焊裝調(diào)整線門蓋自動(dòng)裝配技術(shù)研究

呂春龍 劉穎 潘福祿 畢愿江 董雷

摘要：基于視覺檢測、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）傳輸、工業(yè)機(jī)器人智能抓取、自動(dòng)擰緊技術(shù)，使焊裝調(diào)整線門蓋自動(dòng)裝配效率、裝配質(zhì)量、線體柔性得到大幅度提升。在抓具上集成多路攝像頭，通過攝像頭對(duì)門蓋及白車身進(jìn)行拍照，對(duì)關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和提取，計(jì)算出門蓋與白車身各個(gè)位置的間隙及面差，再采取間隙面差匹配算法，從而計(jì)算出門蓋相對(duì)白車身最佳位置，進(jìn)一步引導(dǎo)搬運(yùn)機(jī)器人抓取門蓋到達(dá)最佳裝配位置。通過擰緊機(jī)器人攜帶擰緊軸對(duì)門蓋進(jìn)行自動(dòng)擰緊，實(shí)現(xiàn)門蓋自動(dòng)裝配功能。門蓋自動(dòng)裝配技術(shù)不僅提高了裝配效率及質(zhì)量，同時(shí)降低人工勞動(dòng)負(fù)荷和成本，保證了白車身整體外觀質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)擰緊 自動(dòng)裝配 間隙面差 質(zhì)量

中圖分類號(hào)：T19? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220198

Abstract： Based on the technologies of vision detection， Automated Guided Vehicle （AGV） transmission， industrial robot intelligent grasping and automatic tightening， the automatic assembly efficiency， assembly quality and flexibility of welding and adjusting door cover have been greatly improved. The multi-channel cameras were integrated on the grab， and the key feature points were identified and extracted by taking photos of the door cover and the body-in-white， and the clearance and difference of each position between the door cover and the body-in-white were calculated， and then the clearance and difference matching algorithm was adopted to calculate the best position of the door cover relative to the body in white， then the transfer robot was guided to grab the door cover to reach the best assembly position. The door cover was tightened automatically by the tightening robot carrying the tightening shaft. The door cover automatic assembly technology not only improves the assembly efficiency and quality， but also reduces the labor load and cost， and ensures the overall appearance quality of the body-in-white.

Key words： Automatic tightening， Automatic assembly， Clearance and surface difference， Quality

1 前言

焊裝調(diào)整線主要工作是將四門、前后蓋、翼子板、翼子板支架、前蓋鉸鏈、后蓋鉸鏈零件裝配到白車身，其中大部分為外表面件，裝配精度要求極高，直接影響外觀質(zhì)量。經(jīng)調(diào)研，傳統(tǒng)焊裝調(diào)整線絕大部分采用人工裝配的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且裝配質(zhì)量完全依賴操作者的責(zé)任心來保證，產(chǎn)品一致性差。隨著中國汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，車型更新?lián)Q代的加速，對(duì)生產(chǎn)線智能化、數(shù)字化、柔性化需求也越來越高，因此焊裝調(diào)整線引入自動(dòng)裝配技術(shù)勢在必行。各大主機(jī)廠對(duì)裝配效率提升、對(duì)工人勞動(dòng)負(fù)荷、對(duì)零件裝配質(zhì)量、對(duì)線體柔性化程度方面提出了更高要求。針對(duì)這樣社會(huì)背景，自動(dòng)裝配技術(shù)必將成為未來發(fā)展趨勢。國外市場已有門蓋自動(dòng)裝配技術(shù)的應(yīng)用項(xiàng)目，國內(nèi)主機(jī)廠也在逐步進(jìn)行小批量試驗(yàn)性項(xiàng)目投產(chǎn)。未來幾年內(nèi)，調(diào)整線自動(dòng)裝配技術(shù)將在國內(nèi)市場井噴式發(fā)展，并逐步取代人工勞動(dòng)，成為市場主流。

2 傳統(tǒng)手動(dòng)裝配線與自動(dòng)裝配線對(duì)比分析

2.1 操作人員負(fù)荷及數(shù)量

a.自動(dòng)裝配線：只需要簡單的上件操作，即將四門、兩蓋、翼子板放置到上料臺(tái)。操作工人負(fù)荷小，同時(shí)線體又實(shí)現(xiàn)了少人化需求。

b.手動(dòng)裝配線：既需要上件，同時(shí)也需要使用扳手對(duì)其進(jìn)行擰緊，對(duì)零件位置調(diào)整后需要二次擰緊，勞動(dòng)負(fù)荷大，且操作人員配置多。

2.2 裝配精度

a.自動(dòng)裝配線：自動(dòng)裝配線靠抓件機(jī)器人帶多路攝像頭拍攝、成像、與理論數(shù)據(jù)對(duì)比技術(shù)，從而找到最佳裝配位置。裝配精度高，產(chǎn)品一致性好。

b.手動(dòng)裝配線：手動(dòng)裝配線靠操作者通過塞尺、塞塊進(jìn)行測量以及肉眼識(shí)別來保證精度，裝配精度低，產(chǎn)品一致性差。

2.3 裝配效率

a.自動(dòng)裝配線：機(jī)器人自動(dòng)裝配線裝配效率高。

b.手動(dòng)裝配線：裝配效率低。

2.4 經(jīng)濟(jì)性

a.自動(dòng)裝配線：短期內(nèi)線體投資高，一次投資，一勞永逸，長期投資收益比高，經(jīng)濟(jì)性好。

b.手動(dòng)裝配線：短期線體投入低，長期人工累計(jì)成本高，經(jīng)濟(jì)性差。

2.5 柔性化程度

a.自動(dòng)裝配線：采用夾具快速切換形式可實(shí)現(xiàn)N車型混流，切換速度快，線體柔性化程度好。

b.手動(dòng)裝配線：手動(dòng)裝配線靠延長線體長度來滿足車型柔性切換，常規(guī)最多能做到5個(gè)車型切換，切換速度慢，線體柔性化程度差。

3 自動(dòng)裝配線特性

裝配精度、裝配效率是制造業(yè)發(fā)展的重中之重。隨著社會(huì)對(duì)汽車質(zhì)量需求的逐步提高，車企對(duì)白車身裝配質(zhì)量有了更高的追求，如何保證裝配精度和效率成為主要課題。傳統(tǒng)手動(dòng)裝配線已經(jīng)跟不上社會(huì)發(fā)展的潮流，逐步退出市場舞臺(tái)，自動(dòng)裝配線飛速發(fā)展，占領(lǐng)市場。自動(dòng)裝配線不僅能保證裝配精度和效率，而且降低了操作工人的勞動(dòng)負(fù)荷，節(jié)約操作者數(shù)量，大大解放勞動(dòng)力，最重要的是還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析，進(jìn)而通過對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，反推產(chǎn)品自身質(zhì)量情況，良性循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品裝配質(zhì)量的保證。

4 視覺系統(tǒng)技術(shù)分類與應(yīng)用

視覺系統(tǒng)就是利用機(jī)器代替人眼來實(shí)現(xiàn)各種測量和判斷。視覺系統(tǒng)綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件方面技術(shù)，涉及到圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理多領(lǐng)域技術(shù)。視覺系統(tǒng)在焊裝行業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用可有效降低加工精度，降低制造成本，提高裝配質(zhì)量。一套完整的視覺系統(tǒng)主要由光源、鏡頭、相機(jī)、圖像處理單元、圖像處理軟件、監(jiān)視器、輸入輸出單元組成[1]。

4.1 后門視覺系統(tǒng)

后門裝配：常規(guī)手動(dòng)裝配是通過微調(diào)車門鉸鏈位置來保證車門與側(cè)圍外板間隙面差。本項(xiàng)目通過抓手上配置多路攝像頭對(duì)側(cè)圍外板及車門進(jìn)行拍照，對(duì)角點(diǎn)、棱、面特征進(jìn)行識(shí)別和提取，計(jì)算出車門與側(cè)圍各個(gè)位置間隙及面差，再通過間隙面差匹配算法計(jì)算出車門相對(duì)車身的最佳裝配位置，從而引導(dǎo)抓件機(jī)器人到達(dá)最佳裝配位置。詳細(xì)選型說明見后門視覺系統(tǒng)布置方案（圖1）。本項(xiàng)目選用9個(gè)攝像頭對(duì)側(cè)圍和車門進(jìn)行拍照，這9個(gè)攝像頭分別對(duì)車門以及側(cè)圍進(jìn)行X、Y、Z方向的位置確認(rèn)，其中9號(hào)攝像頭，拍照孔位為白車身RPS定位孔，用來確定白車身的基準(zhǔn)坐標(biāo)，其余8個(gè)攝像頭對(duì)拍攝結(jié)果綜合計(jì)算，反導(dǎo)出機(jī)器人需要偏移的位置坐標(biāo)，引導(dǎo)抓件機(jī)器人將車門移位到準(zhǔn)確位置，再次拍照確認(rèn)，同時(shí)采集測量數(shù)據(jù)，由視覺控制柜進(jìn)行分析、處理，得出間隙面差值。

4.2 后蓋視覺系統(tǒng)

后蓋裝配保證后蓋與側(cè)圍外板Y向和Z向間隙面差，常規(guī)通過微調(diào)后蓋鉸鏈位置來實(shí)現(xiàn)后蓋位置的微量偏移。本項(xiàng)目采用視覺系統(tǒng)，可直接找到后蓋準(zhǔn)確安裝位置，避免重復(fù)松緊螺栓的操作，詳細(xì)選型說明見圖2。本項(xiàng)目選用6個(gè)攝像頭對(duì)側(cè)圍和后蓋進(jìn)行拍照，這6個(gè)攝像頭分別對(duì)后蓋以及側(cè)圍進(jìn)行X、Y、Z方向的位置確認(rèn)，反導(dǎo)出機(jī)器人需要偏移坐標(biāo)值。引導(dǎo)抓件機(jī)器人將后蓋移位到準(zhǔn)確位置。

4.3 視覺攝像頭選型說明

常規(guī)門蓋類產(chǎn)品裝配誤差需要控制在±0.1 mm以內(nèi)，因此對(duì)視覺攝像頭選型要求極高。本項(xiàng)目選用具備數(shù)字傳感器技術(shù)的攝像頭，重復(fù)精度能到±0.02 mm以內(nèi)，能夠滿足項(xiàng)目需求。具體樣式詳見圖3。

4.4 視覺系統(tǒng)圖像處理方式

視覺系統(tǒng)的原理是采用攝像頭將被檢測的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)再對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行綜合運(yùn)算來抽取目標(biāo)特征，如數(shù)量、位置、長度等，再與預(yù)設(shè)的允許偏差值和其它條件輸出結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，引導(dǎo)抓件機(jī)器人到達(dá)最佳裝配位置。詳見圖4。

5 自動(dòng)擰緊系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用與分析

運(yùn)用螺紋連接使零部件結(jié)合是最常見的零件裝配方法之一。在現(xiàn)實(shí)生活中，很難找到一部沒有螺紋連接、沒有螺紋緊固件的機(jī)器。螺紋連接簡單可靠、拆卸方便，在汽車行業(yè)應(yīng)用尤其廣泛，比如門蓋的裝配、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、內(nèi)飾件的裝配等等。

傳統(tǒng)形式的螺栓擰緊為操作者手持?jǐn)Q緊工具對(duì)零件進(jìn)行擰緊，長此以往，人工勞動(dòng)負(fù)荷大，工作效率低，力矩一致性差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)擰緊技術(shù)迅速占領(lǐng)市場，這項(xiàng)技術(shù)的崛起大幅降低人工負(fù)荷，提高裝配質(zhì)量。與此同時(shí)，它還具備擰緊力矩采集功能，可對(duì)多批次產(chǎn)品通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，起到追蹤溯源的目的。

5.1 自動(dòng)擰緊系統(tǒng)工作原理

自動(dòng)擰緊機(jī)是集機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、電子技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)于一體的設(shè)備。它可以對(duì)螺釘擰緊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。自動(dòng)擰緊系統(tǒng)由擰緊控制器、擰緊軸、連接電纜部分組成。本項(xiàng)目將擰緊軸連接到機(jī)器人本體上，擰緊控制器作為機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)從站與機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)交互，通過機(jī)器人本體帶動(dòng)擰緊軸到達(dá)指定位置，擰緊控制器驅(qū)動(dòng)擰緊軸對(duì)指定螺栓進(jìn)行擰緊工作，同時(shí)擰緊控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析。擰緊軸通過伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)速及擰緊角度，通過內(nèi)置力矩傳感器來保證最終輸出力矩值[2]。

5.2 自動(dòng)擰緊系統(tǒng)選型說明

自動(dòng)擰緊系統(tǒng)選型要求嚴(yán)格，主要集中在擰緊力矩、擰緊軸形式、使用壽命。

a.擰緊力矩：本項(xiàng)目要求擰緊力矩在20～50 N·m，詳見圖5。本次選型擰緊系統(tǒng)力矩范圍在14～70 N·m可任意調(diào)整，能夠滿足項(xiàng)目使用要求。

b.擰緊軸形式：自動(dòng)擰緊軸分為標(biāo)準(zhǔn)擰緊軸和彎頭擰緊軸。具體形式見圖6。本項(xiàng)目通過三維模擬，分別對(duì)2種擰緊軸進(jìn)行分析驗(yàn)證，最終選擇彎頭擰緊軸。選型過程詳見圖7。

c.使用壽命：本項(xiàng)目要求擰緊軸使用壽命可達(dá)80萬次。本次擰緊軸選型使用壽命可達(dá)到100萬次以上，能夠滿足項(xiàng)目使用要求。

6 門蓋自動(dòng)裝配技術(shù)分析

6.1 后門自動(dòng)裝配工藝

多路攝像頭拍攝場景詳見圖8。如圖9所示，1010工位為車門及鉸鏈上件臺(tái)，由1025工位搬運(yùn)機(jī)器人抓取1010工位零件搬運(yùn)至1020工位，在夾具上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配。由1025工位機(jī)器人搬運(yùn)至1030工位中轉(zhuǎn)臺(tái)，精確定位，再由1035工位機(jī)器人佩帶視覺抓手搬運(yùn)到1040工位白車身位置，借助1035工位機(jī)器人抓手上的多路攝像頭對(duì)側(cè)圍拍照，再次移動(dòng)車門到準(zhǔn)確位置，再由1040R1、R2機(jī)器人分別到1037工位螺釘上料臺(tái)吸取螺釘并擰緊到白車身上，實(shí)現(xiàn)對(duì)車門的自動(dòng)裝配。

6.2 后蓋自動(dòng)裝配工藝介紹

如圖9所示，1060工位為后蓋及鉸鏈上件臺(tái)，操作工人將預(yù)先安裝好鉸鏈的后蓋放在上件臺(tái)進(jìn)行精確定位，由1065工位機(jī)器人佩帶視覺抓手搬運(yùn)到1070工位白車身位置，再由1070R1、R2機(jī)器人分別到1067、1068工位螺釘上料臺(tái)吸取螺釘并擰緊到白車身上，實(shí)現(xiàn)對(duì)后蓋的自動(dòng)裝配。

6.3 門蓋自動(dòng)裝配研究結(jié)果及注意事項(xiàng)

a.在做門蓋自動(dòng)裝配項(xiàng)目時(shí)，擰緊軸盡量選用彎頭擰緊軸，對(duì)機(jī)器人擰緊姿態(tài)更舒展。

b.因整個(gè)螺栓在擰緊過程中在旋緊進(jìn)給方向上有一定位移量，通過機(jī)器人本體移動(dòng)無法精確適應(yīng)整個(gè)進(jìn)給過程。故在調(diào)試過程中，整個(gè)擰緊過程機(jī)器人保持姿態(tài)不變，由擰緊軸自身配置浮動(dòng)機(jī)構(gòu)來彌補(bǔ)進(jìn)給量。

c.因螺釘放置在置臺(tái)上面，機(jī)器人持?jǐn)Q緊軸去吸附螺釘時(shí)，要先設(shè)置擰緊軸先反轉(zhuǎn)，再正轉(zhuǎn)，保證螺釘被擰緊軸通過磁力吸附螺釘。

d.當(dāng)視覺機(jī)器人帶門蓋貼近白車身時(shí)，第一次停止位置要保證與理論位置偏差在5 mm左右位置為宜，不宜過遠(yuǎn)或者過近。

7 結(jié)束語

調(diào)整線門蓋自動(dòng)裝配技術(shù)是通過機(jī)器人視覺抓取門蓋安裝到白車身，采用機(jī)器人自動(dòng)擰緊螺栓，自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)門蓋自動(dòng)裝配。其應(yīng)用前景廣泛，將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于各大主機(jī)廠，可取代傳統(tǒng)手動(dòng)裝配技術(shù)，提高生產(chǎn)能力，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品裝配精度，提高產(chǎn)品一致性，推動(dòng)市場良性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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