基于機(jī)器人自適應(yīng)滾邊技術(shù)的滾邊工藝驗(yàn)證

謝躍文 郝俊偉 陳志偉 李金寶 楊廣新 周林柱

摘要：為解決傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人滾邊方法依賴大量手動(dòng)調(diào)整，調(diào)試效率低且質(zhì)量控制困難的問(wèn)題，探討了工業(yè)機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具在滾邊壓合工藝中的應(yīng)用及其對(duì)滾邊質(zhì)量的提升效果，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了工業(yè)機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具在自適應(yīng)調(diào)節(jié)滾邊壓力方面的有效性，能夠顯著提高生產(chǎn)調(diào)試效率，探討了速度和壓力對(duì)滾邊質(zhì)量的影響以及如何通過(guò)監(jiān)控報(bào)警確保設(shè)備運(yùn)行的安全性。結(jié)果表明，自適應(yīng)滾邊系統(tǒng)能夠顯著改善滾邊壓合表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：滾邊壓合 自適應(yīng)滾邊系統(tǒng) 表面質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TH165+.2；U466?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230232

Verification of Rolling Process Based on Robot Adaptive Rolling Technology

Xie Yuewen， Hao Junwei， Chen Zhiwei， Li Jinbao， Yang Guangxin， Zhou Linzhu

（China FAW Group Co.， Ltd.， Changchun 130000）

Abstract： The traditional industrial robot rolling method relies heavily on manual adjustment， resulting in low debugging efficiency and difficult quality control. To address this issue， this article explored the application of industrial robot adaptive edge rolling tools in edge rolling pressing process and its effect on improving edge rolling quality. The effectiveness of industrial robot adaptive rolling tools in adaptively adjusting rolling pressure was verified through experiments， which can significantly improve production debugging efficiency. In addition， the article also discussed the effects of speed and pressure on the rolling quality， as well as how to ensure the safety of equipment operation through monitoring alarms. Research has shown that adaptive rolling systems can significantly improve the surface quality of rolling and pressing.

Key words： Rolling pressing， Adaptive rolling system， Surface quality

作者簡(jiǎn)介：謝躍文（1989—），男，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)榘总嚿砀采w件包邊工藝。

參考文獻(xiàn)引用格式：

謝躍文， 郝俊偉， 陳志偉， 等. 基于機(jī)器人自適應(yīng)滾邊技術(shù)的滾邊工藝驗(yàn)證[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 67-72.

XIE Y W， HAO J W， CHEN Z W， et al. Verification of Rolling Process Based on Robot Adaptive Rolling Technology[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 67-72.

1 前言

滾邊工藝是車身制造過(guò)程中的重要工藝之一，傳統(tǒng)的滾邊工藝通常需要大量人工調(diào)試，速度較慢且質(zhì)量難以控制。近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究關(guān)注如何利用力控傳感器實(shí)現(xiàn)滾邊工藝的自動(dòng)化和精度控制?；诹貍鞲衅髦圃斓臋C(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具為解決滾邊工藝中的人工操作帶來(lái)的速度低和質(zhì)量難以控制的問(wèn)題提供了新的思路和方法。

機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具在汽車制造方面有著廣泛的應(yīng)用前景，可以提高制造效率、降低成本、提升汽車品質(zhì)[1]。國(guó)內(nèi)外研究者在機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的研究成果，如ABB公司的機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具，利用氣缸平衡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Z軸方向上的壓力自適應(yīng)等，但對(duì)于滾邊質(zhì)量的驗(yàn)證和改進(jìn)還存在很大的提升空間。

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人滾邊壓合工藝設(shè)備對(duì)壓合力度的控制大多依靠工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，無(wú)法將參數(shù)量化，對(duì)調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)水平要求極高，耗時(shí)耗力。一般汽車前蓋滾邊壓合工序的調(diào)試周期在一周以上，產(chǎn)品工藝質(zhì)量隨著零件批次的變化而變化，因此，為提高生產(chǎn)效率，調(diào)試一直是產(chǎn)品生產(chǎn)加工過(guò)程中難以擺脫的環(huán)節(jié)[2]。少數(shù)帶有單維力度檢測(cè)調(diào)整的滾邊壓合工具，由于其受力結(jié)構(gòu)的原因難以滿足多個(gè)滾輪的力度檢測(cè)與調(diào)整。

本研究旨在探究基于機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具的滾邊質(zhì)量驗(yàn)證方法，具體內(nèi)容包括機(jī)器人自適應(yīng)滾邊技術(shù)原理分析、滾邊質(zhì)量及其影響因素分析、機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具的滾邊質(zhì)量驗(yàn)證試驗(yàn)、驗(yàn)證結(jié)果分析和結(jié)論與展望，研究方法主要包括文獻(xiàn)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析。

2 機(jī)器人自適應(yīng)滾邊技術(shù)

2.1 機(jī)器人自適應(yīng)滾邊技術(shù)原理

機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具是基于ABB機(jī)器人技術(shù)和ATI六維力矩傳感器技術(shù)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)方法將工業(yè)機(jī)器人、六維力矩傳感器、滾邊工具結(jié)合起來(lái)，把滾邊工具中滾輪與工件表面的接觸壓力傳遞到力控傳感器，力控傳感器將物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞至機(jī)器人控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾邊壓合過(guò)程中的力與力矩，通過(guò)算法程序調(diào)整機(jī)器人的工作位置和壓力，使得滾邊過(guò)程更加柔性、精準(zhǔn)和高效。圖1為本文采用的自適應(yīng)滾邊工具設(shè)計(jì)形式，圖2為控制原理。

2.2 自適應(yīng)滾邊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

自適應(yīng)滾邊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括選取合適的工業(yè)機(jī)器人型號(hào)、力與力矩傳感器型號(hào)、滾邊壓合工具和滾邊壓合參數(shù)等。通過(guò)優(yōu)化可進(jìn)一步提高滾邊的質(zhì)量和效率。本文驗(yàn)證試驗(yàn)主要部件型號(hào)選擇如表1所示。

3 滾邊質(zhì)量及其影響因素

3.1 滾邊質(zhì)量指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法

滾邊質(zhì)量指標(biāo)主要包括滾邊凸緣高度、滾邊寬度和滾邊角度、表面波浪、堆料等[3]。評(píng)價(jià)方法主要包括外觀檢查、尺寸檢查和強(qiáng)度檢查等。

3.2 滾邊質(zhì)量的影響因素

滾邊質(zhì)量的影響因素主要包括工業(yè)機(jī)器人的速度、壓力、沖壓件的翻邊角度等[4]。其中，壓力與速度控制在滾邊工藝中起著非常重要的作用，采集并分析滾邊壓力及速度，有助于優(yōu)化滾邊工藝效率和提高滾邊工藝質(zhì)量。本文著重對(duì)滾邊過(guò)程中的壓力與速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并予以驗(yàn)證。

4 基于自適應(yīng)滾邊技術(shù)的滾邊工藝驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

本文所用設(shè)備集成了自適應(yīng)滾邊工具（包含ATI六維力與力矩傳感器）、ABB工業(yè)機(jī)器人和汽車前蓋滾邊夾具，通過(guò)此平臺(tái)設(shè)備對(duì)滾邊工藝質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，仿真效果如圖3所示。圖4中該平臺(tái)通過(guò)ATI六維力與力矩傳感器完成力矩?cái)?shù)據(jù)采集，運(yùn)用采集到的壓力數(shù)據(jù)對(duì)滾邊工藝中的速度和壓力進(jìn)行優(yōu)化和控制以改進(jìn)滾邊質(zhì)量。

4.2 自適應(yīng)滾邊工具的主動(dòng)調(diào)整效果分析

設(shè)置2組對(duì)比試驗(yàn)，每組執(zhí)行多次滾邊試驗(yàn)，其中，第1組保證前蓋外板與胎膜夾具之間保持完全貼合，第2組試驗(yàn)在前蓋外板與胎膜夾具之間增加厚度為0.3 mm的墊片，模擬零件匹配不良的生產(chǎn)狀態(tài)（缺口、突起等），滾邊過(guò)程中機(jī)器人的運(yùn)行速度、壓力設(shè)置一致，采集壓力曲線進(jìn)行觀察分析，以探究零件間隙對(duì)滾邊過(guò)程的影響。

4.3 自適應(yīng)滾邊過(guò)程速度對(duì)質(zhì)量的影響

將機(jī)器人滾邊的速度分別設(shè)置為不同的值，并保證壓力恒定，工件表面無(wú)異常凸起狀態(tài)，采集壓力曲線進(jìn)行觀察分析，以探究速度對(duì)滾邊過(guò)程的影響。

4.4 自適應(yīng)滾邊過(guò)程壓力對(duì)質(zhì)量的影響

將機(jī)器人滾邊的壓力分別設(shè)置為不同的值，并保證速度設(shè)置恒定，采集壓力曲線進(jìn)行觀察分析，以探究壓力對(duì)滾邊質(zhì)量的影響。

4.5 自適應(yīng)滾邊調(diào)節(jié)過(guò)程中的壓力位置及速度監(jiān)控報(bào)警測(cè)試

將機(jī)器人的運(yùn)行速度或壓力設(shè)置為超出上限狀態(tài)，觀察機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)行日志信息。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前文分析的影響因素，分別設(shè)置了不同的滾邊參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，包括機(jī)器人的速度、壓力、工件表面貼合狀態(tài)等。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)采集到了大量關(guān)于滾邊質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分析和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具的自適應(yīng)效果對(duì)滾邊質(zhì)量的改進(jìn)非常顯著。

a. 設(shè)置機(jī)器人速度V恒定為100 mm/s，滾邊壓力Fz恒定為1 250 N，制造異常凸起狀態(tài)和完全貼合狀態(tài)，如圖5a所示，壓力曲線如圖5b所示。

對(duì)比圖5b與圖6b曲線可知：在零件貼合出現(xiàn)異常凸起時(shí)，自適應(yīng)滾邊工具依然能夠通過(guò)主動(dòng)調(diào)整保持滾邊壓合過(guò)程中的壓力恒定。

b. 設(shè)置機(jī)器人壓力Fz恒定為1 250 N，通過(guò)更改機(jī)器人速度進(jìn)行試驗(yàn)，采集壓力曲線。

由圖7中各曲線對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行速度小于150 mm/s時(shí)，自適應(yīng)滾邊工具能較好地保持恒壓狀態(tài)，隨著速度的提高，滾邊壓合力的波動(dòng)變大，對(duì)質(zhì)量影響較大。

c. 機(jī)器人速度V恒定為100 mm/s，通過(guò)更改壓力進(jìn)行試驗(yàn)，采集壓力曲線。該試驗(yàn)中，每段曲線對(duì)應(yīng)設(shè)置的壓力值如圖8所示。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)1 100 N

d. 機(jī)器人速度V恒定為100 mm/s，更改滾邊恒力值進(jìn)行試驗(yàn)，采集壓力曲線。

由圖10可知：自適應(yīng)滾邊工具可以很好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)壓力數(shù)值的調(diào)整，因此，可根據(jù)不同工件設(shè)置不同的壓力參數(shù)以改善滾邊質(zhì)量。

e. 當(dāng)機(jī)器人工具中心點(diǎn)（Tool Center Point，TCP）速度或壓力超出上限時(shí)，工業(yè)機(jī)器人停止運(yùn)行并產(chǎn)生如圖11、圖12所示的報(bào)警日志信息。本文中TCP速度與參數(shù)限制如表2所示。

5.3 滾邊質(zhì)量?jī)?yōu)化效果分析

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)改變滾邊參數(shù)，自適應(yīng)滾邊系統(tǒng)能夠有效保持滾邊壓力穩(wěn)定，前蓋風(fēng)窗波浪缺陷由C1改善為C，實(shí)現(xiàn)滾邊壓合表面質(zhì)量提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具的滾邊質(zhì)量驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了機(jī)器人自適應(yīng)滾邊工具通過(guò)滾邊壓力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)有效提高了生產(chǎn)調(diào)試效率，滾邊壓合過(guò)程可量化調(diào)整，無(wú)需對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行繁瑣復(fù)雜的軌跡示教工作，同時(shí)也保證了在加工過(guò)程中的壓力控制。但如何進(jìn)一步提高滾邊工藝的自動(dòng)化程度和精度控制需要繼續(xù)探索。

參考文獻(xiàn)：

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