高柔性高節(jié)拍下行李箱蓋自動(dòng)裝配方案設(shè)計(jì)

張 博，劉立東，任素云，黃 冠，程玉良

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 528237）

0 引言

白車身是現(xiàn)代汽車制造和生產(chǎn)的重要組成部分，主要由前圍分總成、后圍分總成、左右側(cè)圍分總成、地板分總成及頂蓋分總成等部分焊合而成。白車身生產(chǎn)流程包括由若干個(gè)沖壓單件焊接成分總成，由多個(gè)分總成焊接成車身骨架總成，至白車身。為保證組裝件和零件的互換性好及車身的外觀美觀，需要保證沖壓件及分總成的尺寸。白車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、易變形，其裝配匹配狀態(tài)直接關(guān)系著整車的外觀和質(zhì)量[1]。

汽車車身在加工和工藝裝配過程中，由于各種主客觀因素都會(huì)存在各種各樣的誤差，因此在白車身生產(chǎn)過程的最后一道裝配和調(diào)整工藝就顯得尤為重要，通?？赏ㄟ^四門兩蓋的調(diào)整工藝來使白車身的最終誤差在可接受范圍內(nèi)。目前各大整車制造廠中，對于白車身的裝配和調(diào)整工藝主要由人工使用各種檢輔具來完成[2]。由于人工裝配過程不可避免地會(huì)帶來一些不穩(wěn)定因素，在高節(jié)拍生產(chǎn)中通常需要多組人員進(jìn)行檢查和調(diào)整來保證白車身的匹配要求。這就造成了較多的人員投入、較低的生產(chǎn)效率，以及不穩(wěn)定的質(zhì)量狀態(tài)[3-6]。

白車身生產(chǎn)領(lǐng)域的自動(dòng)裝配主要是指四門兩蓋總成在白車身骨架上的裝配工藝。其基本工作原理：針對待裝配的總成，使用機(jī)器人進(jìn)行抓取至裝配位置，利用視覺系統(tǒng)對裝配位置各匹配點(diǎn)尺寸狀態(tài)進(jìn)行測量分析，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算各向調(diào)整量并傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)調(diào)整量調(diào)整裝配位置后，自動(dòng)擰緊機(jī)器人進(jìn)行擰緊完成整個(gè)裝配過程[7-10]。該裝配過程包含匹配調(diào)整過程，因此完成裝配后無需人工進(jìn)行調(diào)整，保證高精度高穩(wěn)定性質(zhì)量的同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。但由于整個(gè)方案涉及機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、擰緊系統(tǒng)等，成本較高，且對于多車型共線生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的方案復(fù)雜程度和資金投入往往成倍增加，因此并未得到普遍應(yīng)用[11-15]。

本文利用AGV、視覺引導(dǎo)及自適應(yīng)裝配系統(tǒng)來探究高節(jié)拍高柔性下白車身行李箱蓋的自動(dòng)裝配方案，旨在利用較低成本方案實(shí)現(xiàn)行李箱蓋的全自動(dòng)裝配，且保證裝配后不需人工再進(jìn)行調(diào)整。在柔性化多車型共線的生產(chǎn)車間，采用該方案可大幅減少人員投入并提高生產(chǎn)效率。

1 方案原理

1.1 工藝流程設(shè)計(jì)思考

AGV 小車運(yùn)送行李箱蓋總成到達(dá)工位后，由機(jī)器人進(jìn)行抓取，隨后交由裝配機(jī)器人進(jìn)行裝配，通過視覺系統(tǒng)計(jì)算最佳匹配位置，在調(diào)整后蓋位置后，完成整個(gè)自動(dòng)裝配過程。自動(dòng)裝配工藝流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)裝配工藝流程

整個(gè)工藝過程中，AGV 直接輸送物料至上料口位置，然后由機(jī)器人進(jìn)行抓取，無需人工介入。為實(shí)現(xiàn)多車型柔性，需在線旁設(shè)立多個(gè)上料口，上料口尺寸需根據(jù)行李箱蓋總成器具尺寸和AGV 運(yùn)行精度進(jìn)行設(shè)定。在三車型高生產(chǎn)節(jié)拍下，為保證空滿料架切換時(shí)不損失生產(chǎn)節(jié)拍，按傳統(tǒng)方式需設(shè)定至少6 個(gè)上料口。按此方式設(shè)計(jì)，會(huì)帶來另一個(gè)問題，如圖2 所示的過多上料口帶來的抓件節(jié)拍問題。抓件機(jī)器人抓取距離最遠(yuǎn)料框時(shí)，抓件節(jié)拍會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生產(chǎn)節(jié)拍（抓取C 車型時(shí)會(huì)因?yàn)镽01機(jī)器人行走距離過長而超節(jié)拍），帶來同時(shí)超過生產(chǎn)節(jié)拍的困境，因此在設(shè)置上料口方式上需尋求一種突破。

圖2 過多上料口帶來抓件節(jié)拍問題

AGV 自動(dòng)上件帶的第二個(gè)問題就是多車型下如何保證精確抓取。傳統(tǒng)方式會(huì)采用精定位器具和視覺引導(dǎo)方式配合進(jìn)行，但這樣會(huì)帶來大量高價(jià)值精定位器具的成本投入，以及后續(xù)精定位器具維護(hù)工作繁復(fù)成本高等問題，因此需對此進(jìn)行優(yōu)化。

在整個(gè)裝配過程最為關(guān)鍵的是自動(dòng)調(diào)整過程，本文將探究如何保證裝配質(zhì)量的一致性和高穩(wěn)定性。兩廂車行李箱蓋的鉸鏈一般會(huì)隨著總成裝配好，在裝配調(diào)整過程中如果鉸鏈相對于行李箱蓋位置固定，則會(huì)限制部分自由度，因此還需考慮在調(diào)整過程中進(jìn)行松釘調(diào)整。

1.2 方案實(shí)現(xiàn)原理

一般A 級車三廂車行李箱后蓋尺寸約為1 500 mm，普通AGV 運(yùn)行精度約為30 mm，再考慮器具框架尺寸以及上料口內(nèi)部必要的氣缸粗定位或?qū)蜍壍赖陌惭b，上料口尺寸需設(shè)置在2 000 mm 左右。整車裝配工位一般為6 000 mm，因此至少需要占用2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工位進(jìn)行相應(yīng)工藝設(shè)備布置?？紤]安全門、機(jī)器人柜、PLC 屏等附屬設(shè)備，最大可布置4 個(gè)上件口。這樣就給上料口料框切換問題帶來2種解決思路。

一種是將所有上料口設(shè)置成通用，即滿足所有車型料框進(jìn)入并識別相應(yīng)車型（通過AGV 信息交互進(jìn)行識別）后進(jìn)行定位夾緊，同時(shí)機(jī)器人進(jìn)入相應(yīng)車型抓件程序進(jìn)行抓件。在空滿交換時(shí)，通過識別料框中剩余零件個(gè)數(shù)，以及后續(xù)車身流排序比對，提前將零件儲備區(qū)AGV 進(jìn)行發(fā)車和進(jìn)入第4 個(gè)備用料框，從而完成在不損失節(jié)拍前提下的空滿料箱切換。這種方案要求各車型行李箱蓋尺寸不能差異太大，具備通用上件口的可能性。

第二種思路是在上料口的上層設(shè)置二層中轉(zhuǎn)儲備區(qū)，可利用白車身在工位內(nèi)運(yùn)行和定位夾緊的時(shí)間，完成儲備區(qū)零件的補(bǔ)充。隨后可以在空滿交換時(shí)使用儲備區(qū)零件保證正常生產(chǎn)即可。這種方案較為簡單，但同時(shí)也要求AGV 補(bǔ)貨時(shí)間不能太長（即零件儲備區(qū)不能離裝配工位距離太遠(yuǎn)），否則儲備區(qū)零件被消耗完畢后就會(huì)造成生產(chǎn)停臺。

這兩種思路都能有效解決高柔性前提下的上件節(jié)拍問題，可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。通用上料口解決方案如圖3所示。

圖3 通用上料口解決方案

對于非精定位器具抓件問題，在上料口安裝導(dǎo)向軌或定位氣缸，在AGV 帶料架進(jìn)入上料口后，定位氣缸對料架進(jìn)行粗定位。固定料架后，機(jī)器人帶視覺引導(dǎo)相機(jī)進(jìn)行尋件并抓件；通過粗定位抓件后將零件放至中轉(zhuǎn)臺進(jìn)行精定位，最終裝配機(jī)器人在中轉(zhuǎn)臺上實(shí)現(xiàn)對行李箱蓋的精準(zhǔn)抓取。通過這種中轉(zhuǎn)臺重新定位的方式，解決了非精定位器具抓件問題，提高了對零件定位的容忍度。同時(shí)還可以在中轉(zhuǎn)臺設(shè)置機(jī)械結(jié)構(gòu)對鉸鏈角度進(jìn)行校準(zhǔn)，確保安裝時(shí)能準(zhǔn)確進(jìn)入安裝孔。三車型柔性行李箱自動(dòng)裝配參考方案如圖4所示。

圖4 三車型柔性行李箱自動(dòng)裝配參考方案

在自動(dòng)調(diào)整過程中，對于行李箱蓋和車身骨架的匹配，通常僅關(guān)注幾個(gè)關(guān)鍵匹配點(diǎn)，確保后尾燈安裝后整體間隙均勻一致且對稱即可。對于關(guān)鍵匹配點(diǎn)，通常會(huì)制定監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行控制。自動(dòng)調(diào)整匹配過程同樣有兩種解決思路。第一種是通過視覺系統(tǒng)掃描測量實(shí)際匹配狀態(tài)后，在后臺進(jìn)行數(shù)字化虛擬模擬裝配計(jì)算，獲取最佳匹配位置后，輸出機(jī)器人調(diào)整量并完成裝配。將后蓋上關(guān)鍵匹配點(diǎn)數(shù)據(jù)選取出來，寫為矩陣M1，設(shè)置邊界條件（即合格范圍）[M上,M下]。根據(jù)實(shí)際車身骨架和行李箱蓋關(guān)鍵尺寸點(diǎn)尺寸，計(jì)算出一個(gè)Mx，使Mx∈[M上,M下]；因而得出機(jī)器人偏移量：A0=MX-M1。

通過賦予不同的邊界條件[M上,M下]可以得到不同匹配要求的車身。這種思路受目前建模和算法局限，尚未有成熟的模型，因此距離實(shí)際應(yīng)用尚有距離。

第二種是尋找一臺相對標(biāo)準(zhǔn)的車身骨架和行李箱蓋，通過手動(dòng)機(jī)器人示教至標(biāo)準(zhǔn)裝配位置，視覺系統(tǒng)掃描測量后，標(biāo)記為原點(diǎn)或參考點(diǎn)，此時(shí)通過3-2-1 剛性體定位原則確定車身骨架位置坐標(biāo)為O1，行李箱蓋位置為O2；在批量裝配過程中，視覺系統(tǒng)計(jì)算實(shí)際車身骨架位置為O′1，行李箱蓋位置為O′2；通過計(jì)算可得以下3 個(gè)偏移量（通常是以機(jī)器人坐標(biāo)系下的3×2矩陣）：

則可計(jì)算獲得機(jī)器人偏移量:

其中A0在標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)位置下為0，后續(xù)也可以根據(jù)不同的匹配要求進(jìn)行手動(dòng)賦值，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求裝配出不同匹配要求的車身。

2 硬件組成

根據(jù)前面的方案原理分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，制定符合現(xiàn)場當(dāng)前工藝布局條件下的行李箱蓋自動(dòng)裝配方案，整體工藝布局如圖5 所示。整個(gè)自動(dòng)裝配可依據(jù)功能劃分為自動(dòng)供料系統(tǒng)、車身傳輸和定位系統(tǒng)、工藝裝配系統(tǒng)、最佳匹配系統(tǒng)和自動(dòng)擰緊系統(tǒng)。

圖5 三車型柔性行李箱自動(dòng)裝配硬件構(gòu)成

其中，自動(dòng)供料系統(tǒng)包括AGV 小車、行李箱蓋總成料架、七軸工業(yè)機(jī)器人、抓件抓手及視覺引導(dǎo)系統(tǒng)、二層儲備架等硬件，通過Profinet通信協(xié)議，由PLC 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)料架自動(dòng)輸送到上件位置，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)抓件保證行李箱蓋的自動(dòng)上料。車身輸送和定位系統(tǒng)通過可升級滾床，實(shí)現(xiàn)車身的傳輸和定位，高位時(shí)進(jìn)行車身傳輸，到達(dá)工位后，滾床降低到低位，通過定位系統(tǒng)對車身進(jìn)行定位。工藝裝配系統(tǒng)、最佳匹配系統(tǒng)、自動(dòng)擰緊系統(tǒng)協(xié)同完成行李箱蓋到車身的裝配過程，共由3 個(gè)工業(yè)臺機(jī)器人、3 套抓件抓手、6 套視覺攝像頭、6 套自動(dòng)擰緊軸構(gòu)成，當(dāng)行李箱蓋和車身準(zhǔn)備就緒，裝配抓手抓取行李箱蓋，扣合到車身上完成預(yù)裝配；隨后最佳匹配系統(tǒng)介入，進(jìn)行預(yù)裝配狀態(tài)下匹配狀態(tài)測量分析，并計(jì)算出機(jī)器人偏移量，擰緊機(jī)器人對鉸鏈螺釘進(jìn)行擰松，在裝配機(jī)器人完成調(diào)整后再進(jìn)行復(fù)緊，完成整個(gè)裝配過程并進(jìn)行最終匹配結(jié)果的測量和記錄。

3 控制系統(tǒng)

整個(gè)自動(dòng)裝配過程由現(xiàn)場PLC 進(jìn)行控制，由工位主PLC與RFID車型識別掃描器、AGV服務(wù)器、各工業(yè)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)服務(wù)器及擰緊系統(tǒng)服務(wù)器構(gòu)成。整體架構(gòu)布置如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)場采用KUKA 工業(yè)機(jī)器人，可作為獨(dú)立控制單元對視覺系統(tǒng)、自動(dòng)擰緊系統(tǒng)進(jìn)行交互控制，保證整個(gè)裝配過程的通暢。同時(shí)，為了保證自動(dòng)供件的節(jié)拍，在抓件設(shè)計(jì)時(shí)提供提前2個(gè)工位的車型隊(duì)列，確保提前供件。

在安全控制上，遵循大眾VASS05 標(biāo)準(zhǔn)，通過光柵、區(qū)掃、安全門鎖等終端設(shè)備構(gòu)建安全回路，保證出現(xiàn)故障時(shí)設(shè)備和操作人員的安全。

4 測試驗(yàn)證與結(jié)果分析

經(jīng)過現(xiàn)場設(shè)備安裝和調(diào)試，最終投入運(yùn)行，整個(gè)自動(dòng)裝配工位開動(dòng)率能穩(wěn)定達(dá)到95%以上，裝配一致性通過單臺車重復(fù)安裝25 次，選取匹配重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)（見圖7）平度（F）和間隙（G）兩個(gè)數(shù)據(jù)共8組，計(jì)算一致性結(jié)果如表1所示。由表可知，A 車型自動(dòng)裝配具備高度一致性，裝配質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

表1 A車型自動(dòng)裝配重復(fù)精度

圖7 重點(diǎn)匹配點(diǎn)選擇

選取某一天自動(dòng)裝配后的最終測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果如表2 所示。由表可知，整體裝配精度能達(dá)到0.5 mm，合格率達(dá)到95%以上。

表2 各車型自動(dòng)裝配精度和合格率

5 結(jié)束語

本文通過研究兩廂車行李箱蓋自動(dòng)裝配工藝的實(shí)現(xiàn)，探討在高柔性高節(jié)拍前提下，一種行李箱蓋自動(dòng)裝配工藝的方案設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)探究了如何在多車型柔性下保證切換節(jié)拍，并提出了可行的兩種方案和優(yōu)劣勢；同時(shí)對最佳匹配實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了深入分析，提出了理論上可行的兩種解決思路，為自動(dòng)裝配工藝的廣泛應(yīng)用提供參考。同時(shí)，在工廠進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了通過AGV 實(shí)現(xiàn)行李箱蓋的自動(dòng)配送、雙層料庫系統(tǒng)、視覺引導(dǎo)抓件、最佳匹配自動(dòng)裝配系統(tǒng)、柔性自動(dòng)擰緊系統(tǒng)的自動(dòng)裝配系統(tǒng)能穩(wěn)定滿足生產(chǎn)現(xiàn)場三車型高柔性和60JPH的高節(jié)拍生產(chǎn)，且裝配精度穩(wěn)定達(dá)到0.5 mm，裝配合格率達(dá)到95%。