黃 海，王 磊，卿小芳，李志強(qiáng)，石海波

（廣州德恒汽車裝備科技有限公司，廣州 510800）

0 引言

汽車新產(chǎn)品的研發(fā)速度和成本控制是汽車研發(fā)企業(yè)的一貫追求，新產(chǎn)品研發(fā)量產(chǎn)前試生產(chǎn)是必不可少環(huán)節(jié)，如何有效地利用產(chǎn)品研發(fā)中開發(fā)的資源，是企業(yè)值得思考的問題[1-2]。以往大批量、單一化生產(chǎn)模式造成大量工藝裝備投資，使制造成本增加和產(chǎn)能浪費(fèi)，而基于小批量、多品種生產(chǎn)模式的柔性化制造技術(shù)最大程度降低工藝裝備投資成本和利用產(chǎn)能，最大程度縮短開發(fā)時間，實現(xiàn)新車型迅速投產(chǎn)，因此多車型汽車柔性化混線焊裝生產(chǎn)模式成為適應(yīng)市場需求的焊接生產(chǎn)線發(fā)展趨勢[3]。

現(xiàn)階段汽車柔性生產(chǎn)線還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)工藝模式，針對不同車型，不同廠家每次都要重新設(shè)計工藝及設(shè)備，這樣導(dǎo)致設(shè)計成本高昂，工藝兼容性差，當(dāng)需增加車型就要對原生產(chǎn)線改造設(shè)計，既耗費(fèi)成本，也浪費(fèi)時間，這種模式很難滿足我國對汽車巨大需求。為彌補(bǔ)不足，提高汽車柔性生產(chǎn)線柔性化程度，智能柔性定位單元逐步被應(yīng)用于各主機(jī)廠汽車柔性焊裝生產(chǎn)線上[4-5]。智能柔性定位單元應(yīng)用于汽車白車身焊裝主線與地板線，可與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人配合，精確、快速、簡便地實現(xiàn)多車型切換與定位，實現(xiàn)汽車柔性化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低工裝成本。因此對焊裝車間生產(chǎn)線工裝夾具定位單元進(jìn)行柔性化設(shè)計開發(fā)是必須解決的問題[6]。

當(dāng)前，一般汽車廠商首先考慮采用發(fā)展時間更久、更成熟的國外相關(guān)柔性定位技術(shù)，導(dǎo)致國內(nèi)自主柔性定位技術(shù)的推廣應(yīng)用困難。目前，雖然有多臺定位單元組建的智能柔性定位系統(tǒng)被應(yīng)用于各大主機(jī)廠汽車柔性焊裝生產(chǎn)線上，一定程度上提高了汽車柔性生產(chǎn)線的柔性化水平，但現(xiàn)有定位系統(tǒng)使用的定位單元均采用三軸單元組合聯(lián)動方式驅(qū)動，價格昂貴，示教調(diào)試復(fù)雜，限制了智能柔性定位系統(tǒng)在汽車柔性焊裝生產(chǎn)線的普及應(yīng)用[7-8]。

結(jié)合當(dāng)前各主要柔性定位夾具的設(shè)計研究，充分考慮焊接工藝及需求，研制出四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)。本文分別對該定位系統(tǒng)的總體方案、電控方案、技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵裝置設(shè)計、車型切換、節(jié)拍能力及平臺擴(kuò)展性等方面進(jìn)行闡述和分析，結(jié)果表明該定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可操作性好、制作及維修容易、成本低，可為汽車生產(chǎn)廠商提供一種應(yīng)用案例參考，為汽車多車型柔性定位系統(tǒng)的多元化解決方案提供借鑒。

1 智能柔性定位系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 總體方案

柔性定位技術(shù)是指可以根據(jù)不同車型數(shù)據(jù)自動切換定位銷對工件進(jìn)行定位夾緊，實現(xiàn)多車型共線生產(chǎn)。四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)（以下簡稱四單元定位系統(tǒng)）能實現(xiàn)汽車四平臺多車型焊裝共線生產(chǎn)，如圖1所示，四單元定位系統(tǒng)主要包括定位平臺、抓手、搬運(yùn)機(jī)器人、電控系統(tǒng)等。定位平臺上的前后兩側(cè)分別各布置2套旋轉(zhuǎn)定位單元和2套三維移動定位單元，其中旋轉(zhuǎn)定位單元可根據(jù)不同車型的定位需求切換定位銷組件，其驅(qū)動和轉(zhuǎn)位控制裝置可實現(xiàn)快速切換，以對不同車型的車身進(jìn)行定位夾緊。三維移動定位單元可以橫向、縱向以及豎直方向調(diào)整定位點，實現(xiàn)三自由度的移動定位。搬運(yùn)機(jī)器人和可拆卸抓手負(fù)責(zé)工件搬運(yùn)。

圖1 四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)

四單元定位系統(tǒng)柔性定位過程如圖2 所示，四單元定位系統(tǒng)通過搬運(yùn)機(jī)器人和抓手抓取車身后地板，并置于定位平臺上方，定位平臺的旋轉(zhuǎn)定位單元通過轉(zhuǎn)位將合適的定位組件轉(zhuǎn)動到定位工位上，搬運(yùn)機(jī)器人將后地板的一側(cè)移動到旋轉(zhuǎn)定位單元側(cè)，并使后地板上定位孔與旋轉(zhuǎn)定位單元上的定位組件配合，定位平臺的三維移動定位單元智能移動對位，使后地板定位孔與三維移動定位單元上的定位銷配合，完成后地板定位工作，隨后對后地板進(jìn)行夾緊和焊裝。

圖2 后地板柔性定位實物圖

1.2 電控方案

四單元定位系統(tǒng)的電控系統(tǒng)采用多軸聯(lián)動控制，如圖3所示，電控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用總線擴(kuò)展及硬件模塊化配置的方式進(jìn)行設(shè)計，不同車身焊裝工位的定位單元數(shù)量不同，本文采用4個定位單元，包括2個三軸單元和2個一軸單元，聯(lián)動的定位單元數(shù)量可進(jìn)行擴(kuò)展。控制系統(tǒng)采用EtherCAT多軸運(yùn)動控制器，1 個控制器可同時控制總軸數(shù)多達(dá)64 軸的定位單元，該控制系統(tǒng)具有以下特點：增強(qiáng)的軸參數(shù)顯示，可選擇軸的參數(shù)顯示與實時更新；機(jī)器人語言可擴(kuò)展，配置1套手持器和示教編程系統(tǒng)軟件；可驅(qū)動輔助設(shè)備；具有直線、圓弧、螺旋線和空間圓弧插補(bǔ)的強(qiáng)大運(yùn)動控制功能；帶有以太網(wǎng)內(nèi)置接口，獨立的RS232 和RS485 端口，CANopen I/O 擴(kuò)展。除手持示教器外掛，其余電控硬件均置于電控箱內(nèi)，電控箱與智能柔性定位單元采用總線和動力電纜連接，1個電控箱控制4臺智能柔性定位單元，每臺定位單元均配置獨立的信號線纜和電源線纜與電控箱連接，并配置HARTING連接器用于線纜的快速對接。

圖3 電控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

四單元定位系統(tǒng)的示教器可對定位單元伺服系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、程序參數(shù)修改、伺服電機(jī)點動運(yùn)行控制等。示教器功能菜單如圖4所示，開機(jī)主畫面設(shè)置監(jiān)控畫面、示教畫面和異常畫面3個主要選擇畫面，各畫面下層設(shè)置多層子菜單畫面。監(jiān)控畫面實時顯示定位單元的運(yùn)行狀態(tài)，示教畫面用于輸入車型數(shù)據(jù)、控制定位單元的點動、對零、軌跡示教等，異常畫面用于顯示定位單元故障的出現(xiàn)與解除。

圖4 示教器功能菜單

示教器畫面顯示如圖5所示，“示教畫面”用于四單元定位系統(tǒng)4個定位單元“①②③④”的示教操作，定位單元①和②均為3軸直線位移控制，定位單元③和④均為單軸角位移控制，示教器實現(xiàn)四單元定位系統(tǒng)4個定位單元共計8軸（J1～J8）的位置示教與實時坐標(biāo)顯示。

圖5 示教器顯示畫面

1.3 技術(shù)參數(shù)

四單元定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1 所示，平臺數(shù)4 個，共線生產(chǎn)車型數(shù)量4種以上，柔性化程度高，多平臺多車型共線生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)節(jié)拍滿足85 JPH，節(jié)拍時間內(nèi)完成智能切換，車型切換時間6 s，定位銷高精度定位，定位銷位置尺寸公差i 0.05 mm，滿足汽車零部件廠和主機(jī)廠多車型門蓋、底板、機(jī)艙等車身零部件高效率柔性共線混流焊裝生產(chǎn)。

表1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵裝置設(shè)計

2.1 定位平臺

定位平臺用于車身件的柔性定位與夾緊，采用四單元定位設(shè)計，如圖6所示，定位平臺包括基板、2套旋轉(zhuǎn)定位單元和2套三維移動定位單元。基板用于定位單元的安裝和承載。旋轉(zhuǎn)定位單元包括驅(qū)動裝置、機(jī)架、增高座、轉(zhuǎn)位控制裝置、超程保護(hù)裝置、檢修感應(yīng)裝置、定位銷組件、轉(zhuǎn)盤等。機(jī)架上設(shè)有用于固定轉(zhuǎn)盤的檢修感應(yīng)裝置。轉(zhuǎn)盤最多安裝4套定位銷組件。轉(zhuǎn)盤與機(jī)架之間設(shè)有轉(zhuǎn)位控制裝置和超程保護(hù)裝置，分別用于控制轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度和限制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角行程。根據(jù)不同車型定位需求，定位平臺自動切換定位銷組件，解決了白車身焊裝生產(chǎn)線切換車型平臺時由于定位孔徑的大小和位置不一致所引起的無法定位的問題，極大降低新車型新平臺開發(fā)成本，車型切換無需人工控制，切換迅速，控制精準(zhǔn)，智能化生產(chǎn)。

圖6 定位平臺示意圖

三維移動定位單元包括銷釘缸、升降臂、A3軸、A2軸、A1軸、拖鏈等。A1～A3軸呈橫向、縱向和豎向布置，為三維移動定位單元的動力裝置。A1軸置于定位平臺上，用于定位單元橫向移動，A2軸與A1軸垂直交叉相連，用于定位單元縱向移動，A3軸置于A2軸正上方，用于升降臂直線升降移動，帶動銷釘缸同步移動。銷釘缸與升降臂均采用側(cè)面布置，三維移動單元整體高度低，使該單元與旋轉(zhuǎn)定位單元設(shè)備高度相匹配，降低汽車焊裝產(chǎn)線成套設(shè)備高度，降低用戶設(shè)備投資。

2.2 抓手

抓手用于工件抓取，如圖7 所示，抓手包括定位組件、夾緊組件、夾緊缸、八角管、法蘭、閥島、調(diào)節(jié)桿、在度感應(yīng)等。

圖7 抓手示意圖

八角管安裝有定位組件和夾緊組件，用于工件定位與夾緊。夾緊缸裝于多孔設(shè)計的調(diào)節(jié)桿上，不同孔位安裝的夾緊缸能夾持Z 向尺寸各異的工件，夾緊缸和閥島提供工件夾緊氣動動力。法蘭中心凹陷，與搬運(yùn)機(jī)器人連接機(jī)構(gòu)插接并定位鎖緊。抓手抓取工件后，通過裝于八角管上且置于工件上方在席感應(yīng)判斷工件是否到位，確保工件正常抓取。

2.3 機(jī)器人系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)負(fù)責(zé)抓手及工件搬運(yùn)，如圖8 所示，機(jī)器人系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制柜、機(jī)器人柜、置臺、法蘭、搬運(yùn)機(jī)器人、基板、調(diào)平裝置等。置臺用于安置系統(tǒng)控制柜和機(jī)器人柜，法蘭用于連接抓手，基板采用調(diào)平裝置調(diào)節(jié)水平，用于搬運(yùn)機(jī)器人安裝。系統(tǒng)控制柜整體控制四單元定位系統(tǒng)，機(jī)器人柜控制搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)送工件，系統(tǒng)控制柜和機(jī)器人柜聯(lián)動協(xié)作，完成工件智能切換、運(yùn)送、抓取和定位。

圖8 機(jī)器人系統(tǒng)示意圖

3 相關(guān)特性分析

3.1 車型切換

如圖9（a）所示，旋轉(zhuǎn)定位單元的轉(zhuǎn)盤沿轉(zhuǎn)盤軸心線旋轉(zhuǎn)，帶動裝于轉(zhuǎn)盤上的定位銷組件以90h分度旋轉(zhuǎn)與停留，最多實現(xiàn)汽車生產(chǎn)的4個制造平臺工件的定位與夾緊。各平臺的車型定位孔大小與位置尺寸均可不同，根據(jù)不同車型定位需求，旋轉(zhuǎn)定位單元自動切換定位組件，以適應(yīng)汽車4平臺多車型共線生產(chǎn)。如圖9（b）所示，三維移動定位單元的軸移動方向按笛卡爾坐標(biāo)系設(shè)置，通過3軸聯(lián)動的直線移動，帶動裝于升降軸頂端的銷釘缸在空間設(shè)定范圍內(nèi)任意點的停留，實現(xiàn)多車型定位孔位置尺寸不同的柔性定位。四單元定位系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)定位單元和三維移動定位單元的多軸聯(lián)動及單元聯(lián)動實現(xiàn)4個不同制造平臺的多車型切換共線生產(chǎn)。

圖9 單元運(yùn)動示意圖

3.2 節(jié)拍分析

四單元定位系統(tǒng)生產(chǎn)節(jié)拍時間取決于機(jī)器人搬運(yùn)、焊接和車型定位切換時間等，表2所示為某汽車零部件廠多車型門蓋柔性切換共線生產(chǎn)的生產(chǎn)節(jié)拍，定位單元切換定位銷組時間6 s（即車型切換時間6 s），節(jié)拍重要轉(zhuǎn)接點時間36 s，設(shè)備開動率85%時，生產(chǎn)節(jié)拍高達(dá)85 JPH，日常生產(chǎn)節(jié)拍滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。

表2 生產(chǎn)節(jié)拍 s

3.3 平臺擴(kuò)展性

圖10 定位平臺擴(kuò)展示意圖

四單元定位系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，生產(chǎn)廠商可根據(jù)產(chǎn)品規(guī)劃和車型增加對定位平臺進(jìn)行擴(kuò)展，如圖10所示（注：以下旋轉(zhuǎn)定位單元簡稱風(fēng)車，三維移動定位單元簡稱NC），定位平臺在已有4 定位單元基礎(chǔ)上分別進(jìn)行1～2 單元擴(kuò)展，擴(kuò)展后獲得2個新定位平臺，其中定位平臺2為5定位單元組合（2 臺風(fēng)車+3 臺 NC），定位平臺 3 為 6 定位單元組合 （3 臺風(fēng)車+3臺NC），較之4定位單元組合的定位平臺（2臺風(fēng)車+2臺NC），2個新定位平臺能適應(yīng)更加復(fù)雜多樣車身零部件柔性定位，滿足更多車型門蓋、地板、機(jī)艙、側(cè)圍、白車身等車身零部件混流共線焊裝生產(chǎn)。圖中2 個新定位平臺的風(fēng)車和NC均為同側(cè)布置，為適應(yīng)更多復(fù)雜生產(chǎn)工況，風(fēng)車和NC的底部安裝面可在單元安裝基板面上任意水平移動并固定，獲得更多新定位平臺。

4 結(jié)束語

多車型柔性生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)四單元定位系統(tǒng)的開發(fā)和成熟具有重要意義。本文在充分分析和總結(jié)現(xiàn)有汽車柔性定位系統(tǒng)不足后，研制了適用廣泛、定位平臺可擴(kuò)展的高效快速切換的四單元聯(lián)動智能柔性定位系統(tǒng)。本文系統(tǒng)闡述了四單元定位系統(tǒng)整體方案與電控方案，并對其關(guān)鍵裝置設(shè)計、車型切換、節(jié)拍能力及定位平臺擴(kuò)展性等進(jìn)行描述和分析，為汽車焊裝柔性定位系統(tǒng)的多元化解決方案提供借鑒。