、抓手、搬運(yùn)機(jī)器人、電控系統(tǒng)等。定位平臺上的前后兩側(cè)分別各布置2套旋轉(zhuǎn)定位單元和2套三維移動定位單元，其中旋轉(zhuǎn)定位單元可根據(jù)不同車型的定位需求切換定位銷組件，其驅(qū)動和轉(zhuǎn)位控制裝置可實(shí)現(xiàn)快速切換，以對不同車型的車身進(jìn)行定位夾緊。三維移動定位單元可以橫向、縱向以及豎直方向調(diào)整定位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三自由度的移動定位。搬運(yùn)機(jī)器人和可拆卸抓手負(fù)責(zé)工件搬運(yùn)。

圖1 四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)

四單元定位系統(tǒng)柔性定位過程如圖2 所示，四單元定位系統(tǒng)通過搬運(yùn)機(jī)器人和抓手抓取車身后地板，并置于定位平臺上方，定位平臺的旋轉(zhuǎn)定位單元通過轉(zhuǎn)位將合適的定位組件轉(zhuǎn)動到定位工位上，搬運(yùn)機(jī)器人將后地板的一側(cè)移動到旋轉(zhuǎn)定位單元側(cè)，并使后地板上定位孔與旋轉(zhuǎn)定位單元上的定位組件配合，定位平臺的三維移動定位單元智能移動對位，使后地板定位孔與三維移動定位單元上的定位銷配合，完成后地板定位工作，隨后對后地板進(jìn)行夾緊和焊裝。

圖2 后地板柔性定位實(shí)物圖

1.2 電控方案

四單元定位系統(tǒng)的電控系統(tǒng)采用多軸聯(lián)動控制，如圖3所示，電控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用總線擴(kuò)展及硬件模塊化配置的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同車身焊裝工位的定位單元數(shù)量不同，本文采用4個(gè)定位單元，包括2個(gè)三軸單元和2個(gè)一軸單元，聯(lián)動的定位單元數(shù)量可進(jìn)行擴(kuò)展?？刂葡到y(tǒng)采用EtherCAT多軸運(yùn)動控制器，1 個(gè)控制器可同時(shí)控制總軸數(shù)多達(dá)64 軸的定位單元，該控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：增強(qiáng)的軸參數(shù)顯示，可選擇軸的參數(shù)顯示與實(shí)時(shí)更新；機(jī)器人語言可擴(kuò)展，配置1套手持器和示教編程系統(tǒng)軟件；可驅(qū)動輔助設(shè)備；具有直線、圓弧、螺旋線和空間圓弧插補(bǔ)的強(qiáng)大運(yùn)動控制功能；帶有以太網(wǎng)內(nèi)置接口，獨(dú)立的RS232 和RS485 端口，CANopen I/O 擴(kuò)展。除手持示教器外掛，其余電控硬件均置于電控箱內(nèi)，電控箱與智能柔性定位單元采用總線和動力電纜連接，1個(gè)電控箱控制4臺智能柔性定位單元，每臺定位單元均配置獨(dú)立的信號線纜和電源線纜與電控箱連接，并配置HARTING連接器用于線纜的快速對接。

圖3 電控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

四單元定位系統(tǒng)的示教器可對定位單元伺服系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、程序參數(shù)修改、伺服電機(jī)點(diǎn)動運(yùn)行控制等。示教器功能菜單如圖4所示，開機(jī)主畫面設(shè)置監(jiān)控畫面、示教畫面和異常畫面3個(gè)主要選擇畫面，各畫面下層設(shè)置多層子菜單畫面。監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)顯示定位單元的運(yùn)行狀態(tài)，示教畫面用于輸入車型數(shù)據(jù)、控制定位單元的點(diǎn)動、對零、軌跡示教等，異常畫面用于顯示定位單元故障的出現(xiàn)與解除。

圖4 示教器功能菜單

示教器畫面顯示如圖5所示，“示教畫面”用于四單元定位系統(tǒng)4個(gè)定位單元“①②③④”的示教操作，定位單元①和②均為3軸直線位移控制，定位單元③和④均為單軸角位移控制，示教器實(shí)現(xiàn)四單元定位系統(tǒng)4個(gè)定位單元共計(jì)8軸（J1～J8）的位置示教與實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示。

圖5 示教器顯示畫面

1.3 技術(shù)參數(shù)

四單元定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1 所示，平臺數(shù)4 個(gè)，共線生產(chǎn)車型數(shù)量4種以上，柔性化程度高，多平臺多車型共線生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)節(jié)拍滿足85 JPH，節(jié)拍時(shí)間內(nèi)完成智能切換，車型切換時(shí)間6 s，定位銷高精度定位，定位銷位置尺寸公差i 0.05 mm，滿足汽車零部件廠和主機(jī)廠多車型門蓋、底板、機(jī)艙等車身零部件高效率柔性共線混流焊裝生產(chǎn)。

表1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

2.1 定位平臺

定位平臺用于車身件的柔性定位與夾緊，采用四單元定位設(shè)計(jì)，如圖6所示，定位平臺包括基板、2套旋轉(zhuǎn)定位單元和2套三維移動定位單元。基板用于定位單元的安裝和承載。旋轉(zhuǎn)定位單元包括驅(qū)動裝置、機(jī)架、增高座、轉(zhuǎn)位控制裝置、超程保護(hù)裝置、檢修感應(yīng)裝置、定位銷組件、轉(zhuǎn)盤等。機(jī)架上設(shè)有用于固定轉(zhuǎn)盤的檢修感應(yīng)裝置。轉(zhuǎn)盤最多安裝4套定位銷組件。轉(zhuǎn)盤與機(jī)架之間設(shè)有轉(zhuǎn)位控制裝置和超程保護(hù)裝置，分別用于控制轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度和限制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角行程。根據(jù)不同車型定位需求，定位平臺自動切換定位銷組件，解決了白車身焊裝生產(chǎn)線切換車型平臺時(shí)由于定位孔徑的大小和位置不一致所引起的無法定位的問題，極大降低新車型新平臺開發(fā)成本，車型切換無需人工控制，切換迅速，控制精準(zhǔn)，智能化生產(chǎn)。

圖6 定位平臺示意圖

三維移動定位單元包括銷釘缸、升降臂、A3軸、A2軸、A1軸、拖鏈等。A1～A3軸呈橫向、縱向和豎向布置，為三維移動定位單元的動力裝置。A1軸置于定位平臺上，用于定位單元橫向移動，A2軸與A1軸垂直交叉相連，用于定位單元縱向移動，A3軸置于A2軸正上方，用于升降臂直線升降移動，帶動銷釘缸同步移動。銷釘缸與升降臂均采用側(cè)面布置，三維移動單元整體高度低，使該單元與旋轉(zhuǎn)定位單元設(shè)備高度相匹配，降低汽車焊裝產(chǎn)線成套設(shè)備高度，降低用戶設(shè)備投資。

2.2 抓手

抓手用于工件抓取，如圖7 所示，抓手包括定位組件、夾緊組件、夾緊缸、八角管、法蘭、閥島、調(diào)節(jié)桿、在度感應(yīng)等。

圖7 抓手示意圖

八角管安裝有定位組件和夾緊組件，用于工件定位與夾緊。夾緊缸裝于多孔設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)桿上，不同孔位安裝的夾緊缸能夾持Z 向尺寸各異的工件，夾緊缸和閥島提供工件夾緊氣動動力。法蘭中心凹陷，與搬運(yùn)機(jī)器人連接機(jī)構(gòu)插接并定位鎖緊。抓手抓取工件后，通過裝于八角管上且置于工件上方在席感應(yīng)判斷工件是否到位，確保工件正常抓取。

2.3 機(jī)器人系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)負(fù)責(zé)抓手及工件搬運(yùn)，如圖8 所示，機(jī)器人系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制柜、機(jī)器人柜、置臺、法蘭、搬運(yùn)機(jī)器人、基板、調(diào)平裝置等。置臺用于安置系統(tǒng)控制柜和機(jī)器人柜，法蘭用于連接抓手，基板采用調(diào)平裝置調(diào)節(jié)水平，用于搬運(yùn)機(jī)器人安裝。系統(tǒng)控制柜整體控制四單元定位系統(tǒng)，機(jī)器人柜控制搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)送工件，系統(tǒng)控制柜和機(jī)器人柜聯(lián)動協(xié)作，完成工件智能切換、運(yùn)送、抓取和定位。

圖8 機(jī)器人系統(tǒng)示意圖

3 相關(guān)特性分析

3.1 車型切換

如圖9（a）所示，旋轉(zhuǎn)定位單元的轉(zhuǎn)盤沿轉(zhuǎn)盤軸心線旋轉(zhuǎn)，帶動裝于轉(zhuǎn)盤上的定位銷組件以90h分度旋轉(zhuǎn)與停留，最多實(shí)現(xiàn)汽車生產(chǎn)的4個(gè)制造平臺工件的定位與夾緊。各平臺的車型定位孔大小與位置尺寸均可不同，根據(jù)不同車型定位需求，旋轉(zhuǎn)定位單元自動切換定位組件，以適應(yīng)汽車4平臺多車型共線生產(chǎn)。如圖9（b）所示，三維移動定位單元的軸移動方向按笛卡爾坐標(biāo)系設(shè)置，通過3軸聯(lián)動的直線移動，帶動裝于升降軸頂端的銷釘缸在空間設(shè)定范圍內(nèi)任意點(diǎn)的停留，實(shí)現(xiàn)多車型定位孔位置尺寸不同的柔性定位。四單元定位系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)定位單元和三維移動定位單元的多軸聯(lián)動及單元聯(lián)動實(shí)現(xiàn)4個(gè)不同制造平臺的多車型切換共線生產(chǎn)。

圖9 單元運(yùn)動示意圖

3.2 節(jié)拍分析

四單元定位系統(tǒng)生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間取決于機(jī)器人搬運(yùn)、焊接和車型定位切換時(shí)間等，表2所示為某汽車零部件廠多車型門蓋柔性切換共線生產(chǎn)的生產(chǎn)節(jié)拍，定位單元切換定位銷組時(shí)間6 s（即車型切換時(shí)間6 s），節(jié)拍重要轉(zhuǎn)接點(diǎn)時(shí)間36 s，設(shè)備開動率85%時(shí)，生產(chǎn)節(jié)拍高達(dá)85 JPH，日常生產(chǎn)節(jié)拍滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。

表2 生產(chǎn)節(jié)拍 s

3.3 平臺擴(kuò)展性

圖10 定位平臺擴(kuò)展示意圖

四單元定位系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)廠商可根據(jù)產(chǎn)品規(guī)劃和車型增加對定位平臺進(jìn)行擴(kuò)展，如圖10所示（注：以下旋轉(zhuǎn)定位單元簡稱風(fēng)車，三維移動定位單元簡稱NC），定位平臺在已有4 定位單元基礎(chǔ)上分別進(jìn)行1～2 單元擴(kuò)展，擴(kuò)展后獲得2個(gè)新定位平臺，其中定位平臺2為5定位單元組合（2 臺風(fēng)車+3 臺 NC），定位平臺 3 為 6 定位單元組合 （3 臺風(fēng)車+3臺NC），較之4定位單元組合的定位平臺（2臺風(fēng)車+2臺NC），2個(gè)新定位平臺能適應(yīng)更加復(fù)雜多樣車身零部件柔性定位，滿足更多車型門蓋、地板、機(jī)艙、側(cè)圍、白車身等車身零部件混流共線焊裝生產(chǎn)。圖中2 個(gè)新定位平臺的風(fēng)車和NC均為同側(cè)布置，為適應(yīng)更多復(fù)雜生產(chǎn)工況，風(fēng)車和NC的底部安裝面可在單元安裝基板面上任意水平移動并固定，獲得更多新定位平臺。

4 結(jié)束語

多車型柔性生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)四單元定位系統(tǒng)的開發(fā)和成熟具有重要意義。本文在充分分析和總結(jié)現(xiàn)有汽車柔性定位系統(tǒng)不足后，研制了適用廣泛、定位平臺可擴(kuò)展的高效快速切換的四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)。本文系統(tǒng)闡述了四單元定位系統(tǒng)整體方案與電控方案，并對其關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)、車型切換、節(jié)拍能力及定位平臺擴(kuò)展性等進(jìn)行描述和分析，為汽車焊裝柔性定位系統(tǒng)的多元化解決方案提供借鑒。