費(fèi)勁，劉德志

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廣汽本田汽車(chē)制造總裝車(chē)間自動(dòng)化淺析

費(fèi)勁，劉德志

（廣汽本田汽車(chē)有限公司總裝部，廣東 廣州 510700）

文章主要研究汽車(chē)制造總裝車(chē)間的設(shè)備自動(dòng)化，就總裝車(chē)間自動(dòng)化設(shè)備特點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行分析和闡述，并提出相應(yīng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)途徑和案例，最后對(duì)總裝車(chē)間后續(xù)自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

汽車(chē)制造；總裝車(chē)間；自動(dòng)化

1 汽車(chē)生產(chǎn)中總裝車(chē)間特點(diǎn)

汽車(chē)裝配主要由沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大工藝車(chē)間組成。總裝車(chē)間的任務(wù)是將車(chē)體所有零件裝配到白車(chē)身上，不同車(chē)型零件點(diǎn)數(shù)不一，一般在1000點(diǎn)以上(單個(gè)零件及總成件)。裝配工作主要以流水線(xiàn)方式組織，每個(gè)流水線(xiàn)崗位完成固定工作內(nèi)容，裝配節(jié)拍主流在30-70JPH（臺(tái)/小時(shí)）之間[1]?？傃b車(chē)間這種裝配零件多、形狀各異、功能不同，而生產(chǎn)工位總是處于流水線(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)下的特點(diǎn)，決定了它主要以人工裝配為主，事實(shí)上，總裝車(chē)間的工人數(shù)量總是全工藝各車(chē)間中最多的[2]。

2 總裝車(chē)間自動(dòng)化水平現(xiàn)狀

總裝車(chē)間設(shè)備主要有流水線(xiàn)輸送設(shè)備，如：積放式、摩擦式吊具線(xiàn)，滑板線(xiàn)、板鏈線(xiàn)等，以及實(shí)現(xiàn)某種單一功能的單機(jī)設(shè)備，如：液體加注，銘牌打刻，防盜登錄等，和為降低人體作業(yè)強(qiáng)度，輔助人工搬運(yùn)的各種大零件氣動(dòng)輔具，如：電池、座椅、車(chē)門(mén)輔具等。

近年來(lái)在品質(zhì)提升、人員效率提升、操作負(fù)荷減輕、作業(yè)環(huán)境改善等需求指引下，結(jié)合技術(shù)的發(fā)展，尤其是隨著機(jī)器人等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的普及，各個(gè)汽車(chē)制造公司都在大力開(kāi)展自動(dòng)化改造和提升，目前主流汽車(chē)行業(yè)新工廠在沖、焊、涂車(chē)間的自動(dòng)化程度普遍達(dá)到80%-90%，但總裝車(chē)間由于其工藝特點(diǎn)和限制條件，卻只能將自動(dòng)化程度提升到8-15%。

3 總裝車(chē)間自動(dòng)化實(shí)施的難點(diǎn)

結(jié)合自動(dòng)化設(shè)備特點(diǎn)，就廣汽本田的實(shí)際情況，總裝車(chē)間實(shí)施自動(dòng)化的難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 作業(yè)內(nèi)容多樣化

沖壓主要以板材沖壓成型為主，焊裝以白車(chē)身焊接為主，涂裝以白車(chē)身噴涂為主，其作業(yè)內(nèi)容均相對(duì)比較集中，各工序、各工位之間作業(yè)內(nèi)容基本一致，所以自動(dòng)化設(shè)備一旦在技術(shù)上獲得突破，在一個(gè)工序?qū)崿F(xiàn)，就很容易在整個(gè)車(chē)間全工序展開(kāi)。而總裝車(chē)間的作業(yè)內(nèi)容涉及非常多，主要由：螺栓擰緊、密封塞安裝、飾件膠條安裝、插頭連接等等，即使是同樣的內(nèi)容，其安裝零件、位置不同，也會(huì)有很大差異。如果采用設(shè)備作業(yè)，必須針對(duì)某一個(gè)特定工程內(nèi)容進(jìn)行分析，并采取特有的設(shè)計(jì)方案，才有可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配[3]。

3.2 裝配配合柔性程度高

由于總裝車(chē)間主要工作是白車(chē)身之外零件的裝配，其中的線(xiàn)束、膠釘、飾件、液體管路等全都是柔性部件，無(wú)法像剛性部件一樣把持和安裝。與車(chē)身的配合常常是過(guò)盈配合，安裝的力度需要人手感覺(jué)，而這種柔性、模糊的判斷恰恰是機(jī)器人等設(shè)備相比于人的弱項(xiàng)。

3.3 相對(duì)裝配位置關(guān)系不確定性大

首先，如焊裝車(chē)間，其自動(dòng)化工位采用的是“靜止-移動(dòng)”，間歇式的搬運(yùn)流動(dòng)方式，其自動(dòng)化裝配工作都是在車(chē)體靜止的情況下完成的。而所有總裝車(chē)間采用的都是流水線(xiàn)的輸送方式，每個(gè)工位和每個(gè)工位之間都是連續(xù)的，產(chǎn)品車(chē)在連續(xù)的輸送線(xiàn)上流動(dòng)，在每個(gè)工位上都不會(huì)靜止停留，如果要實(shí)現(xiàn)在流動(dòng)的車(chē)體上完成零件的裝配，就需要設(shè)備保持與車(chē)體絕對(duì)的跟隨，絕對(duì)的相對(duì)靜止，但每一條生產(chǎn)線(xiàn)上分布著多個(gè)崗位，當(dāng)任何一個(gè)崗位出現(xiàn)異常，如裝配流崗，需要暫停進(jìn)行異常處理的時(shí)候，生產(chǎn)線(xiàn)都會(huì)停止，這時(shí)設(shè)備與車(chē)體的隨行就會(huì)被打破，自動(dòng)化裝配工作就無(wú)法進(jìn)行。而如果選擇將車(chē)體靜止下來(lái)，設(shè)備再進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)，為保持與生產(chǎn)線(xiàn)的聯(lián)接，就需要設(shè)置靜止車(chē)位、快進(jìn)快出車(chē)位，造成車(chē)位的數(shù)量損失。

其次，類(lèi)似于焊裝車(chē)間，其白車(chē)身部件在輸送載具（如滑橇等）上固定是依靠高精度的夾具定位、固定的，其精度可以保證設(shè)備作業(yè)的準(zhǔn)確性和一致性?？傃b車(chē)間的載具在設(shè)計(jì)時(shí)，一般并不會(huì)考慮如此高的精度，而且車(chē)體在載具上并不會(huì)嚴(yán)格定位、固定（主要基于成本考慮），如此到達(dá)每個(gè)工位的車(chē)體在三維位置上就會(huì)有所偏差，這種偏差（一般會(huì)達(dá)到5mm以上），對(duì)自動(dòng)化安裝來(lái)講是難以克服的。

3.4 舊生產(chǎn)線(xiàn)改造難度大

新建工廠可以在規(guī)劃階段考慮在自動(dòng)化設(shè)備布局，相當(dāng)于在一張白紙上繪制藍(lán)圖。而在舊生產(chǎn)線(xiàn)上改造，既要考慮改造后的效果，又要確保現(xiàn)有生產(chǎn)不被影響，而且舊生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃是并未預(yù)留自動(dòng)化設(shè)備的空間，要在現(xiàn)有空間、配合條件下設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)備，其難度就成倍加大了。

綜上，在總裝車(chē)間，尤其是在已經(jīng)建成的總裝車(chē)間提升自動(dòng)化水平，難度還是比較大的。當(dāng)然，也并不是說(shuō)完全沒(méi)有可能。在規(guī)劃自動(dòng)化設(shè)備的時(shí)候，務(wù)必要考慮總裝車(chē)間的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際情況，采取提升定位精度，消除定位誤差的方法，針對(duì)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配的零件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)備。

4 廣汽本田總裝車(chē)間自動(dòng)化項(xiàng)目介紹

為解決上述難點(diǎn)問(wèn)題，廣汽本田總裝車(chē)間通過(guò)采取集約化設(shè)備布置方式，使自動(dòng)化設(shè)備最小化占用車(chē)位。同時(shí)，導(dǎo)入視覺(jué)引導(dǎo)等技術(shù)，配合機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備，吸收不同載具、不同車(chē)體的重復(fù)定位誤差，實(shí)現(xiàn)了部分零部件裝配自動(dòng)化，下面介紹幾個(gè)成功案例。

4.1 集約化設(shè)備布置方式

主要是通過(guò)工程調(diào)整，將部分自動(dòng)化安裝工程整合在一個(gè)或幾個(gè)連續(xù)工位，不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，還可以減少對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)工位的需求。

如圖1所示，原有生產(chǎn)線(xiàn)輪胎安裝①、備胎投入②、車(chē)身加強(qiáng)劑涂布③、前/后擋玻璃安裝④、⑤分布在不同位置，相關(guān)設(shè)備、物流、操作人員占用生產(chǎn)線(xiàn)7個(gè)車(chē)位。

圖1 原有設(shè)備布局

如圖2所示通過(guò)工程集約化調(diào)整，將以上工程全部集中在一個(gè)區(qū)域，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化安裝，輪胎自動(dòng)安裝和備胎自動(dòng)投入①，車(chē)身加強(qiáng)劑自動(dòng)涂布②，前后擋玻璃自動(dòng)安裝③，只占用5個(gè)有效車(chē)位，不僅吸收了因自動(dòng)化而增加的靜止車(chē)位和快進(jìn)快出車(chē)位，而且還釋放了2個(gè)有效車(chē)位，為生產(chǎn)線(xiàn)更多改善提供了可能。

圖2 集約化布置自動(dòng)化設(shè)備

4.2 視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)與機(jī)器人結(jié)合

通過(guò)攝像頭拍攝圖像，尋找特征點(diǎn)，再進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比與基本圖像之間的位置關(guān)系，計(jì)算出三維移動(dòng)量，將結(jié)果傳輸給機(jī)器人，指揮其進(jìn)行位置調(diào)整，就如同賦予了機(jī)器人眼睛，可以適應(yīng)柔性化的零件，且不再需要非常準(zhǔn)確的定位精度。

如圖3所示案例，要實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)防水膠自動(dòng)涂布，但由于原有車(chē)門(mén)載具并未考慮精確定位，車(chē)門(mén)在其上放置的定位精度不高，不同載具、不同車(chē)門(mén)之間的位置關(guān)系差異較大，且在6個(gè)自由度（x、y、z、Rx、Ry、Rz）都有偏差，最大偏差可達(dá)移動(dòng)量50mm，旋轉(zhuǎn)量3°。

圖3 車(chē)門(mén)及吊具

如圖4所示通過(guò)導(dǎo)入視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)，以雙目視覺(jué)配合線(xiàn)激光的方式，以雙目2D相機(jī)進(jìn)行x、y、Rz精定位，以3D線(xiàn)激光進(jìn)行Rx、Ry、Z精定位。最終克服車(chē)門(mén)工件的位置偏差，引導(dǎo)機(jī)器人對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行涂膠，確保軌跡正確。

圖4 車(chē)門(mén)視覺(jué)定位原理

該項(xiàng)目中視覺(jué)定位技術(shù)、載具夾緊技術(shù)等已經(jīng)申請(qǐng)相應(yīng)專(zhuān)利。

在廣汽本田總裝車(chē)間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品車(chē)前后擋玻璃的自動(dòng)安裝的案例中，項(xiàng)目的難點(diǎn)在于玻璃安裝的精度要求非常高的（±0.5mm），光靠機(jī)械定位是比較難實(shí)現(xiàn)如此高的精度要求。為此，項(xiàng)目組導(dǎo)入了3D激光線(xiàn)束掃描技術(shù)，對(duì)機(jī)器人自動(dòng)安裝進(jìn)行引導(dǎo)。

圖5 車(chē)體窗框視覺(jué)定位

如圖5所示，激光器發(fā)出線(xiàn)束投射到車(chē)身門(mén)框上，在門(mén)框輪廓上反射線(xiàn)束被相機(jī)傳感器捕捉，通過(guò)測(cè)量投射激光與接收激光之間的距離—基成長(zhǎng)T，根據(jù)三角測(cè)量的原理，就可以計(jì)算出激光投射部位的空間位置，通過(guò)對(duì)窗框一段距離的連續(xù)掃描，將其空間位置擬合在一起，就可以形成窗框輪廓整體的空間位置，再與基準(zhǔn)模板位置進(jìn)行比較，就可以計(jì)算出此次車(chē)體偏移的空間量，針對(duì)這偏移空間量進(jìn)行補(bǔ)償，就可以引導(dǎo)安裝機(jī)器人將玻璃準(zhǔn)確的安裝到車(chē)身門(mén)框上。

5 總裝車(chē)間自動(dòng)化趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)

5.1 視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展

目前視覺(jué)技術(shù)已取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在硬件上，攝像頭像素已普遍提升至500萬(wàn)甚至1000萬(wàn)以上，拍攝精度越來(lái)越高[4]，而隨著各種LED光源的發(fā)展和普及，通過(guò)紅外、頻閃等打光策略，可以對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用場(chǎng)合的目標(biāo)物體進(jìn)行全方位無(wú)死角的圖像還原。在軟件方面，各種算法層出不窮，雙目、激光掃描等應(yīng)用方式越來(lái)越穩(wěn)定，可以解決大部分工業(yè)應(yīng)用痛點(diǎn)[5]。而隨著深度自我學(xué)習(xí)系統(tǒng)的導(dǎo)入，使視覺(jué)系統(tǒng)在使用中，通過(guò)獲取的大量數(shù)據(jù)、圖像，可以逐步自我優(yōu)化參數(shù)，并針對(duì)個(gè)別非人工試教的變化點(diǎn)，自我擬合策略進(jìn)行適應(yīng)，大大提升系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和適應(yīng)性。

視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)就像給機(jī)器人裝上了一對(duì)“眼睛”，在機(jī)器人精度高，重復(fù)度好的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，增加了整體系統(tǒng)的柔性，恰好可以解決總裝自動(dòng)化應(yīng)用需求的問(wèn)題[6]。

另外，視覺(jué)技術(shù)還可以大量應(yīng)用于總裝現(xiàn)場(chǎng)的各檢查確認(rèn)環(huán)節(jié)，如車(chē)身間隙、段差檢查，零件漏裝檢查，零件規(guī)格檢查等，提升制造過(guò)程的工序保證能力。

5.2 協(xié)作機(jī)器人

傳統(tǒng)概念的機(jī)器人在安全方面對(duì)人是不友好的，為確保安全，必須將機(jī)器人活動(dòng)區(qū)域用圍欄隔開(kāi)。但在總裝車(chē)間，很多裝配環(huán)節(jié)是需要人和設(shè)備共同配合的，如機(jī)器人負(fù)責(zé)粗重零件的拿取，人負(fù)責(zé)裝配位置確定并固定，這些場(chǎng)合就需要機(jī)器人在安全方面變得對(duì)人友好，可以與人協(xié)調(diào)，一起完成工作。

圖6 人機(jī)協(xié)作示意圖

圖7 人機(jī)協(xié)作實(shí)例

如圖6、7所示，協(xié)作機(jī)器人的誕生恰恰滿(mǎn)足了此類(lèi)需求，由于其安全設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，使得機(jī)器人可以與人在同一空間配合作業(yè)，不再需要圍欄圍蔽。這樣的特點(diǎn)正好契合總裝車(chē)間的需求，在重物搬運(yùn)、精細(xì)作業(yè)等環(huán)節(jié)，可以替代人工的一部分作業(yè)內(nèi)容，有著廣闊的應(yīng)用空間[7]。

5.3 可穿戴外骨骼機(jī)器人

總裝車(chē)間的特點(diǎn)，決定了其自動(dòng)化水平肯定是要低于其余領(lǐng)域的，雖然隨著上述技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化水平提升有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但仍有大量的工作需要人手完成。隨著國(guó)家法律法規(guī)對(duì)職業(yè)健康保護(hù)方面越來(lái)越嚴(yán)格，操作者對(duì)這方面的需求也越來(lái)越迫切。如何讓操作者更為輕便、舒適的作業(yè)，降低其作業(yè)強(qiáng)度，也是總裝車(chē)間自動(dòng)化設(shè)備發(fā)展的一個(gè)大的趨勢(shì)。在這方面，可穿戴外骨骼機(jī)器人開(kāi)拓了新的方向[8]。通過(guò)這種設(shè)備的穿戴，為人工提供額外的助力，如圖8所示，降低了人工重物搬運(yùn)的負(fù)擔(dān)，如圖9所示減輕了特殊作業(yè)姿勢(shì)下的疲勞強(qiáng)度。類(lèi)似案例已經(jīng)可以在寶馬全球各工廠中看到。

圖8 可穿戴外骨骼機(jī)器人降低負(fù)重

圖9 可穿戴外骨骼機(jī)器人降低特殊姿勢(shì)疲勞強(qiáng)度

6 結(jié)論

通過(guò)機(jī)器人、視覺(jué)引導(dǎo)等技術(shù)的導(dǎo)入與逐漸成熟，與總裝車(chē)間固有的特點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了過(guò)往很多無(wú)法想象的技術(shù)應(yīng)用。總裝車(chē)間作為操作人員最多的領(lǐng)域，其應(yīng)用自動(dòng)化以提升效率的需求和潛力是非常大的，今后隨著視覺(jué)、協(xié)作機(jī)器人、可穿戴外骨骼機(jī)器人等技術(shù)的快速發(fā)展，總裝車(chē)間自動(dòng)化必將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間[9]。

[1] 劉強(qiáng),孫志金. 淺談汽車(chē)總裝工藝規(guī)劃設(shè)計(jì).內(nèi)燃機(jī)與配件,2018, (5):30.

[2] 崔永,魏夫忠.淺談汽車(chē)總裝工藝布局調(diào)整及改造的研究與實(shí)現(xiàn). 科學(xué)中國(guó)人,2016,(29):21.

[3] 付月.國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用和面臨問(wèn)題.科學(xué)大眾:科學(xué)教育,2015,(9):187-188.

[4] 寧立濤,李正祥.基于VMT 的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在汽車(chē)沖壓線(xiàn)的應(yīng)用. 設(shè)備管理與維修,2016,(9):9.

[5] 胥磊.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望.設(shè)備管理與維修,2016,(9): 7.

[6] 李延浩.機(jī)器視覺(jué)在多領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用.電子技術(shù)與軟件工程,2018, (6):93.

[7] 胡明偉,王紅光,潘新安,等.一種協(xié)作型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能分析與仿真.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2017,12(1):75-81.

[8] 張佳林,黎蘭,劉相新.可穿戴外骨骼機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用研究.機(jī)械與電子,2018,36(3):77-80.

[9] 趙睿,李楠.淺談汽車(chē)制造行業(yè)中自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì).數(shù)碼世界, 2015,(8):48-49.

Brief probe into automation in the field of automobile manufacturing assembly process

Fei Jin, Liu Dezhi

(Guangqi Honda Automobile Co., Ltd. Assembly Frame Division, Guangdong Guangzhou 510700 )

This paper mainly studies the equipment automation in the field of automobile manufacturing assembly, The characteristics and difficulties of automation equipment in assembly field are analyzed and expounded, Meanwhile, the ways and cases of realizing automation are put forward, Finally, the future development direction of automation in assembly field is prospected.

Automobile manufactory; assembling department; Automation

U466

A

1671-7988(2019)09-195-04

U466

A

1671-7988(2019)09-195-04

費(fèi)勁，博士研究生，總裝部部長(zhǎng)，高級(jí)工程師，就職于廣汽本田汽車(chē)有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.063