劉清華 徐嘯順 陳成 林立 朱燁添

(上汽通用汽車有限公司，上海 201208)

1 引言

為了更好地響應(yīng)市場對新能源汽車的需求，車企需要更多、更快地實現(xiàn)新能源項目的上線投產(chǎn)，并確保在較高產(chǎn)能自動化工藝下的質(zhì)量長期穩(wěn)定受控、無高額零部件報廢。相對傳統(tǒng)動力總成產(chǎn)品，新能源電池包的裝配質(zhì)量控制要求更加艱巨，一旦出現(xiàn)問題則會發(fā)生極為嚴重的質(zhì)量和安全事故，因此對其裝配全過程的質(zhì)量控制是一項極其重要的工作[1]。尤其是電芯模組在裝配成包的過程中，零件尺寸較大、對外力擠壓非常敏感，更是裝配質(zhì)量控制的關(guān)鍵步驟[2]。考慮到電池裝配工藝與傳統(tǒng)發(fā)動機、變速箱機裝配工藝差異較大，以往質(zhì)量控制手段和技術(shù)不能生搬硬套，需要進一步開發(fā)符合產(chǎn)品特點的自動化、數(shù)字化、智能化工藝。

在高產(chǎn)能生產(chǎn)線中，電池裝配主要依賴于各類自動化設(shè)備，而且從質(zhì)量穩(wěn)定性和可追溯性來看，合理利用機器視覺和力覺等機器感知技術(shù)，可以高可靠性、高效率地實現(xiàn)精密裝配和質(zhì)量控制。機器人自動裝配需要克服AGV等引起的定位誤差，和多個大尺寸零件公差波動所造成的累積誤差，嚴格保證裝配壓力和位置誤差在極小范圍內(nèi)，從而完成裝配過程。

常規(guī)的人工方案雖可基本項目滿足產(chǎn)能要求，但按以往管控手段監(jiān)控部分失效類型，會使產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生難以嚴控的波動。因此需要研究使用視覺和力覺等機器感知技術(shù)，實現(xiàn)電池模組的精密裝配和質(zhì)量控制。

機器視覺技術(shù)在裝配技術(shù)中主要用于引導(dǎo)機器人、伺服機構(gòu)等運動機構(gòu)，完成對特定零件的裝配應(yīng)用[3];通常在裝配精度要求不高的情況，可直接視覺定位后使機械裝置按照偏移值去裝配。但在公差較小、甚至過盈配合的情況下，光有視覺引導(dǎo)是不夠的，機器人需具備柔性裝配能力。機器人在精密裝配應(yīng)用中體現(xiàn)的柔順性，主要使用兩種方式實現(xiàn)，分為主動柔順和被動柔順。被動柔順是指通過安裝在機械臂末端的被動柔順機構(gòu)實現(xiàn)，如學(xué)者提出的被動RCC(Remote Center of Compliance)裝置[4]等。主動柔順主要包括阻抗控制、剛度控制、導(dǎo)納控制以及力/位混合控制[5]：

(1)阻抗控制與剛度控制主要通過關(guān)節(jié)力矩傳感器實現(xiàn)[6]。阻抗控制器建立了機械臂末端阻抗參數(shù)與環(huán)境作用力的關(guān)系，當(dāng)環(huán)境力施加在機械臂上，機械臂產(chǎn)生期望位置與實際位置的偏差，通過阻抗關(guān)系計算得到理想的接觸力，最后由關(guān)節(jié)力矩環(huán)實現(xiàn)力矩控制；剛度控制是將笛卡爾空間的剛度關(guān)系通過轉(zhuǎn)換關(guān)系得到關(guān)節(jié)層的剛度，在單個關(guān)節(jié)處實現(xiàn)該剛度，從而實現(xiàn)笛卡爾空間的柔順。

(2)導(dǎo)納控制和力/位混合控制主要通過末端安裝力傳感器感知接觸力的變化實時調(diào)整機器人的位置[7]。其中導(dǎo)納控制感知到末端力后通過導(dǎo)納關(guān)系得到期望的末端位置，從而實現(xiàn)末端的柔順；力/位混合控制是將末端任務(wù)空間劃分位執(zhí)行位置控制的位置空間和執(zhí)行力控制的力空間，按需進行位置控制或力控制。如在進行工件拋光時，在工件表面的切線方向運行事先規(guī)劃好的拋光軌跡，在工件表面的法線方向進行力控制，來控制工件與拋光砂紙之間的接觸力，保證拋光效果[8]。

本文介紹基于智能感知技術(shù)的電池模組精密裝配質(zhì)量控制，首先對模組裝配工藝進行了主要研究，其次詳細介紹了機器視覺與智能力覺的應(yīng)用原理基礎(chǔ)，然后根據(jù)工藝特點實現(xiàn)了詳細的裝配流程，最后對部分裝配過程進行力和位置的數(shù)據(jù)展示和分析。

2 機器感知技術(shù)對裝配應(yīng)用相關(guān)理論研究

2.1 電池模組裝配工藝分析

如圖1所示，機器人末端攜帶力傳感器，抓取模組后，將兩側(cè)定位孔配合裝入底板的兩個定位銷中，對電池包定位尺寸鏈進行分析，該定位銷孔的裝配間隙最小±0.5 mm左右，單側(cè)間隙最大小于1 mm，裝配模組上下兩側(cè)定位銷孔及左右兩側(cè)螺紋支撐框架孔同時進入裝配位置，且裝配深度20 mm左右。模組電池在裝配時的重量達50 kg，所需力控精度要求中等。

圖1 模組裝配示意圖

2.2 機器視覺定位技術(shù)原理

本工位使用發(fā)那科機器人公司的二維灰度相機產(chǎn)品iRVision進行視覺預(yù)定位[9]，使用模板匹配技術(shù)進行特征提取。模板匹配是機器視覺常用的視覺工具，用于在較大圖像空間范圍中搜索和查找模板圖像位置的方法，簡單理解，模板匹配即通過現(xiàn)有圖像模板去與圖片進行比較，找出圖像中所需要匹配的內(nèi)容。通常模板匹配的實現(xiàn)方式可以分為：平方差匹配法、相關(guān)匹配法、相關(guān)系數(shù)匹配法等方法。以平方差匹配法為例，其計算方式如公式(1)所示，其中R(x,y)為結(jié)果矩陣，T(x′,y′)為模板圖像矩陣，I(x,y)為源圖像矩陣。該公式表達含義為模板圖像減去所覆蓋的源圖像范圍內(nèi)像素之差的平方和，如果結(jié)果值越接近0，說明匹配程度越高。

(1)

在本次視覺應(yīng)用中預(yù)先進行相機標定；其次進行視覺取像，根據(jù)圖像的邊緣特征建立模板，如圖2中邊緣特征及處理后輪廓圖所示；根據(jù)該邊緣制作圖像模板，再次定位時根據(jù)模板尋找匹配合格的特征，最后得到匹配位置與模板的偏移值，用于引導(dǎo)機器人裝配。視覺定位模板后，通過VR[i]視覺變量存儲模板定位的偏差值，隨后在發(fā)那科機器人示教程序(.TP文件)的軌跡程序中將視覺偏移VR[i]加入位置偏移，機器人即可移動到特征點位置。

圖2 特征原圖及處理后輪廓特征

2.3 機器感知技術(shù)在精密裝配方案選型設(shè)計

電池模組機器人自動裝配同時對機器人及力傳感器應(yīng)用提出了較高的要求，需要力控方案的精度足夠高、力覺搜索效率高。在電池包裝配應(yīng)用中，需要對機器人安裝高精度力覺傳感器和相應(yīng)力覺軟件，合理搭配力覺軌跡和參數(shù)，滿足超大負載和高產(chǎn)能壓力前提下的高精度定位和高敏感性力控功能，并對機器人各軸力覺數(shù)據(jù)進行監(jiān)控記錄。

為完成模組力控裝配，本文從帶載能力、力控精度、方案價格、工作范圍等方面對關(guān)節(jié)內(nèi)置力傳感器機器人裝配與法蘭末端力傳感器精密裝配兩種大類方向進行比較。其中關(guān)節(jié)內(nèi)置力傳感器機器人裝配帶載荷能力、工作范圍中等，其力控精度相對較高，但方案成本也較高；法蘭末端安裝力傳感器精密裝配方案帶載能力、工作范圍較好，成本也較為適中，但高力控精度的實現(xiàn)相比前方案難度更大。

表1 各類精密裝配方案對比表

2.4 機器力覺精密裝配理論模型

對于50 kg左右的模組自動裝配工位，通常加上夾爪重量，機器人需達到120 kg左右的負載。綜合上述關(guān)節(jié)內(nèi)置力傳感器機器人裝配與法蘭末端力傳感器裝配方案的比較，本文精密裝配選擇法蘭末端安裝六維力傳感器的精密裝配方案，工業(yè)機器人選型確認為FANUC R2000iB/210F，重復(fù)精度0.2毫米，力傳感器選型FS250A[9]。

該種工業(yè)機器人搭配六維力傳感器用于裝配應(yīng)用的控制方式主要是力/位混合控制方式，其控制框架如圖3所示。其中S為對稱矩陣，元素為0和1，力控的方向，S相應(yīng)的位置為1；位置控制的方向，相應(yīng)位置為0；S′為取反，從而實現(xiàn)在不同方向上進行位置或者力控制。如在進行孔搜索階段，搜索的接觸面的法向執(zhí)行力控制，保證接觸力；接觸面的平面方向執(zhí)行位置控制，執(zhí)行規(guī)劃好的搜索軌跡。

圖3 機器人力位混合控制圖

3 機器感知技術(shù)對電池模組精密裝配集成實施

3.1 應(yīng)用機器感知技術(shù)的精密裝配流程

如圖4所示，電池模組兩側(cè)均有定位銷安裝孔，托盤存在安裝銷用于兩側(cè)的軸孔裝配，自動裝配需首先定位兩側(cè)銷的位置，編寫軌跡程序使發(fā)那科機器人移動到預(yù)先設(shè)定位置，使用iRVision相機進行特征獲取，得到偏移值后引導(dǎo)機器人至裝配位置，運行力覺控制程序。因本案例中，需同時對準左右兩側(cè)的銷孔才可以完成裝配，坐標系設(shè)置考慮在兩孔中間建立Z向垂直于模組地面的工具坐標系，如圖5所示。如此可在視覺定位偏移的情況下，使用Z方向旋轉(zhuǎn)搜索的力控策略完成對于軸孔裝配的高效搜索。

圖4 模組裝配孔特征

圖5 工具坐標系設(shè)置

力覺裝配工藝過程分為兩個階段，根據(jù)裝配工藝特點，本方案選擇了離合器搜索策略(Clutch Force Control)和軸孔裝配搜索(Shaft Force Control)兩種力覺搜索裝配策略。其中離合器搜索策略是在繞裝配軸方向進行旋轉(zhuǎn)和在裝配軸方向施加推壓力進行面搜索和匹配，該策略適合用于齒輪嚙合類裝配應(yīng)用，如組裝汽車的變速箱部件離合器的裝配；軸孔裝配策略是在裝配軸方向有部分傾角和在裝配軸方向施加推壓力，該裝配策略主要是在進行圓柱和定位銷等圓柱形狀裝配配合時使用。

圖6 離合器搜索策略和軸孔裝配策略

裝配第一階段，在搜索兩側(cè)銷時需同時使得銷孔進銷軸，故此處選擇的力控策略是離合器裝配策略(Clutch Force Control)，它可以指定Z軸向的旋轉(zhuǎn)搜索，同時Z軸正方向施加一定的推壓力，當(dāng)銷孔剛接觸銷軸時確保銷軸能夠迅速順暢滑入銷孔。當(dāng)?shù)谝浑A段銷控銷軸配合好后，選擇軸孔裝配策略(Shaft Force Control)，完成第二階段的銷軸完全裝配到位；如果力控參與過程中力控裝配不合格(如受力過大)會觸發(fā)Z軸反方向的軸孔裝配策略，進行抬高退銷動作，從而開始第二次的力控裝配嘗試。

機器人對電池包力覺精密裝配的流程如圖7所示。首先進行二維視覺預(yù)定位，結(jié)合通過自動曝光重試提高開動率。模板匹配定位成功后，判斷得到的視覺偏移補償值VR[i]是否在合理范圍內(nèi)。若合理即可開始第一階段進銷的離合器(Clutch FC)搜索策略，搜索成功與否的判斷是通過裝配位置的深度(即Z軸坐標位置)來決定的。如果沒有成功，則回到初始的位置重新開始，直至深度達到且此時機器人的坐標位置在合理范圍內(nèi)，即可開始軸孔(Shaft FC)裝配策略。此階段判斷其是否裝配到位的條件也是深度，不過此時裝配的深度已經(jīng)較深，孔與銷軸的位置配合間隙較小，如果出現(xiàn)裝配時間超出限定值，卻配合深度還不足的情況，需沿裝配Z軸負方向(即向上)退出，回到初始點重試裝配直至裝配深度合格或次數(shù)過多后報警。

圖7 基于機器感知技術(shù)的模組精密裝配流程圖

該裝配方案中，無論力控裝配成功與否，整個裝配過程中接觸部分全程由力控程序參與，力控程序參數(shù)嚴格控制使得整個裝配過程中模組受力均控制在一定范圍內(nèi)，一般為10 N到15 N左右。同時開啟裝配過程中裝配數(shù)據(jù)的記錄，便于分析規(guī)律和事后追溯，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 機器感知設(shè)備的軟硬件集成

整合以上力傳感器的裝配分析，最終形成了在現(xiàn)場實施完整的發(fā)那科力傳感器裝配方案。如圖所示，其中包括力傳感器、夾爪機構(gòu)、電池模組和電池包底殼等。每個完整電池包需安裝若干個模組，包括多個長模組和少量短模組，需要根據(jù)工藝尺寸特點為每個模組設(shè)計了不同裝配策略參數(shù)，確保此工位開動率良好。

圖8 精密裝配現(xiàn)場實施情況

3.3 裝配過程的感知數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和分析優(yōu)化

裝配過程的數(shù)據(jù)是優(yōu)化裝配參數(shù)、質(zhì)量追溯的基礎(chǔ)，因此需把每段力控的數(shù)據(jù)記錄和長期存儲，用于裝配分析和改進。如圖9所示，分別記錄了在第一段離合器搜索過程中的位置信息，分別包括機器人TCP在裝配過程中X、Y、Z坐標值的變化。該力控裝配過程主要分為三個步驟，第一步0 s～3 s，機器人根據(jù)視覺補償?shù)竭_開始裝配位置進行軸孔搜索，此時底殼定位銷與模組定位孔會因視覺及零件定位誤差難以直接完成配合，因此前3s時間用于軸孔對準；第二步3 s～4 s，3 s之后Z方向位移出現(xiàn)快速變化過程，此時表述銷孔搜索完成，銷孔快速滑入銷軸倒角位置，此時模組孔與定位銷裝配深度約為3 mm；第三步4 s～17 s，該步驟實現(xiàn)銷與孔穩(wěn)步配合，X、Y值會在一定的位置范圍內(nèi)波動適應(yīng)裝配，Z向配合不斷加深直到Z軸位置到達裝配深度，此時該段力控程序順利結(jié)束。

圖9 a)X軸位置 b)Y軸位置 c)Z軸位置

同理我們記錄了軸孔裝配策略中Z方向受力和Z方向位置信息以及X、Y兩個方向上的旋轉(zhuǎn)角度Rx、Ry；該裝配策略過程同樣可以看成三個步驟，第一步0 s～5 s，Rx、Ry發(fā)生了較大幅度的空間調(diào)整，Z軸位置緩慢下降,機器人將工件逐步下壓，裝配順利進行；第二步5 s～27 s，機器人在Z軸值為0.315 m左右會有一段停留，X、Y軸的轉(zhuǎn)動方向也不斷在調(diào)整，該過程因空間、受力原因裝配卡滯,直到時間27 s左右機器人各個方向上力被安全釋放；第三步27 s～31 s機器人Z方向受阻力減少，繼續(xù)實施軸孔裝配，擺動的X、Y轉(zhuǎn)動方向也調(diào)整回到原位，直到機器人Z方向深度到達裝配深度，整個裝配過程完成，模組孔與托盤定位銷完成徹底配合。

a)X軸轉(zhuǎn)角Rx b)Y軸轉(zhuǎn)角Ry

由此可見，裝配過程中所有數(shù)據(jù)均有效監(jiān)控和記錄，亦可用于數(shù)據(jù)的跟蹤記錄與參數(shù)的優(yōu)化。如可以通過數(shù)據(jù)分析可知，適當(dāng)增加Z軸施加的下壓力使得其能減少Z軸停留的時間，更迅速地完成機器人自動化裝配。

4 結(jié)論與收益

通過合理應(yīng)用機器人和機器感知技術(shù)實現(xiàn)大負載高速精密裝配，完成了項目的上線運行并成功生產(chǎn)大批量的電池包成品，可靠避免了電芯、模組和電池包因最終裝配過程失控引起質(zhì)量問題和物料報廢。合理運用成熟的機器人和視覺、力覺等感知技術(shù)，只增加少量的設(shè)備投資，就有效的控制了電芯、模組、電池包等新能源產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著機器感知技術(shù)的不斷引入，未來還將進一步地在各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制，并在復(fù)雜裝配應(yīng)用中更好地替代人工，實現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)。