協(xié)作機器人在焊裝車間發(fā)泡件安裝中的應用

魏國興 王亭力 王志 宮正軍 林增宇 馬立新

（1.一汽模具制造有限公司，長春 130013；2.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，佛山 528237）

1 前言

隨著科技的不斷進步，特別是工業(yè)4.0 的到來，廣泛采用工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線已成為制造業(yè)的核心裝備。在智能制造時代，為了應對消費者日益增長的定制化產(chǎn)品的需求，智能工廠需要在有限空間內(nèi)充分利用現(xiàn)有資源，建設靈活、安全、可快速變化的智能生產(chǎn)線，為適應新產(chǎn)品的生產(chǎn)，更換生產(chǎn)線，縮短產(chǎn)品制造時間，需要靈活快速的生產(chǎn)單元來滿足這些需求，并提高制造企業(yè)產(chǎn)能和效率，降低成本，因此傳統(tǒng)工業(yè)機器人的不足逐漸凸顯。

a.部署成本高。設計一條由機器人和自動化設備組成的生產(chǎn)線，是一個系統(tǒng)工程，整個過程包括生產(chǎn)線的自動化方案、自動化設備的設計制造和安裝、符合工藝要求的機器人編程和調(diào)試、以及后續(xù)的培訓和維護工作，因此機器人的部署成本較高。

b.無法滿足中小企業(yè)需求。中小企業(yè)的產(chǎn)品一般以小批量、定制化、短周期為特征，沒有太多的資金對生產(chǎn)線進行大規(guī)模部署和改造，并且對產(chǎn)品的投資回報率更為敏感。這要求機器人具有較低的綜合成本、快速部署或者重新部署能力、簡單上手的使用方法，傳統(tǒng)機器人很難滿足。

c.無法滿足新興的協(xié)作市場需求。工業(yè)機器人一直以來都是高精度、高速度自動化設備的典范，在絕大多數(shù)工廠中出于安全性考慮，一般都要使用圍欄把機器人和人員進行隔離。而新興行業(yè)中的特點是產(chǎn)品種類很多、體積普遍不大、對操作人員的靈活度要求高。如果人和機器人之間要進行交互，整體效率低于單獨使用人。隨著機器人與人協(xié)同作業(yè)的需求越來越多，整個作業(yè)過程安全方便，高效智能，因此協(xié)作機器人逐漸興起。

2 協(xié)作機器人四要素

協(xié)作機器人是一種能在協(xié)作區(qū)域內(nèi)與人直接進行交互的機器人，如圖1 所示，區(qū)域1 是協(xié)作機器人單獨工作區(qū)域，區(qū)域2 是協(xié)作機器人與人直接進行交互的協(xié)作區(qū)域。與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比，特點主要有操作簡單、靈活方便、安全可靠、技術融合。

圖1 協(xié)作區(qū)域和工作區(qū)域

2.1 操作簡單

傳統(tǒng)機器人的使用難度較高，只有專業(yè)人士能夠熟練使用機器人完成配置、編程以及維護的工作，普通用戶很少具備這樣的能力。操作簡單是協(xié)作機器人設計的重點內(nèi)容，其中涉及具體技術包含各類圖形化編程、工藝內(nèi)容、示教形式、指令豐富程度、二次開發(fā)以及系統(tǒng)擴展性，離線輸出等。和傳統(tǒng)機器人的示教方式不同，操作人員可以直接拖著協(xié)作機器人各關節(jié)，運動到理想的姿態(tài)并記錄。拖動示教功能特性免去了傳統(tǒng)工業(yè)機器人復雜的編程和配置，使其操作簡單，操作人員不需要經(jīng)過系統(tǒng)的培訓和學習。為了提升協(xié)作機器人的可操作性，通過不斷對機器人的編程語言進行研究和優(yōu)化，無線示教、圖形化編程等技術日趨成熟，機器人行業(yè)的深溝壁壘已不復存在。

2.2 靈活方便

協(xié)作機器人的靈活方便既體現(xiàn)在本身靈活，也體現(xiàn)在布局靈活。協(xié)作機器人產(chǎn)品多數(shù)為6 軸及以上的多關節(jié)機器人，其本身質(zhì)量及負載較小，產(chǎn)品運輸和安裝形式靈活多樣。適用于柔性、靈活度和精準度要求較高的行業(yè)，滿足多種工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場及服務行業(yè)的操作需要。以傳統(tǒng)機器人為主的自動化生產(chǎn)線，機器人作為整個生產(chǎn)線中的重要組成部分，如果某個環(huán)節(jié)的機器人損壞，在沒有設計備份的情況下，整條生產(chǎn)線可能要停工。而協(xié)作機器人的獨立性很強，它代替的是單獨的人，二者之間可以互換，因此整個生產(chǎn)流程靈活性很高。

2.3 安全可靠

要使機器人與人更加親密地合作，人的安全必須首先得到保障，如今協(xié)作機器人在主動安全性方面已經(jīng)得到了加強。2016 年3 月，國際標準化組織針對協(xié)作機器人發(fā)布了最新的工業(yè)標準ISO/TS 15066: 2016 Robots and robotic devices-Collaborative robots 作為支持ISO 10218 的補充文檔，該標準進一步明確了協(xié)作機器人的設計細節(jié)及系統(tǒng)安全技術規(guī)范。ISO/TS 15066 中提到協(xié)作機器人使用以下四個安全措施。

a.安全等級受監(jiān)控的停止，一旦和人員發(fā)生觸碰，協(xié)作機器人立即停止動作；

b.手動示教，機器人只能在操作人員的控制下移動；

c.速度和分離監(jiān)控，當操作人員接近時，機器人會自動降低其速度，直至機器人將要被觸摸時停止；

d.功率和力限制，機器人在可攜帶的有效載荷以及如果意外撞到人身上會施加的力量受到限制。

2.4 技術融合

感知是機器人與人、機器人與環(huán)境、以及機器人之間進行交互的基礎。就感知技術而言，除了多傳感信息融合依然是研究熱點之外，機器人越發(fā)呈現(xiàn)出與腦神經(jīng)科學、生物技術、人工智能、認知科學、網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)技術等深度交叉融合的態(tài)勢。未來的研究方向為主動感知與自然交互理論及方法，更多傳感器加入，使機器人能夠理解人類發(fā)出的聲音、手勢和圖形指令。研究復雜動態(tài)環(huán)境下知識的主動獲取、學習與推理方法，視覺認知與基于動態(tài)環(huán)境的主動行為意圖理解與預測理論，機器人的自主學習與機器人知識增殖方法，以及多模態(tài)人機協(xié)作的態(tài)勢感知與自然交互方法[1]。實現(xiàn)機器人與人之間相互的意圖理解、信息交流，以及自然和諧的情感交互，不斷衍生出豐富的功能以適應不同的應用需求。

3 傳統(tǒng)安裝發(fā)泡件的方案

發(fā)泡件是一種由特種熱塑性橡膠、膨脹劑、勻泡劑、成核劑等組成的熱膨脹型空腔部件隔音材料，不含有機溶劑和毒害物質(zhì)，膨脹分解產(chǎn)物為氮氣、二氧化碳及少量水蒸氣，安全環(huán)保無污染。如圖2 所示，發(fā)泡件可在汽車的電泳、中涂、面漆工序中自然熱膨脹形成閉孔材料填充于空腔部件中，起到隔音作用，可同時適用于油面粘接和非油面粘接。具有體輕隔音效果好，可在溫度為150~180 ℃常壓高倍率膨脹，經(jīng)常用于汽車白車身總成產(chǎn)品上某些具有空腔的部位。

圖2 發(fā)泡件

焊裝線安裝發(fā)泡件通常有2 種方式，分別是使用發(fā)泡件設備和人工上件的形式。

3.1 使用發(fā)泡件設備

如圖3 所示，發(fā)泡件設備是一種能將一堆無序排列的發(fā)泡件在振動、旋轉(zhuǎn)的作用下，通過皮帶將發(fā)泡件按照一定的姿態(tài)送入軌道，在軌道末端，由專用的定位機構將發(fā)泡件定位，機器人將發(fā)泡件取走之后，后面的發(fā)泡件重復之前的動作。

圖3 發(fā)泡件設備

發(fā)泡設備由三部分組成，排列部分，滑道部分和末端定位部分。如圖4 所示，排列部分通常由電機及其一系列附件組成，操作人員將發(fā)泡件倒入料箱之后，發(fā)泡件通過皮帶進入到設備內(nèi)部，通過內(nèi)部的振動和旋轉(zhuǎn)，發(fā)泡件以相同的姿態(tài)排列出來。

圖4 排列部分

圖5 所示為發(fā)泡件設備的滑道部分，滑道上會停留一排發(fā)泡件，隨著發(fā)泡件不斷消耗，滑道上的發(fā)泡件源源不斷補充上來。

圖5 滑道部分

圖6 所示為發(fā)泡件設備末端定位裝置，為了提高重復定位精度，定位裝置會根據(jù)發(fā)泡件的形狀對其進行定位，保證每次抓取時精度一致，定位裝置安裝在滑臺上，機器人取完發(fā)泡件后，滑動去取下一個發(fā)泡件，并不斷重復此過程。

圖6 末端定位部分

3.2 人工上件

人工上件是發(fā)泡件安裝的形式之一，當機器人抓件放到放置臺后，工人手持2 個發(fā)泡件安裝到車身產(chǎn)品上，根據(jù)焊裝線體節(jié)拍為49 s，也就是每一個49 s，操作人員完成一次上件，表1 所示為人工上件的操作時序。

表1 工人上件動作時序

從表1 可以計算出一個工人的勞動時間為11.1 s，線體的節(jié)拍為49 s，如果在此工位單獨安排1 名工人，其負荷率為22.7%，負荷率較低。

4 協(xié)作機器人安裝發(fā)泡件的方案

使用發(fā)泡件設備可以減少人員的使用，但發(fā)泡件設備成本較高，一般由國外公司設計制造，如果發(fā)泡件的種類不止一種，則需要多種發(fā)泡件設備，與發(fā)泡件設備配合的機器人及抓具也增加了成本壓力；如果采用人工上件，人員的負荷率很低造成浪費，隨著生產(chǎn)年限積累，人力成本大大增加，如何平衡成本和人員負荷率成為了解決問題的關鍵。

使用協(xié)作機器人安裝發(fā)泡件的設計方案思路如下，將發(fā)泡件定位在放置臺上，使用協(xié)作機器人從放置臺上取發(fā)泡件，安裝在車身產(chǎn)品上。相比于工業(yè)機器人，協(xié)作機器人的成本更低，放置臺上的發(fā)泡件數(shù)量為60 個(左右各30 個)，工人可以在30 min 內(nèi)隨時補充放置臺上消耗的發(fā)泡件，而不需要49 s 一個循環(huán)原地等待。因此該位置無需配備專門的工人，附近工位的人員可以兼顧到此工位。

4.1 發(fā)泡件放置臺

發(fā)泡件放置臺（圖7）是用來放置發(fā)泡件的夾具，協(xié)作機器人手持抓具從放置臺上取件，放置臺上的發(fā)泡件數(shù)量為60 個，在線體正常生產(chǎn)的情況下，可保證半個小時內(nèi)的產(chǎn)品供應。每個發(fā)泡件下方裝有檢測開關，當位置上有發(fā)泡件時，協(xié)作機器人可以過來抓取，隨著發(fā)泡件的不斷消耗，工人隨時可以在放置臺上添加發(fā)泡件，保證協(xié)作機器人始終正常工作。在此工位上，人和協(xié)作機器人協(xié)同作業(yè)，不需要額外的安全設備對人進行保護。

圖7 發(fā)泡件放置臺

4.2 夾持氣爪設計和驗證

為了保證抓具能夠穩(wěn)定可靠地工作，氣缸的選型尤為重要，既能抓件穩(wěn)定，又能將抓具的負載控制在最小范圍。圖8 所示為夾持氣爪示意，該氣爪選用的是JMHZ2 系列的平行開閉型氣爪，導軌與夾爪的集成化結構，實現(xiàn)了高剛性和高精度。

圖8 夾持氣爪示意

圖9 為該氣爪的爆炸圖，主要由氣缸本體、夾爪部分、法蘭連接部分和外殼4 部分組成。氣缸本體用于提供夾持的動力；夾爪部分用于將發(fā)泡件夾持固定；法蘭連接部分的一端連接協(xié)作機器人的6 軸，一端連接氣缸的底部；外殼是將氣缸、電氣接頭等尖銳部分包裹起來，防止誤傷到操作人員。

圖9 夾持氣爪爆炸

氣爪氣缸的一個重要參數(shù)是氣缸的夾持力，協(xié)作機器人在夾持發(fā)泡件的過程中會產(chǎn)生加速度和沖擊力，如圖10 所示，氣缸的夾持力計算如下。

圖10 夾持力分析

式中，F(xiàn)為發(fā)泡件的夾持力；μ為摩擦因數(shù)（μ取0.1）；m為發(fā)泡件質(zhì)量；g為重力加速度；a為安全系數(shù)（a>1，這里取a=4）；

計算得到夾持力為發(fā)泡件質(zhì)量的20 倍，發(fā)泡件的質(zhì)量為0.05 kg，F(xiàn)=9.8 N。

因為夾持的是發(fā)泡件的外表面，如圖11 所示，受力點到氣缸表面的距離L=40 mm，從圖12 可以得出，當壓力為0.3 MPa 時，夾緊力約為10 N，滿足夾持力要求，所以選擇JMHZ2-12D 型氣缸。

圖11 受力距離示意

圖12 JMHZ2-12D夾持力和夾持點距離的關系

根據(jù)夾持力確定了氣缸型號之后，還需要校核氣缸所承受的外力矩是否滿足要求，JMHZ2-12D 的最大負荷和允許力矩如表2 和圖13 所示。

表2 JMHZ2-12D負荷與力矩參數(shù)

圖13 受力分析

夾爪抓取發(fā)泡的姿態(tài)如圖14 所示，經(jīng)過實測，發(fā)泡件插入車身產(chǎn)品的力約為Fv=10 N，小于垂直負載98 N。除了發(fā)泡件的插入的力，協(xié)作機器人在搬運發(fā)泡件的過程中還受到多方向的力矩，同樣需要校核。

圖14 抓取姿態(tài)

俯仰方向,加速度引起的力矩。如圖15 所示，連接件質(zhì)量（單側(cè)）m1 為0.05 kg，發(fā)泡件質(zhì)量m2 為0.05 kg，搬運的停止端產(chǎn)生的加速度A 為3 g（g 為重力加速度），F(xiàn)p的計算公式為：

圖15 俯仰方向受力

計算得出Fp=4.41 N，到連接件重心的距離La=0.02 m，Lb=0.05 m，俯仰力矩Mp的公式為：

計算得出Mp=0.13 N·m。

偏轉(zhuǎn)方向。加速度引起的力矩如圖16 所示，F(xiàn)y的計算公式同公式（2）。

圖16 偏轉(zhuǎn)方向受力

計算得出Fy=4.41 N，到連接件重心的距離La=0，Lb=0，所以My=0。

回轉(zhuǎn)方向。如圖17 所示，夾爪和發(fā)泡件的自重也會引起力矩，自重的力Fr的計算公式如下：

圖17 回轉(zhuǎn)方向受力

計算得出Fr=1.47 N，回轉(zhuǎn)力矩Mr的公式如下：

計算得出Mr=0.14 N·m。

負載率的計算公式為：

計算得出α=0.29，負載率小于1，且Fp、Fy和Fr都在最大負載為33 N 以下，因此氣缸的選擇和抓具的設計滿足使用要求。

4.3 機器人選型

影響機器人選型的因素包括末端工具的負載、機器人手臂的工作半徑以及重復定位精度等，發(fā)泡件的孔插入到車身產(chǎn)品的螺柱內(nèi)，與車身產(chǎn)品配合的部位為塑料件，誤差為±0.2 mm，而一般的協(xié)作機器人的誤差精度在±0.05 mm 以上，因此最終影響機器人選型的因素是夾持氣爪和發(fā)泡件負載以及機器人的工作半徑。

如圖18 所示，通過CATIA 軟件，將夾爪和發(fā)泡件填上密度信息，可以得到質(zhì)量和重心的位置，將以上信息應用在機器人的重心偏置距離和負載的曲線內(nèi)，如圖19 所示，滿足機器人的負載要求。

圖18 夾爪的重心位置

圖19 工具重心偏置距離和負載曲線

機器人的工作半徑需要同時覆蓋放置臺和車身產(chǎn)品發(fā)泡件的位置，根據(jù)實際工藝布局，選擇工作半徑為1 327 mm，選定的機器人型號為JAKA Zu 12（圖20），協(xié)作機器人質(zhì)量為41 kg，有效負載為12 kg，重復定位精度為±0.03 mm，滿足使用要求。表3 為協(xié)作機器人各個關節(jié)的動作范圍和最大速度。

表3 JAKA Zu 12運動參數(shù)

圖20 協(xié)作機器人

4.4 成本對比

通過對3 種方案進行詳細闡述，功能上都可以實現(xiàn)安裝發(fā)泡件的需求，但實際的成本卻有很大區(qū)別。表4 為2 種方案的外購件明細，僅發(fā)泡設備一項的成本就在百萬元以上，而一個發(fā)泡件的放置臺的成本在萬元左右，協(xié)作機器人的成本也低于工業(yè)機器人八角管抓具的體積遠大于夾持氣爪，成本也更高。人工上件方案的外購設備雖然只有安全光柵和激光掃描儀，但是隨著使用時間的增長，人工成本是一筆昂貴的支出，同時也會影響線體的自動化水平。通過對比可以得出結論，使用協(xié)作機器人方案成本更低。

表4 3種方案外購設備明細

5 結束語

使用協(xié)作機器人在焊裝車間安裝發(fā)泡件較好地平衡了人員使用和設備成本之間的關系，在二者之間找到了一種新的實現(xiàn)形式，焊裝車間其他工位的小型件同樣可借鑒本研究思路，同時為協(xié)作機器人的創(chuàng)新應用提供了一個很好的參考。隨著協(xié)作機器人不斷的發(fā)展和普及，未來會有越來越多的協(xié)作機器人應用于焊裝領域，人和機器協(xié)同作業(yè)將會大范圍進入公眾視野。