機(jī)器人滾邊技術(shù)在白車身制造中的應(yīng)用與發(fā)展

尹邦文

摘 要：機(jī)器人滾邊是一項(xiàng)先進(jìn)的白車身制造技術(shù)，主要應(yīng)用于車身的四門兩蓋、頂蓋、翼子板等關(guān)鍵部件的滾邊成型。該技術(shù)因其自動(dòng)化程度高、維護(hù)成本低、柔性化生產(chǎn)好、成形美觀、占地面積少等優(yōu)勢(shì)受到了眾多國(guó)內(nèi)外車企的青睞。本文介紹了機(jī)器人滾邊的工藝特點(diǎn)、機(jī)器人滾邊系統(tǒng)組成、滾邊質(zhì)量影響因素等，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了探討和研究。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人滾邊;白車身;滾邊質(zhì)量

1 機(jī)器人滾邊工藝

包邊工藝是一種通過(guò)塑性變形的方法將已翻邊外板沿著內(nèi)板的邊緣折彎、壓緊，從而使兩層板件固定在一起[1]。在機(jī)器人滾邊工藝推廣之前，模具包邊和專機(jī)包邊是各大車企常采用的包邊方式[2]。模具包邊是利用安裝在壓機(jī)上的模具完成內(nèi)外板件的包邊，如圖1所示。模具包邊一般有預(yù)彎、壓死兩個(gè)步驟，這兩步由下模預(yù)彎塊和上模本曲仞在一道工序中完成[2]。模具包邊適用于大批量單一品種生產(chǎn)，具有效率高、包邊質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，但是其一次性投入高，占地面積大，柔性化程度低。

專機(jī)包邊的原理與模具包邊類似，利用氣缸、液壓缸或者伺服電機(jī)的作用力實(shí)現(xiàn)包邊，如圖2所示[3]。與模具包邊最大的區(qū)別在于，專機(jī)包邊的夾緊定位、預(yù)包邊及終包邊等工序需分步進(jìn)行[2]，故生產(chǎn)效率較低，但柔性化程度比模具包邊高，占地面積也小。

在各大汽車企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)趨于白熱化的今天，技術(shù)創(chuàng)新是贏得進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。機(jī)器人滾邊工藝作為一項(xiàng)新型的白車身制造技術(shù)也迅速取代了傳統(tǒng)的包邊工藝。它是利用工業(yè)機(jī)器人操縱滾邊工具多次滾壓已翻邊的外板件，使外板的翻邊部分發(fā)生折彎邊形將內(nèi)板包裹住而實(shí)現(xiàn)包邊。與傳統(tǒng)包邊工藝相比，機(jī)器人滾邊有柔性化程度高，工位占地面積少，投資成本低等優(yōu)勢(shì)。下圖展示了機(jī)器人滾邊的主要步驟。

翻邊：

滾邊的前，需要將外板件邊緣沖壓出一圈翻邊，翻邊高度一般控制在7 mm～12 mm，翻邊角控制在90°。若板件邊緣的曲率變化較大，翻邊角可以適當(dāng)增大，但一般不超過(guò)105°，否則容易使包邊產(chǎn)生波浪、堆料起皺等缺陷。

預(yù)包邊：

預(yù)包邊一般有2～3道滾邊，具體可根據(jù)板件的包邊特點(diǎn)實(shí)施。

第一道滾邊：滾邊的折彎角度一般為 30°，但有時(shí)翻邊與板件擠壓易產(chǎn)生波浪變形影響產(chǎn)品外觀。此時(shí)，可適當(dāng)減少折彎角度。具體以翻邊不產(chǎn)生波浪變形為要點(diǎn)確定折彎角度。

第二道滾邊：此時(shí)滾輪的壓合力要比第一道大，折彎角度一般為60°，其他參數(shù)與第一道滾邊基本一致。翻邊部分如出現(xiàn)波浪變形，則可與第一道滾邊處理方法一樣調(diào)整折邊角度，直至波浪消除。

終包邊：

終包邊是滾邊工藝的最后一道工序，需要將翻邊完全壓貼，滾輪表面與胎膜表面平行，且要控制兩者之間的間隙，以保證包邊有一定的過(guò)壓量，過(guò)壓量大小以具體工藝要求為準(zhǔn)。

2 機(jī)器人滾邊系統(tǒng)組成

機(jī)器人滾邊系統(tǒng)一般由工業(yè)機(jī)器人、控制系統(tǒng)、滾輪系統(tǒng)、定位夾具系統(tǒng)、柔性切換單元等組成。

2.1 機(jī)器人

機(jī)器人是滾邊操作的主體，車企常用的機(jī)器人品牌有FANUC、KUKA、ABB等，通常采用自由度高的6軸機(jī)器人負(fù)責(zé)滾邊工藝[4]。機(jī)器人的工作范圍和承載能力是選擇機(jī)器人的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，需根據(jù)滾邊工位的工藝布局、機(jī)器人所抓板件的重量、滾邊壓合力的大小以及生產(chǎn)節(jié)拍等工藝要求來(lái)確定。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）、傳感器、顯示器等組成。機(jī)器人、滾輪系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)等在控制系統(tǒng)指令的控制下，形成了一個(gè)完整、有序的滾邊系統(tǒng)。

2.3 滾輪系統(tǒng)

滾輪系統(tǒng)是機(jī)器人滾邊的執(zhí)行工具，由滾輪和滾輪基體裝配而成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造的好壞會(huì)直接影響滾邊的質(zhì)量和效率，嚴(yán)重的會(huì)造成板件報(bào)廢，增加生產(chǎn)成本。一方面，滾輪直接與板件接觸，需要承受較大的壓力和摩擦力，因此設(shè)計(jì)滾輪時(shí)必須要選擇耐磨性高且具有足夠抗壓強(qiáng)度的材料;另一方面，滾輪是通過(guò)滾輪基體與機(jī)械臂連接在一起，滾輪基體的剛度、強(qiáng)度及制造精度對(duì)滾邊質(zhì)量也有很大的影響。機(jī)械臂、滾輪基體、滾輪三者之間通過(guò)法蘭緊固，它們之間的裝配精度也會(huì)影響到滾邊質(zhì)量。滾輪系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就要將這些因素與具體板件材質(zhì)、板件成型的工藝要求等結(jié)合起來(lái)考慮。另外，為了確保滾輪系統(tǒng)有較高的柔性，一個(gè)滾輪基體會(huì)安裝多個(gè)不同形式的滾輪。如圖4所示：

2.4 夾具系統(tǒng)

夾具系統(tǒng)主要由支撐板件的滾邊胎模和緊固定位板件的定位夾緊機(jī)構(gòu)組成[5]。許多車企利用一臺(tái)機(jī)器人同時(shí)配備多套夾具系統(tǒng)的高柔性化生產(chǎn)方法，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)機(jī)器人完成不同車型的同類零件或相同車型的不同零件包邊。具體配備多少套夾具根據(jù)產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍確定，節(jié)拍長(zhǎng)，該工位可同時(shí)生產(chǎn)的零件多。

2.4.1 胎膜

胎膜作為滾邊系統(tǒng)中板件的承力機(jī)構(gòu)，其作用是在滾邊時(shí)支撐板件、確保板件的輪廓精度，一般由胎膜支架和胎模工作面構(gòu)成。由于胎膜在滾邊時(shí)承受了所有的壓邊力，所以要求胎膜有足夠高的剛度、強(qiáng)度。另外，由于外板件在滾邊時(shí)和胎模工作面是緊密貼合的，胎模的加工尺寸精度和表面質(zhì)量會(huì)直接影響板件的質(zhì)量，如胎膜表面質(zhì)量不良，會(huì)導(dǎo)致板件在滾邊后出現(xiàn)凹凸不平、凹坑、壓痕等質(zhì)量缺陷，所以又要求胎膜有較高的耐磨度。目前支架和胎膜多采用球鐵、風(fēng)冷鋼等材料鑄造后數(shù)控加工成形。

2.4.2 定位夾具

由于車身覆蓋件是薄鋼或薄鋁板件，其剛性差，為了保證板件之間定位準(zhǔn)確、夾緊可靠，必須通過(guò)專門的定位夾具將板件固定到胎膜上。板件常用的定位方式有基準(zhǔn)孔定位和外形定位兩種[5]。滾邊工藝設(shè)計(jì)時(shí)，外板優(yōu)先考慮采用基準(zhǔn)孔定位，對(duì)于沒(méi)有設(shè)計(jì)定位孔的外板，則采用外形定位。內(nèi)板定位優(yōu)先選用定位孔，因?yàn)閮?nèi)板開(kāi)定位孔不會(huì)影響整車外觀、質(zhì)量，最重要的是采用孔定位可以很好地承擔(dān)滾邊時(shí)內(nèi)板受到的各向不均衡力;圖5所示，下圖為某車型引擎蓋的滾邊胎膜和定位夾緊夾具。

3 機(jī)器人滾邊質(zhì)量控制

機(jī)器人滾邊質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)對(duì)車身外觀及裝配精度產(chǎn)生直接影響。影響滾邊質(zhì)量的因素很多，如板件翻邊高度、機(jī)器人滾邊程序、滾輪壓合力、滾輪尺寸及形狀、滾輪的行進(jìn)速度和路線、胎膜表面質(zhì)量、定位夾具精度等，任何參數(shù)設(shè)置不合理都可能導(dǎo)致板件出現(xiàn)尖角、起皺、波浪變形、撕邊及外板表面凹陷等質(zhì)量問(wèn)題。

3.1 機(jī)器人滾邊質(zhì)量影響因素

3.1.1 板件翻邊高度

翻邊參數(shù)直接影響板件質(zhì)量和生產(chǎn)成本。翻邊高度太高可能會(huì)導(dǎo)致板件堆料起皺。為了不廢料，需要人工打磨修整起皺的翻邊，翻邊模具也需要修整，以獲得合適的翻邊高度，這會(huì)花費(fèi)大量的人力物力，增加生產(chǎn)成本;翻邊高度過(guò)低則會(huì)出現(xiàn)包邊不牢等問(wèn)題，導(dǎo)致板件強(qiáng)度不足或整車裝配完成后出現(xiàn)漏水等質(zhì)量隱患。因此，合理的翻邊高度對(duì)于白車身制造的提質(zhì)、降本意義重大，在翻邊開(kāi)模前需要反復(fù)驗(yàn)證。

3.1.2 機(jī)器人滾邊程序

滾邊程序包含滾輪行進(jìn)軌跡、運(yùn)行速度、機(jī)器人姿態(tài)、滾輪切入角度、滾邊壓合力等參數(shù)，這些參數(shù)中任何一個(gè)設(shè)計(jì)有偏差都會(huì)對(duì)翻邊質(zhì)量有不利影響。比如滾輪行進(jìn)的軌跡如果設(shè)計(jì)不合理就會(huì)導(dǎo)致外板包邊不嚴(yán)、堆料起皺等缺陷。這些參數(shù)需要調(diào)試員在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試，不斷修正程序使?jié)L邊質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.1.3 滾輪壓力與速度

滾輪的壓合力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致板件發(fā)生擠壓變形，并且可能在外板表面產(chǎn)生壓印，影響車身外觀質(zhì)量。而滾邊壓力過(guò)小則會(huì)造成翻邊彎折變形不充分，產(chǎn)生包邊不嚴(yán)的缺陷，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)堆料起皺。

滾邊速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致板件堆料起皺[5]。滾壓速度慢則會(huì)增加生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)效率。因此，合理設(shè)計(jì)滾輪的行進(jìn)速度和滾輪壓合力是十分有必要的。

3.2 實(shí)例分析

3.2.1 某車型后背門撕邊

下圖所示為某車型后背門滾邊撕邊改善前后的照片，通過(guò)檢查滾邊軌跡，發(fā)現(xiàn)第一道滾邊的折邊角度偏大，使得該處翻邊在第一道滾邊時(shí)便被撕出。

改進(jìn)措施：調(diào)整機(jī)器人第一道滾邊的角度，保持在30°左右，并調(diào)整滾輪前進(jìn)的角度，使?jié)L輪的姿態(tài)與翻邊的形變方向大致相同。

3.2.2 引擎蓋水滴邊包邊波浪

如圖所示為某款車型引擎蓋水滴邊波浪，檢查滾邊軌跡發(fā)現(xiàn)水滴邊的第一道預(yù)壓的角度過(guò)大，且速度快，后續(xù)滾邊無(wú)法將其壓平，從而出現(xiàn)水滴包邊波浪情況。

改進(jìn)措施：調(diào)整機(jī)器人第一道滾邊的角度，保持在30°左右，并將該處的滾輪前進(jìn)方向調(diào)整為偏向板件內(nèi)側(cè)處，滾輪行進(jìn)速度調(diào)至200 mm/s。

3.2.3 包邊尖角

檢查機(jī)器人滾邊軌跡，發(fā)現(xiàn)第一道滾邊的滾輪的角度太大和第三道滾邊壓合力不夠，導(dǎo)致終包邊圓弧不順、包邊不良。

改進(jìn)措施：調(diào)整機(jī)器人第一道滾輪的角度，增加第三道壓合力，貼緊并平行于胎膜，使?jié)L輪的姿態(tài)與翻邊的形變方向大致相同。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人滾邊技術(shù)作為新型的車身覆蓋件制造技術(shù)，在確保車身覆蓋件外觀精致及高的車身裝配精度的同時(shí)，具有柔性化裝配高、一次性投入少、生產(chǎn)環(huán)境優(yōu)異、維護(hù)成本低、作業(yè)占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。作為一項(xiàng)結(jié)合了多方面技術(shù)的柔性化包邊技術(shù)，需要我們?cè)谏a(chǎn)制造中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、完善技術(shù)，從而進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)的發(fā)展。

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