費勁，劉德志

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廣汽本田汽車制造總裝車間自動化淺析

費勁，劉德志

（廣汽本田汽車有限公司總裝部，廣東 廣州 510700）

文章主要研究汽車制造總裝車間的設(shè)備自動化，就總裝車間自動化設(shè)備特點、難點進行分析和闡述，并提出相應(yīng)自動化實現(xiàn)途徑和案例，最后對總裝車間后續(xù)自動化發(fā)展趨勢進行展望。

汽車制造；總裝車間；自動化

1 汽車生產(chǎn)中總裝車間特點

汽車裝配主要由沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大工藝車間組成。總裝車間的任務(wù)是將車體所有零件裝配到白車身上，不同車型零件點數(shù)不一，一般在1000點以上(單個零件及總成件)。裝配工作主要以流水線方式組織，每個流水線崗位完成固定工作內(nèi)容，裝配節(jié)拍主流在30-70JPH（臺/小時）之間[1]?？傃b車間這種裝配零件多、形狀各異、功能不同，而生產(chǎn)工位總是處于流水線移動狀態(tài)下的特點，決定了它主要以人工裝配為主，事實上，總裝車間的工人數(shù)量總是全工藝各車間中最多的[2]。

2 總裝車間自動化水平現(xiàn)狀

總裝車間設(shè)備主要有流水線輸送設(shè)備，如：積放式、摩擦式吊具線，滑板線、板鏈線等，以及實現(xiàn)某種單一功能的單機設(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)強度，輔助人工搬運的各種大零件氣動輔具，如：電池、座椅、車門輔具等。

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

3 總裝車間自動化實施的難點

結(jié)合自動化設(shè)備特點，就廣汽本田的實際情況，總裝車間實施自動化的難點主要有以下幾個方面。

3.1 作業(yè)內(nèi)容多樣化

沖壓主要以板材沖壓成型為主，焊裝以白車身焊接為主，涂裝以白車身噴涂為主，其作業(yè)內(nèi)容均相對比較集中，各工序、各工位之間作業(yè)內(nèi)容基本一致，所以自動化設(shè)備一旦在技術(shù)上獲得突破，在一個工序?qū)崿F(xiàn)，就很容易在整個車間全工序展開。而總裝車間的作業(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，也會有很大差異。如果采用設(shè)備作業(yè)，必須針對某一個特定工程內(nèi)容進行分析，并采取特有的設(shè)計方案，才有可能實現(xiàn)自動化裝配[3]。

3.2 裝配配合柔性程度高

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

3.3 相對裝配位置關(guān)系不確定性大

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

其次，類似于焊裝車間，其白車身部件在輸送載具（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)的準確性和一致性。總裝車間的載具在設(shè)計時，一般并不會考慮如此高的精度，而且車體在載具上并不會嚴格定位、固定（主要基于成本考慮），如此到達每個工位的車體在三維位置上就會有所偏差，這種偏差（一般會達到5mm以上），對自動化安裝來講是難以克服的。

3.4 舊生產(chǎn)線改造難度大

新建工廠可以在規(guī)劃階段考慮在自動化設(shè)備布局，相當于在一張白紙上繪制藍圖。而在舊生產(chǎn)線上改造，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)線規(guī)劃是并未預(yù)留自動化設(shè)備的空間，要在現(xiàn)有空間、配合條件下設(shè)計自動化設(shè)備，其難度就成倍加大了。

綜上，在總裝車間，尤其是在已經(jīng)建成的總裝車間提升自動化水平，難度還是比較大的。當然，也并不是說完全沒有可能。在規(guī)劃自動化設(shè)備的時候，務(wù)必要考慮總裝車間的特點，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)線的實際情況，采取提升定位精度，消除定位誤差的方法，針對要實現(xiàn)自動化裝配的零件特點，設(shè)計自動化設(shè)備。

4 廣汽本田總裝車間自動化項目介紹

為解決上述難點問題，廣汽本田總裝車間通過采取集約化設(shè)備布置方式，使自動化設(shè)備最小化占用車位。同時，導(dǎo)入視覺引導(dǎo)等技術(shù)，配合機器人等自動化設(shè)備，吸收不同載具、不同車體的重復(fù)定位誤差，實現(xiàn)了部分零部件裝配自動化，下面介紹幾個成功案例。

4.1 集約化設(shè)備布置方式

主要是通過工程調(diào)整，將部分自動化安裝工程整合在一個或幾個連續(xù)工位，不僅可以實現(xiàn)自動化裝配，還可以減少對生產(chǎn)線工位的需求。

如圖1所示，原有生產(chǎn)線輪胎安裝①、備胎投入②、車身加強劑涂布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7個車位。

圖1 原有設(shè)備布局

如圖2所示通過工程集約化調(diào)整，將以上工程全部集中在一個區(qū)域，并實現(xiàn)自動化安裝，輪胎自動安裝和備胎自動投入①，車身加強劑自動涂布②，前后擋玻璃自動安裝③，只占用5個有效車位，不僅吸收了因自動化而增加的靜止車位和快進快出車位，而且還釋放了2個有效車位，為生產(chǎn)線更多改善提供了可能。

圖2 集約化布置自動化設(shè)備

4.2 視覺引導(dǎo)技術(shù)與機器人結(jié)合

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

如圖3所示案例，要實現(xiàn)車門防水膠自動涂布，但由于原有車門載具并未考慮精確定位，車門在其上放置的定位精度不高，不同載具、不同車門之間的位置關(guān)系差異較大，且在6個自由度（x、y、z、Rx、Ry、Rz）都有偏差，最大偏差可達移動量50mm，旋轉(zhuǎn)量3°。

圖3 車門及吊具

如圖4所示通過導(dǎo)入視覺引導(dǎo)技術(shù)，以雙目視覺配合線激光的方式，以雙目2D相機進行x、y、Rz精定位，以3D線激光進行Rx、Ry、Z精定位。最終克服車門工件的位置偏差，引導(dǎo)機器人對車門進行涂膠，確保軌跡正確。

圖4 車門視覺定位原理

該項目中視覺定位技術(shù)、載具夾緊技術(shù)等已經(jīng)申請相應(yīng)專利。

在廣汽本田總裝車間實現(xiàn)產(chǎn)品車前后擋玻璃的自動安裝的案例中，項目的難點在于玻璃安裝的精度要求非常高的（±0.5mm），光靠機械定位是比較難實現(xiàn)如此高的精度要求。為此，項目組導(dǎo)入了3D激光線束掃描技術(shù)，對機器人自動安裝進行引導(dǎo)。

圖5 車體窗框視覺定位

如圖5所示，激光器發(fā)出線束投射到車身門框上，在門框輪廓上反射線束被相機傳感器捕捉，通過測量投射激光與接收激光之間的距離—基成長T，根據(jù)三角測量的原理，就可以計算出激光投射部位的空間位置，通過對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，再與基準模板位置進行比較，就可以計算出此次車體偏移的空間量，針對這偏移空間量進行補償，就可以引導(dǎo)安裝機器人將玻璃準確的安裝到車身門框上。

5 總裝車間自動化趨勢和關(guān)鍵技術(shù)

5.1 視覺技術(shù)的發(fā)展

目前視覺技術(shù)已取得突飛猛進的發(fā)展，在硬件上，攝像頭像素已普遍提升至500萬甚至1000萬以上，拍攝精度越來越高[4]，而隨著各種LED光源的發(fā)展和普及，通過紅外、頻閃等打光策略，可以對各種復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用場合的目標物體進行全方位無死角的圖像還原。在軟件方面，各種算法層出不窮，雙目、激光掃描等應(yīng)用方式越來越穩(wěn)定，可以解決大部分工業(yè)應(yīng)用痛點[5]。而隨著深度自我學(xué)習(xí)系統(tǒng)的導(dǎo)入，使視覺系統(tǒng)在使用中，通過獲取的大量數(shù)據(jù)、圖像，可以逐步自我優(yōu)化參數(shù)，并針對個別非人工試教的變化點，自我擬合策略進行適應(yīng)，大大提升系統(tǒng)的準確度和適應(yīng)性。

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

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

5.2 協(xié)作機器人

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

圖6 人機協(xié)作示意圖

圖7 人機協(xié)作實例

如圖6、7所示，協(xié)作機器人的誕生恰恰滿足了此類需求，由于其安全設(shè)計的獨特性，使得機器人可以與人在同一空間配合作業(yè)，不再需要圍欄圍蔽。這樣的特點正好契合總裝車間的需求，在重物搬運、精細作業(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 可穿戴外骨骼機器人

總裝車間的特點，決定了其自動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，自動化水平提升有著突飛猛進的發(fā)展，但仍有大量的工作需要人手完成。隨著國家法律法規(guī)對職業(yè)健康保護方面越來越嚴格，操作者對這方面的需求也越來越迫切。如何讓操作者更為輕便、舒適的作業(yè)，降低其作業(yè)強度，也是總裝車間自動化設(shè)備發(fā)展的一個大的趨勢。在這方面，可穿戴外骨骼機器人開拓了新的方向[8]。通過這種設(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的負擔，如圖9所示減輕了特殊作業(yè)姿勢下的疲勞強度。類似案例已經(jīng)可以在寶馬全球各工廠中看到。

圖8 可穿戴外骨骼機器人降低負重

圖9 可穿戴外骨骼機器人降低特殊姿勢疲勞強度

6 結(jié)論

通過機器人、視覺引導(dǎo)等技術(shù)的導(dǎo)入與逐漸成熟，與總裝車間固有的特點有機的結(jié)合起來，已經(jīng)在現(xiàn)場實現(xiàn)了過往很多無法想象的技術(shù)應(yīng)用?？傃b車間作為操作人員最多的領(lǐng)域，其應(yīng)用自動化以提升效率的需求和潛力是非常大的，今后隨著視覺、協(xié)作機器人、可穿戴外骨骼機器人等技術(shù)的快速發(fā)展，總裝車間自動化必將迎來更廣闊的發(fā)展空間[9]。

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

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

[3] 付月.國內(nèi)汽車企業(yè)對自動化技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用和面臨問題.科學(xué)大眾:科學(xué)教育,2015,(9):187-188.

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

[5] 胥磊.機器視覺技術(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.機器視覺在多領(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)作型機器人運動性能分析與仿真.智能系統(tǒng)學(xué)報,2017,12(1):75-81.

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

[9] 趙睿,李楠.淺談汽車制造行業(yè)中自動化技術(shù)發(fā)展趨勢.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

費勁，博士研究生，總裝部部長，高級工程師，就職于廣汽本田汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.063