自動(dòng)化投料在車身制造中的應(yīng)用研究

仇磊

摘要：自動(dòng)投料是指由自動(dòng)化的設(shè)備從零件承載器具中取出、搬運(yùn)并放置到指定位置的過(guò)程。細(xì)分包括識(shí)別、抓取、搬運(yùn)、放置四個(gè)過(guò)程。目前車身制造的自動(dòng)化普遍實(shí)現(xiàn)了連接、檢測(cè)及零件在生產(chǎn)線間轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)于自動(dòng)投料仍有一定課題。要想真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、無(wú)人化，自動(dòng)投料是必須面對(duì)和解決的，此處展開研究并取得突破是十分有意義的。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)投料;自動(dòng)化;車身制造;視覺糾偏

一、背景介紹

隨著市場(chǎng)消費(fèi)群體對(duì)汽車產(chǎn)品個(gè)性化、多樣性的追求，汽車產(chǎn)品不斷推陳出新，整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了飛速的發(fā)展。同時(shí)整車制造也產(chǎn)生了極大的變化，由早期單一產(chǎn)品變?yōu)槎嘈吞?hào)、多顏色、多配置的混合生產(chǎn)模式。自動(dòng)化生產(chǎn)更能適應(yīng)這種變化。自動(dòng)投料技術(shù)是工廠生產(chǎn)的第一步，也是能擺脫作業(yè)人員、成為全自動(dòng)化無(wú)人工廠的關(guān)鍵一步。

二、目前存在的主要問(wèn)題

在車身制造中已經(jīng)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)投料主要有：

1、小分總成，如底板骨架總成、底板面板總成、輪罩總成、儀表板總成。

2、二級(jí)分總成，如前/后地板總成、前艙總成、側(cè)圍總成、門蓋總成等。

除此，下一層級(jí)單品零件及小總成零件投料仍存在以下課題：

1、自動(dòng)投料穩(wěn)定性差。零件在投料的過(guò)程中經(jīng)常存在抓取不良、搬運(yùn)掉落、放置不良的情況，影響生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行。

2、器具、抓具通用性差。因小零件的結(jié)構(gòu)形狀差異大，零件器具、抓手的設(shè)計(jì)差異很大，難以通用，多車型混線生產(chǎn)時(shí)占用大量面積。

3、零件表面劃傷及零件變形問(wèn)題。抓具夾頭夾緊零件時(shí)易造成外觀面劃傷，搬運(yùn)動(dòng)作過(guò)快易造成零件扭曲變形，對(duì)車身質(zhì)量較大影響。

三、原因分析

根據(jù)設(shè)計(jì)仿真、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)觀察，分析以上問(wèn)題的主要因素：

1、視覺糾偏是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取的關(guān)鍵?，F(xiàn)在糾偏技術(shù)大都采用光學(xué)視覺傳感器計(jì)算出零件空間位置的偏差，再指揮機(jī)器手姿態(tài)調(diào)整完成抓取。零件特征點(diǎn)選擇、外表鏡面反射光線、環(huán)境強(qiáng)光線、零件與背景較小的對(duì)比度都會(huì)對(duì)視覺糾偏系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響穩(wěn)定抓取、搬運(yùn)及放置。

2、產(chǎn)品設(shè)計(jì)。車身零件開發(fā)時(shí)未充分考慮自動(dòng)投料成立行，包括定位及夾緊位置、剛性等問(wèn)題，這些會(huì)給抓具、器具成立行及通用性帶來(lái)很大影響。

3、抓具設(shè)計(jì)。抓具的定位銷、夾頭或吸盤布置不合理，在搬運(yùn)過(guò)程中不能良好的保護(hù)車體零件。與零件接觸的夾頭材質(zhì)較硬或面貼合度不好，產(chǎn)生壓痕或劃傷。

四、解決及優(yōu)化方案

結(jié)合以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了解決及優(yōu)化：

1、視覺糾偏系統(tǒng)選配。采用了集零件特征識(shí)別與位置糾偏功能于一體的視覺系統(tǒng)。特征識(shí)別是通過(guò)零件高、低配的特征差異識(shí)別判斷，有效防止錯(cuò)裝、漏裝。另一方面，為了解決糾偏功能受零件特征差異、強(qiáng)環(huán)境光、零件表面反光、零件與環(huán)境對(duì)比度的影響，我們采用了以下措施：

①零件特征選擇。結(jié)合零件圖紙，選擇重要保證的孔、臺(tái)、面作為識(shí)別特征，減少零件特征變化的影響;

②增加遮光板。在視覺拍攝工位周圍增加遮光板，遮擋外部光線的強(qiáng)直射，包括陽(yáng)光、燈光，有效降低反射，提升成像質(zhì)量。

③增加補(bǔ)償燈光。視覺系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個(gè)因素就是光源，我們選擇帶遮光罩環(huán)形LED燈，其可以提供多點(diǎn)位均勻照射，充分保證拍攝亮度，凸顯零件特征。光源顏色、照度、分布點(diǎn)位根據(jù)項(xiàng)目需要做好充分調(diào)研或測(cè)試，才能保證穩(wěn)定成像。

④視野范圍調(diào)整。為保證更為真實(shí)的成像，盡量避免將零件特征置于視野范圍的邊界處，通過(guò)調(diào)整相機(jī)支架以及機(jī)器人拍照姿態(tài)即可實(shí)現(xiàn)。

⑤自主學(xué)習(xí)功能。帶自主學(xué)習(xí)AI功能的處理系統(tǒng)，通過(guò)一定數(shù)量良品、不良品的學(xué)習(xí)，就能夠較精準(zhǔn)的推算出邊界條件，相比以前普通視覺需自定義拍攝及大量調(diào)教，有更高的效率和穩(wěn)定性。

⑥無(wú)序抓取。無(wú)序抓取是目前一種逐漸成熟并擴(kuò)大應(yīng)用的技術(shù)。其原理是通過(guò)結(jié)構(gòu)光或激光掃描構(gòu)建出3D模型并提取關(guān)鍵特征，然后引導(dǎo)機(jī)器手改變姿態(tài)抓取。它最大特點(diǎn)是，不限定某個(gè)關(guān)鍵特征的朝向，通過(guò)輪廓掃描即可計(jì)算出抓取位置。這種技術(shù)應(yīng)用大大降低了器具的開發(fā)難度，提升了器具通用性。對(duì)體型較小、剛性大、對(duì)外觀沒有影響的零件非常適用。

2、產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化。這里一般指非外觀面零件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行工藝分析，首先充分考慮抓取時(shí)需要用到的面、孔及其他特征在抓取時(shí)的成立行;其次考慮他們的定位互換性，比如對(duì)于門檻板的設(shè)計(jì)，就可以直接約束器具定位、搬運(yùn)的孔、面，進(jìn)而保證器具、抓具的通用性。對(duì)于外觀零件，如門外板、頂蓋、側(cè)圍外板、翼子板等，因需滿足造型需求，只能通過(guò)開發(fā)柔性抓具來(lái)實(shí)現(xiàn)其通用。

3、工位器具規(guī)劃。工位器具主要承擔(dān)零件定位、放置、轉(zhuǎn)運(yùn)的作用，工位器具通用性、一致性對(duì)自動(dòng)上料有較大影響。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析：

①承接內(nèi)制零件，無(wú)需翻包。由沖壓生產(chǎn)的車身零件通過(guò)器具直接轉(zhuǎn)運(yùn)至焊裝車間。工位器具設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧零件放置時(shí)的便利性及機(jī)器人取件時(shí)的便利性。器具轉(zhuǎn)運(yùn)在沖壓、焊裝兩個(gè)車間內(nèi)，不出工廠，距離較近，料架一致性較易保證，維護(hù)較便捷可靠。

②承接外制零件，需翻包。其他地點(diǎn)生產(chǎn)的車身零件，通過(guò)專有包裝運(yùn)至庫(kù)存區(qū)后，再將零件翻包至工位器具內(nèi)。這種情況下，工裝器具只需考慮機(jī)器人搬運(yùn)便利性及轉(zhuǎn)包時(shí)操作便利性，轉(zhuǎn)運(yùn)距離大大縮減，料架一致性容易保證，維護(hù)最為便捷可靠。

③承接外制零件，無(wú)需翻包。其他地點(diǎn)生產(chǎn)的車身零件，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)器具送達(dá)至庫(kù)存區(qū)，無(wú)需翻包，直接將轉(zhuǎn)運(yùn)器具及零件配送至投料口。這種器具開發(fā)難度較大，需兼顧零件放入、機(jī)器手取出及長(zhǎng)途轉(zhuǎn)運(yùn)中零件放置穩(wěn)定，其器具數(shù)量多，一致性保證困難，維護(hù)較困難。

4、抓具開發(fā)。抓具分為通用型及專用型，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要靈活選擇：

①通用抓具指不同車型的同一種零件的抓具通用。其在抓取不同車型的零件時(shí)，通過(guò)定位銷、定位塊的切換、變位來(lái)實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省抓具的占地面積，節(jié)省切換抓具的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。缺點(diǎn)是為了滿足通用，定位塊設(shè)計(jì)會(huì)減少面積，甚至數(shù)量，對(duì)零件搬運(yùn)的穩(wěn)定性有一定影響。

②專用抓具指不同車型的同一種零件的抓具是不通用的、獨(dú)立的。機(jī)器人需要切換抓具以達(dá)到不同車型混合生產(chǎn)的目的。其優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)零件造型自由設(shè)計(jì)定位及夾持點(diǎn)，提高零件搬運(yùn)過(guò)程穩(wěn)定性;缺點(diǎn)是當(dāng)多車型混線生產(chǎn)時(shí)抓具占用了較多面積，對(duì)生產(chǎn)線布局有一定影響。

③新型抓具開發(fā)。在零件型面接近的部位增加吸盤、電磁鐵，可提升抓具通用性;通過(guò)多點(diǎn)布置吸盤、電磁鐵可提升對(duì)零件的控制，提高抓取穩(wěn)定性;柔軟的吸盤材質(zhì)也可減少零件表面劃傷。

五、小結(jié)

通過(guò)對(duì)自動(dòng)化投料的研究，解決對(duì)單品零件或小總成零件的識(shí)別、穩(wěn)定抓取及放置課題，擴(kuò)大了自動(dòng)投料的應(yīng)用范圍。正文闡述外，綜合考慮導(dǎo)入成本、生產(chǎn)線布局變化、運(yùn)維便捷性以及新車型追加時(shí)的可擴(kuò)展性、新基地建設(shè)時(shí)的可復(fù)制性等因素，才能規(guī)劃出更優(yōu)的自動(dòng)投料系統(tǒng)，從而構(gòu)建更完美的無(wú)人化生產(chǎn)線。