基于機(jī)器感知技術(shù)對(duì)于電池模組的精密裝配質(zhì)量控制

劉清華 徐嘯順 陳成 林立 朱燁添

(上汽通用汽車有限公司，上海 201208)

1 引言

為了更好地響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)新能源汽車的需求，車企需要更多、更快地實(shí)現(xiàn)新能源項(xiàng)目的上線投產(chǎn)，并確保在較高產(chǎn)能自動(dòng)化工藝下的質(zhì)量長(zhǎng)期穩(wěn)定受控、無高額零部件報(bào)廢。相對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力總成產(chǎn)品，新能源電池包的裝配質(zhì)量控制要求更加艱巨，一旦出現(xiàn)問題則會(huì)發(fā)生極為嚴(yán)重的質(zhì)量和安全事故，因此對(duì)其裝配全過程的質(zhì)量控制是一項(xiàng)極其重要的工作[1]。尤其是電芯模組在裝配成包的過程中，零件尺寸較大、對(duì)外力擠壓非常敏感，更是裝配質(zhì)量控制的關(guān)鍵步驟[2]。考慮到電池裝配工藝與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱機(jī)裝配工藝差異較大，以往質(zhì)量控制手段和技術(shù)不能生搬硬套，需要進(jìn)一步開發(fā)符合產(chǎn)品特點(diǎn)的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化工藝。

在高產(chǎn)能生產(chǎn)線中，電池裝配主要依賴于各類自動(dòng)化設(shè)備，而且從質(zhì)量穩(wěn)定性和可追溯性來看，合理利用機(jī)器視覺和力覺等機(jī)器感知技術(shù)，可以高可靠性、高效率地實(shí)現(xiàn)精密裝配和質(zhì)量控制。機(jī)器人自動(dòng)裝配需要克服AGV等引起的定位誤差，和多個(gè)大尺寸零件公差波動(dòng)所造成的累積誤差，嚴(yán)格保證裝配壓力和位置誤差在極小范圍內(nèi)，從而完成裝配過程。

常規(guī)的人工方案雖可基本項(xiàng)目滿足產(chǎn)能要求，但按以往管控手段監(jiān)控部分失效類型，會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生難以嚴(yán)控的波動(dòng)。因此需要研究使用視覺和力覺等機(jī)器感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電池模組的精密裝配和質(zhì)量控制。

機(jī)器視覺技術(shù)在裝配技術(shù)中主要用于引導(dǎo)機(jī)器人、伺服機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，完成對(duì)特定零件的裝配應(yīng)用[3];通常在裝配精度要求不高的情況，可直接視覺定位后使機(jī)械裝置按照偏移值去裝配。但在公差較小、甚至過盈配合的情況下，光有視覺引導(dǎo)是不夠的，機(jī)器人需具備柔性裝配能力。機(jī)器人在精密裝配應(yīng)用中體現(xiàn)的柔順性，主要使用兩種方式實(shí)現(xiàn)，分為主動(dòng)柔順和被動(dòng)柔順。被動(dòng)柔順是指通過安裝在機(jī)械臂末端的被動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如學(xué)者提出的被動(dòng)RCC(Remote Center of Compliance)裝置[4]等。主動(dòng)柔順主要包括阻抗控制、剛度控制、導(dǎo)納控制以及力/位混合控制[5]：

(1)阻抗控制與剛度控制主要通過關(guān)節(jié)力矩傳感器實(shí)現(xiàn)[6]。阻抗控制器建立了機(jī)械臂末端阻抗參數(shù)與環(huán)境作用力的關(guān)系，當(dāng)環(huán)境力施加在機(jī)械臂上，機(jī)械臂產(chǎn)生期望位置與實(shí)際位置的偏差，通過阻抗關(guān)系計(jì)算得到理想的接觸力，最后由關(guān)節(jié)力矩環(huán)實(shí)現(xiàn)力矩控制；剛度控制是將笛卡爾空間的剛度關(guān)系通過轉(zhuǎn)換關(guān)系得到關(guān)節(jié)層的剛度，在單個(gè)關(guān)節(jié)處實(shí)現(xiàn)該剛度，從而實(shí)現(xiàn)笛卡爾空間的柔順。

(2)導(dǎo)納控制和力/位混合控制主要通過末端安裝力傳感器感知接觸力的變化實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的位置[7]。其中導(dǎo)納控制感知到末端力后通過導(dǎo)納關(guān)系得到期望的末端位置，從而實(shí)現(xiàn)末端的柔順；力/位混合控制是將末端任務(wù)空間劃分位執(zhí)行位置控制的位置空間和執(zhí)行力控制的力空間，按需進(jìn)行位置控制或力控制。如在進(jìn)行工件拋光時(shí)，在工件表面的切線方向運(yùn)行事先規(guī)劃好的拋光軌跡，在工件表面的法線方向進(jìn)行力控制，來控制工件與拋光砂紙之間的接觸力，保證拋光效果[8]。

本文介紹基于智能感知技術(shù)的電池模組精密裝配質(zhì)量控制，首先對(duì)模組裝配工藝進(jìn)行了主要研究，其次詳細(xì)介紹了機(jī)器視覺與智能力覺的應(yīng)用原理基礎(chǔ)，然后根據(jù)工藝特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了詳細(xì)的裝配流程，最后對(duì)部分裝配過程進(jìn)行力和位置的數(shù)據(jù)展示和分析。

2 機(jī)器感知技術(shù)對(duì)裝配應(yīng)用相關(guān)理論研究

2.1 電池模組裝配工藝分析

如圖1所示，機(jī)器人末端攜帶力傳感器，抓取模組后，將兩側(cè)定位孔配合裝入底板的兩個(gè)定位銷中，對(duì)電池包定位尺寸鏈進(jìn)行分析，該定位銷孔的裝配間隙最小±0.5 mm左右，單側(cè)間隙最大小于1 mm，裝配模組上下兩側(cè)定位銷孔及左右兩側(cè)螺紋支撐框架孔同時(shí)進(jìn)入裝配位置，且裝配深度20 mm左右。模組電池在裝配時(shí)的重量達(dá)50 kg，所需力控精度要求中等。

圖1 模組裝配示意圖

2.2 機(jī)器視覺定位技術(shù)原理

本工位使用發(fā)那科機(jī)器人公司的二維灰度相機(jī)產(chǎn)品iRVision進(jìn)行視覺預(yù)定位[9]，使用模板匹配技術(shù)進(jìn)行特征提取。模板匹配是機(jī)器視覺常用的視覺工具，用于在較大圖像空間范圍中搜索和查找模板圖像位置的方法，簡(jiǎn)單理解，模板匹配即通過現(xiàn)有圖像模板去與圖片進(jìn)行比較，找出圖像中所需要匹配的內(nèi)容。通常模板匹配的實(shí)現(xiàn)方式可以分為：平方差匹配法、相關(guān)匹配法、相關(guān)系數(shù)匹配法等方法。以平方差匹配法為例，其計(jì)算方式如公式(1)所示，其中R(x,y)為結(jié)果矩陣，T(x′,y′)為模板圖像矩陣，I(x,y)為源圖像矩陣。該公式表達(dá)含義為模板圖像減去所覆蓋的源圖像范圍內(nèi)像素之差的平方和，如果結(jié)果值越接近0，說明匹配程度越高。

(1)

在本次視覺應(yīng)用中預(yù)先進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定；其次進(jìn)行視覺取像，根據(jù)圖像的邊緣特征建立模板，如圖2中邊緣特征及處理后輪廓圖所示；根據(jù)該邊緣制作圖像模板，再次定位時(shí)根據(jù)模板尋找匹配合格的特征，最后得到匹配位置與模板的偏移值，用于引導(dǎo)機(jī)器人裝配。視覺定位模板后，通過VR[i]視覺變量存儲(chǔ)模板定位的偏差值，隨后在發(fā)那科機(jī)器人示教程序(.TP文件)的軌跡程序中將視覺偏移VR[i]加入位置偏移，機(jī)器人即可移動(dòng)到特征點(diǎn)位置。

圖2 特征原圖及處理后輪廓特征

2.3 機(jī)器感知技術(shù)在精密裝配方案選型設(shè)計(jì)

電池模組機(jī)器人自動(dòng)裝配同時(shí)對(duì)機(jī)器人及力傳感器應(yīng)用提出了較高的要求，需要力控方案的精度足夠高、力覺搜索效率高。在電池包裝配應(yīng)用中，需要對(duì)機(jī)器人安裝高精度力覺傳感器和相應(yīng)力覺軟件，合理搭配力覺軌跡和參數(shù)，滿足超大負(fù)載和高產(chǎn)能壓力前提下的高精度定位和高敏感性力控功能，并對(duì)機(jī)器人各軸力覺數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控記錄。

為完成模組力控裝配，本文從帶載能力、力控精度、方案價(jià)格、工作范圍等方面對(duì)關(guān)節(jié)內(nèi)置力傳感器機(jī)器人裝配與法蘭末端力傳感器精密裝配兩種大類方向進(jìn)行比較。其中關(guān)節(jié)內(nèi)置力傳感器機(jī)器人裝配帶載荷能力、工作范圍中等，其力控精度相對(duì)較高，但方案成本也較高；法蘭末端安裝力傳感器精密裝配方案帶載能力、工作范圍較好，成本也較為適中，但高力控精度的實(shí)現(xiàn)相比前方案難度更大。

表1 各類精密裝配方案對(duì)比表

2.4 機(jī)器力覺精密裝配理論模型

對(duì)于50 kg左右的模組自動(dòng)裝配工位，通常加上夾爪重量，機(jī)器人需達(dá)到120 kg左右的負(fù)載。綜合上述關(guān)節(jié)內(nèi)置力傳感器機(jī)器人裝配與法蘭末端力傳感器裝配方案的比較，本文精密裝配選擇法蘭末端安裝六維力傳感器的精密裝配方案，工業(yè)機(jī)器人選型確認(rèn)為FANUC R2000iB/210F，重復(fù)精度0.2毫米，力傳感器選型FS250A[9]。

該種工業(yè)機(jī)器人搭配六維力傳感器用于裝配應(yīng)用的控制方式主要是力/位混合控制方式，其控制框架如圖3所示。其中S為對(duì)稱矩陣，元素為0和1，力控的方向，S相應(yīng)的位置為1；位置控制的方向，相應(yīng)位置為0；S′為取反，從而實(shí)現(xiàn)在不同方向上進(jìn)行位置或者力控制。如在進(jìn)行孔搜索階段，搜索的接觸面的法向執(zhí)行力控制，保證接觸力；接觸面的平面方向執(zhí)行位置控制，執(zhí)行規(guī)劃好的搜索軌跡。

圖3 機(jī)器人力位混合控制圖

3 機(jī)器感知技術(shù)對(duì)電池模組精密裝配集成實(shí)施

3.1 應(yīng)用機(jī)器感知技術(shù)的精密裝配流程

如圖4所示，電池模組兩側(cè)均有定位銷安裝孔，托盤存在安裝銷用于兩側(cè)的軸孔裝配，自動(dòng)裝配需首先定位兩側(cè)銷的位置，編寫軌跡程序使發(fā)那科機(jī)器人移動(dòng)到預(yù)先設(shè)定位置，使用iRVision相機(jī)進(jìn)行特征獲取，得到偏移值后引導(dǎo)機(jī)器人至裝配位置，運(yùn)行力覺控制程序。因本案例中，需同時(shí)對(duì)準(zhǔn)左右兩側(cè)的銷孔才可以完成裝配，坐標(biāo)系設(shè)置考慮在兩孔中間建立Z向垂直于模組地面的工具坐標(biāo)系，如圖5所示。如此可在視覺定位偏移的情況下，使用Z方向旋轉(zhuǎn)搜索的力控策略完成對(duì)于軸孔裝配的高效搜索。

圖4 模組裝配孔特征

圖5 工具坐標(biāo)系設(shè)置

力覺裝配工藝過程分為兩個(gè)階段，根據(jù)裝配工藝特點(diǎn)，本方案選擇了離合器搜索策略(Clutch Force Control)和軸孔裝配搜索(Shaft Force Control)兩種力覺搜索裝配策略。其中離合器搜索策略是在繞裝配軸方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和在裝配軸方向施加推壓力進(jìn)行面搜索和匹配，該策略適合用于齒輪嚙合類裝配應(yīng)用，如組裝汽車的變速箱部件離合器的裝配；軸孔裝配策略是在裝配軸方向有部分傾角和在裝配軸方向施加推壓力，該裝配策略主要是在進(jìn)行圓柱和定位銷等圓柱形狀裝配配合時(shí)使用。

圖6 離合器搜索策略和軸孔裝配策略

裝配第一階段，在搜索兩側(cè)銷時(shí)需同時(shí)使得銷孔進(jìn)銷軸，故此處選擇的力控策略是離合器裝配策略(Clutch Force Control)，它可以指定Z軸向的旋轉(zhuǎn)搜索，同時(shí)Z軸正方向施加一定的推壓力，當(dāng)銷孔剛接觸銷軸時(shí)確保銷軸能夠迅速順暢滑入銷孔。當(dāng)?shù)谝浑A段銷控銷軸配合好后，選擇軸孔裝配策略(Shaft Force Control)，完成第二階段的銷軸完全裝配到位；如果力控參與過程中力控裝配不合格(如受力過大)會(huì)觸發(fā)Z軸反方向的軸孔裝配策略，進(jìn)行抬高退銷動(dòng)作，從而開始第二次的力控裝配嘗試。

機(jī)器人對(duì)電池包力覺精密裝配的流程如圖7所示。首先進(jìn)行二維視覺預(yù)定位，結(jié)合通過自動(dòng)曝光重試提高開動(dòng)率。模板匹配定位成功后，判斷得到的視覺偏移補(bǔ)償值VR[i]是否在合理范圍內(nèi)。若合理即可開始第一階段進(jìn)銷的離合器(Clutch FC)搜索策略，搜索成功與否的判斷是通過裝配位置的深度(即Z軸坐標(biāo)位置)來決定的。如果沒有成功，則回到初始的位置重新開始，直至深度達(dá)到且此時(shí)機(jī)器人的坐標(biāo)位置在合理范圍內(nèi)，即可開始軸孔(Shaft FC)裝配策略。此階段判斷其是否裝配到位的條件也是深度，不過此時(shí)裝配的深度已經(jīng)較深，孔與銷軸的位置配合間隙較小，如果出現(xiàn)裝配時(shí)間超出限定值，卻配合深度還不足的情況，需沿裝配Z軸負(fù)方向(即向上)退出，回到初始點(diǎn)重試裝配直至裝配深度合格或次數(shù)過多后報(bào)警。

圖7 基于機(jī)器感知技術(shù)的模組精密裝配流程圖

該裝配方案中，無論力控裝配成功與否，整個(gè)裝配過程中接觸部分全程由力控程序參與，力控程序參數(shù)嚴(yán)格控制使得整個(gè)裝配過程中模組受力均控制在一定范圍內(nèi)，一般為10 N到15 N左右。同時(shí)開啟裝配過程中裝配數(shù)據(jù)的記錄，便于分析規(guī)律和事后追溯，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 機(jī)器感知設(shè)備的軟硬件集成

整合以上力傳感器的裝配分析，最終形成了在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施完整的發(fā)那科力傳感器裝配方案。如圖所示，其中包括力傳感器、夾爪機(jī)構(gòu)、電池模組和電池包底殼等。每個(gè)完整電池包需安裝若干個(gè)模組，包括多個(gè)長(zhǎng)模組和少量短模組，需要根據(jù)工藝尺寸特點(diǎn)為每個(gè)模組設(shè)計(jì)了不同裝配策略參數(shù)，確保此工位開動(dòng)率良好。

圖8 精密裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

3.3 裝配過程的感知數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和分析優(yōu)化

裝配過程的數(shù)據(jù)是優(yōu)化裝配參數(shù)、質(zhì)量追溯的基礎(chǔ)，因此需把每段力控的數(shù)據(jù)記錄和長(zhǎng)期存儲(chǔ)，用于裝配分析和改進(jìn)。如圖9所示，分別記錄了在第一段離合器搜索過程中的位置信息，分別包括機(jī)器人TCP在裝配過程中X、Y、Z坐標(biāo)值的變化。該力控裝配過程主要分為三個(gè)步驟，第一步0 s～3 s，機(jī)器人根據(jù)視覺補(bǔ)償?shù)竭_(dá)開始裝配位置進(jìn)行軸孔搜索，此時(shí)底殼定位銷與模組定位孔會(huì)因視覺及零件定位誤差難以直接完成配合，因此前3s時(shí)間用于軸孔對(duì)準(zhǔn)；第二步3 s～4 s，3 s之后Z方向位移出現(xiàn)快速變化過程，此時(shí)表述銷孔搜索完成，銷孔快速滑入銷軸倒角位置，此時(shí)模組孔與定位銷裝配深度約為3 mm；第三步4 s～17 s，該步驟實(shí)現(xiàn)銷與孔穩(wěn)步配合，X、Y值會(huì)在一定的位置范圍內(nèi)波動(dòng)適應(yīng)裝配，Z向配合不斷加深直到Z軸位置到達(dá)裝配深度，此時(shí)該段力控程序順利結(jié)束。

圖9 a)X軸位置 b)Y軸位置 c)Z軸位置

同理我們記錄了軸孔裝配策略中Z方向受力和Z方向位置信息以及X、Y兩個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)角度Rx、Ry；該裝配策略過程同樣可以看成三個(gè)步驟，第一步0 s～5 s，Rx、Ry發(fā)生了較大幅度的空間調(diào)整，Z軸位置緩慢下降,機(jī)器人將工件逐步下壓，裝配順利進(jìn)行；第二步5 s～27 s，機(jī)器人在Z軸值為0.315 m左右會(huì)有一段停留，X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也不斷在調(diào)整，該過程因空間、受力原因裝配卡滯,直到時(shí)間27 s左右機(jī)器人各個(gè)方向上力被安全釋放；第三步27 s～31 s機(jī)器人Z方向受阻力減少，繼續(xù)實(shí)施軸孔裝配，擺動(dòng)的X、Y轉(zhuǎn)動(dòng)方向也調(diào)整回到原位，直到機(jī)器人Z方向深度到達(dá)裝配深度，整個(gè)裝配過程完成，模組孔與托盤定位銷完成徹底配合。

a)X軸轉(zhuǎn)角Rx b)Y軸轉(zhuǎn)角Ry

由此可見，裝配過程中所有數(shù)據(jù)均有效監(jiān)控和記錄，亦可用于數(shù)據(jù)的跟蹤記錄與參數(shù)的優(yōu)化。如可以通過數(shù)據(jù)分析可知，適當(dāng)增加Z軸施加的下壓力使得其能減少Z軸停留的時(shí)間，更迅速地完成機(jī)器人自動(dòng)化裝配。

4 結(jié)論與收益

通過合理應(yīng)用機(jī)器人和機(jī)器感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)大負(fù)載高速精密裝配，完成了項(xiàng)目的上線運(yùn)行并成功生產(chǎn)大批量的電池包成品，可靠避免了電芯、模組和電池包因最終裝配過程失控引起質(zhì)量問題和物料報(bào)廢。合理運(yùn)用成熟的機(jī)器人和視覺、力覺等感知技術(shù)，只增加少量的設(shè)備投資，就有效的控制了電芯、模組、電池包等新能源產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著機(jī)器感知技術(shù)的不斷引入，未來還將進(jìn)一步地在各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制，并在復(fù)雜裝配應(yīng)用中更好地替代人工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)。