鄧 群，周 波，胡國武

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 528225）

0 引言

螺紋連接是汽車部件及整車生產(chǎn)裝配過程中最為常見的一種聯(lián)接工藝，由于結(jié)構(gòu)簡單、工藝可靠、返修方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)年來，隨著汽車生產(chǎn)的自動化、智能化、數(shù)字化趨勢加快，在整車及總成生產(chǎn)領(lǐng)域不斷出現(xiàn)了各類螺紋自動擰緊設(shè)備。如靖玉凱等[1]設(shè)計(jì)了一套全自動噴油嘴螺栓擰緊及凸出高度檢測設(shè)備，極大地提高了噴油嘴的裝配合格率。田永成等[2]設(shè)計(jì)的在線式輪裝制動盤螺栓自動擰緊機(jī)，很大程度上減少對人工的依賴，提高了裝配精度和工作效率。楊潤剛等[3]基于機(jī)器視覺技術(shù)，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了機(jī)車齒輪轂全自動雙軸擰緊機(jī)，提高了裝配精度和操作效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度。

變速箱懸置作為汽車前艙內(nèi)承載變速箱的關(guān)鍵部件，其連接強(qiáng)度和質(zhì)量與整車的安全以及NVH性能密切相關(guān)。當(dāng)前汽車主機(jī)廠內(nèi)裝配變速箱懸置大多采用人工操作手動擰緊工具進(jìn)行作業(yè)，工人長時間作業(yè)勞動強(qiáng)度大，擰緊合格率極易受工人工作狀態(tài)的影響而產(chǎn)生波動，在裝配效率和質(zhì)量上都有進(jìn)一步提升的需要[4]。本文基于視覺識別及機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一套變速箱懸置自動擰緊設(shè)備，用于提升裝配效率，優(yōu)化和改善擰緊質(zhì)量。

1 工藝及設(shè)備規(guī)劃前提

1.1 設(shè)備工藝流程分解

結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場原有的工藝及設(shè)備狀態(tài)，經(jīng)過多維度的評估和分析，優(yōu)化后自動擰緊設(shè)備的工藝流程如圖1所示。

圖1 設(shè)備運(yùn)行的工藝流程

1.2 系統(tǒng)節(jié)拍分析

結(jié)合圖1的工藝流程分解，該設(shè)備完成一個工作循環(huán)的總節(jié)拍為53 s，各步驟的具體節(jié)拍分解如表1。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)拍分解

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該套懸置自動擰緊設(shè)備主要由圖2所示的5個部分機(jī)構(gòu)組成：車身定位及夾持機(jī)構(gòu)、機(jī)器人主體、視覺識別裝置、擰緊槍以及其他配套設(shè)施。

圖2 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

2.1 滑撬定位及夾持機(jī)構(gòu)

總裝車間的車身在安裝輪胎之前，主要是通過滑撬、吊具或者可升降大板實(shí)現(xiàn)在不同的工位及線體之間的輸送。以滑撬輸送為例，車身通過下部支撐點(diǎn)定位在滑撬上，電機(jī)驅(qū)動輥床上的摩擦輪帶動滑撬前進(jìn)?；嗽谳伌采系腦向運(yùn)動由位置傳感器控制來實(shí)現(xiàn)減速和停止，Y向則通過一對被動式滾輪實(shí)現(xiàn)基本的對中限制。車身在X、Y向的位置偏差可達(dá)±20 mm，超過了視覺識別的容限范圍，必須對滑撬進(jìn)行二次定位。滑撬二次定位及夾持機(jī)構(gòu)如圖3所示，X向抱緊氣缸通過對滑撬下部橫梁進(jìn)行二次夾緊，可以校正滑撬在初次定位時X向較大的位置偏差；Y向夾持機(jī)構(gòu)將滑撬在Y向左側(cè)的間隙修正為0。通過二次定位，可實(shí)現(xiàn)滑撬在自動擰緊工位靜止時X、Y向的位置偏差在±5 mm以內(nèi)，為后續(xù)的視覺識別奠定基礎(chǔ)。

圖3 滑撬定位及夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)器人主體

為節(jié)約設(shè)備總體投資，機(jī)器人選型采用汽車整車廠廣泛使用的KUKA工業(yè)機(jī)器人，型號為VKR 210 R2700 extra。此款機(jī)器人由于大批量使用，硬件采購及維護(hù)成本相對較低，臂展2 700 mm，負(fù)載210 kg，可完全滿足懸置自動擰緊在各類工況下的使用需求。

2.3 視覺識別裝置

本套視覺識別裝置由工業(yè)相機(jī)、光學(xué)鏡頭、光源、伸縮氣缸組成。工業(yè)相機(jī)采用Basler 500 W，水平∕垂直分辨率為2 448 px×2 048 px；鏡頭采用的是Moritex抗震鏡頭，焦距16 mm，工作距離為70～120 mm。由于變速箱懸置安裝于車身左側(cè)縱梁上，此處與翼子板內(nèi)板形成的空間范圍十分有限。為確保在進(jìn)行視覺拍照及擰緊作業(yè)時，機(jī)器人及其附件不與車身發(fā)生干涉，視覺相機(jī)部分設(shè)計(jì)為可折疊式氣缸結(jié)構(gòu)。在執(zhí)行拍照流程時氣缸打開，相機(jī)及光源伸出；在執(zhí)行擰緊流程時，相機(jī)及光源縮回。

2.4 擰緊裝置

擰緊裝置由擰緊槍、伸縮桿、套筒、Master PC顯示面板、控制器及夾具組成。變速箱懸置螺栓的額定力矩為50 N·m+90°轉(zhuǎn)角，最終合格的擰緊力矩在70~140 N·m范圍內(nèi)。擰緊槍型號選用Atlas ETV ST101-270-20-F，扭矩范圍：65～270 N·m。伸縮桿為特殊定制，采用柱體內(nèi)部彈簧構(gòu)造，彈性伸縮行程為30 mm，一方面可充分補(bǔ)償車身在Z向的位置偏差，另一方面可確保在擰緊過程中對螺栓施加足夠的下壓力。Master PC顯示面版及控制器均為Atlas擰緊槍的標(biāo)準(zhǔn)配套產(chǎn)品。

圖4 視覺識別及擰緊裝置結(jié)構(gòu)

3 設(shè)備控制系統(tǒng)

設(shè)備控制系統(tǒng)由兩部分組成：擰緊控制系統(tǒng)及機(jī)器人控制系統(tǒng)，擰緊控制系統(tǒng)影響擰緊的合格率，機(jī)器人控制系統(tǒng)影響設(shè)備的整體開動率，各部分通過現(xiàn)場總線、Profinet接口、以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊和相互通訊，控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，既要確保兩個系統(tǒng)的功能能充分滿足設(shè)備總體的工藝要求，同時還必須實(shí)現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間完整的交互性，以免造成生產(chǎn)線停線或擰緊失敗。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 擰緊控制系統(tǒng)

擰緊部分的控制邏輯如下。

（1）工廠內(nèi)部FIS系統(tǒng)發(fā)送待擰緊車輛信息到Master PC。

（2）Master PC將接收到的信息進(jìn)行解析，判斷KEN碼對應(yīng)車輛的擰緊內(nèi)容，存儲到數(shù)據(jù)庫中。

（3）Master PC通過RFID識別得到的KEN碼來進(jìn)行程序的調(diào)用，將擰緊內(nèi)容打包發(fā)送給控制器。

（4）控制器接收到報(bào)文后按照預(yù)設(shè)的擰緊程序執(zhí)行對應(yīng)車型的擰緊內(nèi)容，驅(qū)動EC電槍完成擰緊動作。

（5）EC電槍擰緊完成后，控制器將數(shù)據(jù)反饋到Master PC，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含KEN碼、擰緊上下限、扭矩、擰緊曲線等信息。

（6）Master PC將控制器發(fā)送的擰緊文件進(jìn)行解析并顯示出來，同時上傳至FIS系統(tǒng)進(jìn)行存儲。

3.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.2.1 機(jī)器人部分的控制邏輯如下。

（2）滑撬前進(jìn)觸發(fā)光柵前對射開關(guān)1和2，PLC屏蔽入口光柵；滑撬前進(jìn)繼續(xù)觸發(fā)光柵后對射開關(guān)3和4，當(dāng)對射開關(guān)3和4信號消失時，PLC重新激活入口光柵。

（3）滑撬前進(jìn)觸發(fā)當(dāng)前自動工位的到位開關(guān)，滑撬停止；二次定位機(jī)構(gòu)的抱閘氣缸抱緊并夾持滑撬，完成二次定位。

（4）機(jī)器人運(yùn)行至視覺拍照位置，完成拍照，視覺相機(jī)縮回，視覺信號傳輸至PLC。

（5）PLC完成4顆螺栓的位置偏移計(jì)算并傳輸至機(jī)器人。

（6）機(jī)器人完成位置偏移疊加后依次運(yùn)行至4顆螺栓上方，接收擰緊控制器指令完成擰緊作業(yè)。

（7）擰緊結(jié)束機(jī)器人返回原點(diǎn)，視覺相機(jī)伸出。

（8）滑撬抱閘氣缸打開到位，滑撬駛出工位。

（9）位置傳感器檢測到滑撬完全離開自動工位時，允許前工位輥床放行，開始下一循環(huán)。

2.消瘦 隨著嘔吐的加劇，由于奶水?dāng)z入不足，體重起初不增，之后迅速下降，尿量明顯減少，數(shù)日排便1次，量少且質(zhì)硬，偶有排出棕綠色便，被稱為饑餓性糞便。由于營養(yǎng)不良、脫水，嬰兒明顯消瘦，皮膚松弛有皺紋，皮下脂肪減少，精神抑郁呈苦惱面容。發(fā)病初期嘔吐喪失大量胃酸，可引起堿中毒，呼吸變淺而慢，并可有喉痙攣及手足搐搦等癥狀；后期脫水嚴(yán)重，腎功能低下，酸性代謝產(chǎn)物潴留體內(nèi)，部分堿性物質(zhì)被中和，故很少有明顯堿中毒者。嚴(yán)重營養(yǎng)不良的晚期病例已難以見到。

3.2.2 視覺識別技術(shù)的應(yīng)用

視覺識別技術(shù)為工業(yè)機(jī)器人裝上了“眼睛”，能實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)、檢測、測量和識別等功能，極大地拓展了機(jī)器人的應(yīng)用場景，已逐漸成為智能制造設(shè)備的關(guān)鍵組成配置[4-8]。

本文采用視覺識別技術(shù)識別待擰緊螺釘?shù)奈恢茫龑?dǎo)機(jī)器人將夾持的擰緊槍準(zhǔn)確套入螺釘中執(zhí)行擰緊作業(yè)。其主要流程如圖6所示，相機(jī)在光源照射下拍攝螺栓獲得初始圖像，經(jīng)過灰度處理增加圖像的對比度，從圖像中選取包含螺栓的關(guān)鍵區(qū)域，進(jìn)行二值化處理提取螺栓位置特征，識別螺栓的像素面積，提取螺栓中心位置坐標(biāo)信息，最后轉(zhuǎn)化為機(jī)器人空間坐標(biāo)信息。

圖6 螺栓圖像處理流程

圖7所示為懸置螺栓在視覺識別系統(tǒng)中的識別效果圖，其中綠色大圓為當(dāng)前抓圓示意圖，藍(lán)色十字為當(dāng)前抓圓中心，紅色十字為抓圓標(biāo)定位置，綠色字體為左右側(cè)圓孔的圓心坐標(biāo)（單位：像素）。經(jīng)過空間坐標(biāo)關(guān)系的轉(zhuǎn)換，delta1、delta2分別為左側(cè)及右側(cè)螺栓在X向及Y向的偏移距離（單位：mm）。

圖7 螺栓視覺識別效果

4 驗(yàn)證及結(jié)果分析

懸置螺栓的擰緊采用的是扭矩-轉(zhuǎn)角的監(jiān)控方法，擰緊過程中扭矩M和轉(zhuǎn)角W的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。擰緊過程分為兩個階段：第一階段為彈性變形階段，螺栓擰緊至扭矩達(dá)到限定的力矩MB，該階段的擰緊需監(jiān)控過程點(diǎn)A的轉(zhuǎn)角，其大小必須位于限定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)才能認(rèn)定過程合格；第二階段為塑性變形階段，螺栓繼續(xù)旋轉(zhuǎn)規(guī)定的轉(zhuǎn)角Wn，此時總扭矩Mc和轉(zhuǎn)角Wn分別處于規(guī)定的上下限值M-~M+以及W-~W+之間，螺栓擰緊才認(rèn)定為最終合格。

圖8 角度監(jiān)控的過程屈服擰緊方法

采用該監(jiān)控方法，螺栓擰緊不合格的類型共有5種情況，分別是最終擰緊低力矩、最終擰緊超力矩、擰緊過程套筒脫開、擰緊過程超轉(zhuǎn)角、設(shè)備套筒未成功套入螺釘。這5種擰緊不合格情況分別對應(yīng)5種不同的力矩-轉(zhuǎn)角曲線，如圖9～13所示。

圖9 最終擰緊低力矩

圖10 最終擰緊超力矩

圖11 擰緊過程套筒脫開

圖12 擰緊過程超轉(zhuǎn)角

圖13 設(shè)備套筒未成功套入螺釘

該套設(shè)備經(jīng)過全面的功能驗(yàn)證和調(diào)試優(yōu)化，現(xiàn)已投入持續(xù)批量運(yùn)行中。運(yùn)行期間，設(shè)備自動擰緊的一次擰緊合格率平均達(dá)99.8%，以班次為單位的運(yùn)行周期中合格率最高達(dá)99.99%。與手工擰緊的合格率相比有了明顯的提升，在每班次裝配約500輛車合計(jì)約2 000顆螺栓的情況下，極大地減少了螺栓返修數(shù)量和返修工時。

基于擰緊缺陷類型分析，自動擰緊合格率提升的主要原因有以下兩點(diǎn)：

（1）機(jī)器人在設(shè)定的程序下能保持穩(wěn)定且一致的作業(yè)動作，確保了擰緊全過程的穩(wěn)定性，從而保障了擰緊合格率；

（2）采用內(nèi)部彈簧構(gòu)造的伸縮桿，在擰緊的過程中機(jī)器人可以持續(xù)給予螺栓端面穩(wěn)定的壓緊力，有利于達(dá)成合格的扭矩及轉(zhuǎn)角關(guān)系。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)施了一套變速箱懸置全自動擰緊設(shè)備。該設(shè)備通過工業(yè)機(jī)器人確保了擰緊過程的一致性和穩(wěn)定性，利用視覺識別技術(shù)提升了應(yīng)對車身定位偏差的柔性，采用擰緊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則進(jìn)一步確保了擰緊過程的質(zhì)量可控，經(jīng)過批量生產(chǎn)的驗(yàn)證，一次擰緊合格率可提升至99.8%。汽車整車上有近3 000個螺栓擰緊點(diǎn)，其中涉及大量的安全及功能相關(guān)項(xiàng)，未來隨著自動化、智能化、數(shù)字化的浪潮，視覺識別與工業(yè)機(jī)器人的組合必然會得到更廣泛的應(yīng)用。