吳青云，張麗芳,王蘭，侯玲

江淮汽車股份有限公司技術中心 安徽合肥 230022

1 序言

新能源是國家扶持發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，也是全球“雙碳”大背景下構筑發(fā)展新優(yōu)勢的低碳綠色產(chǎn)業(yè)。近幾年國家密集出臺多項扶持新能源汽車發(fā)展的相關政策，使我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)駛入快車道。據(jù)悉，2022年1-10月新能源汽車產(chǎn)銷分別達到548.5萬輛和525萬輛，同比均增長1.1倍，市場占有率達到24%。新能源汽車市場的增長對汽車生產(chǎn)技術提出了更高要求，相較于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車更需要輕量化，以緩解“電動化”和“智能化”帶來車輛質量增加的問題，從而提升續(xù)航里程和整車性能。

在實現(xiàn)車身減重的輕量化新材料、結構優(yōu)化設計、輕量化制造工藝三種方式中，材料輕量化是一項基礎性的核心技術，對提高汽車續(xù)航能力等關鍵性能具有重要意義。輕量化材料的應用必然會導致車身連接技術的變化，傳統(tǒng)鋼車身90%以上為電阻點焊，輕量化車身以冷連接工藝為主，熱連接及膠接為輔。因連接工藝局限性及對質量要求的不斷提高，輕量化車身無法像傳統(tǒng)車身那樣依靠人工實現(xiàn)連接，催生工業(yè)機器人在新能源汽車制造業(yè)中得到深入廣泛的應用。輕量化新能源車身制造中采用機器人，不僅可以節(jié)約人力，降低成本，提高設備利用率，提高產(chǎn)品的質量，更重要的是可以保障人員安全，改善工作條件，減輕勞動強度，提高工作效率[1]。

2 焊裝機器人系統(tǒng)簡介

汽車白車身連接通常以生產(chǎn)線或工作島形式進行工藝布局，生產(chǎn)線或工作島一般由單個或多個工位組成，每個工位可看成是單個連接系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由多臺（通常為2或4臺）機器人及外部集成系統(tǒng)等構成。

2.1 機器人系統(tǒng)構成

機器人系統(tǒng)主要由機器人本體及外部集成系統(tǒng)組成。機器人本體主要包括機器人、機器人控制器、示教器，外部集成系統(tǒng)根據(jù)其集成的不同連接設備或者工裝略有差異，一般包括連接設備、連接設備控制系統(tǒng)、連接設備輔助系統(tǒng)、管線包、RIP單元等組成，見表1。根據(jù)節(jié)拍及車型柔性化的需要，部分機器人存在一對多的情況，需同時配置多臺相同或者不同的連接設備及工裝，這就需要配置換槍盤、連接設備/工裝托架及機器人七軸等[2]。

表1 機器人系統(tǒng)構成

2.2 單工位系統(tǒng)構成

單工位分總成或白車身總成工位系統(tǒng)主要由工裝夾具、機器人連接系統(tǒng)、PLC控制柜、安全圍欄等組成。單工位分總成一般采用島式結構，1～2臺機器人對應多套夾具，人工上下件，機器人連接。白車身總成一般采用線體結構，標準工位一般按照4臺（具體數(shù)量根據(jù)工藝需求配備）機器人配置，輸送一般采用滾床滑橇，如圖1所示。

圖1 單工位機器人系統(tǒng)

3 機器人在新能源車身焊裝生產(chǎn)線的應用

機器人在新能源汽車生產(chǎn)線的應用非常廣泛，在焊裝線規(guī)劃初期，會根據(jù)產(chǎn)品工藝要求及投資情況進行自動化程度定義，合理選擇自動化方案。機器人應用場景按照功能劃分，一般根據(jù)工藝分為連接工藝、涂膠工藝、搬運、檢測等。

3.1 焊裝機器人應用規(guī)劃標準

焊裝工位或生產(chǎn)線是否選擇自動化，一般按照5個維度來進行評估，如圖2所示。在方案規(guī)劃初期，首先考慮生產(chǎn)線柔性化及后續(xù)車型預留需要，一般30JPH生產(chǎn)線通常按照2平臺4車型，60JPH生產(chǎn)線按照3平臺6車型規(guī)劃，對于存在車型柔性切換需要更換工裝、設備的工位需要的優(yōu)先考慮自動化。其次根據(jù)特殊工藝需要來定義自動化方案，對于新能源輕量化車身來說，SPR、FDS、鋁點焊、激光焊等工藝由于設備工藝要求、安全、操作性等方面，需要考慮自動化方案。然后考慮質量標準高的區(qū)域，如外觀焊點位置，為避免焊點扭曲變形影響，需要考慮自動化連接來確保質量穩(wěn)定可靠。接著考慮下崗位勞動強度是否符合崗位標準，對于勞動強度大，操作困難的作業(yè)考慮自動化方案。最后，除以上幾個維度外，若選擇自動化方案相比手工方案從長期生產(chǎn)運行看有明顯經(jīng)濟效益，也優(yōu)先選擇自動方案。

圖2 自動化方案選擇流程

3.2 機器人連接工藝應用

新能源輕量化車身一般選擇鋼鋁混合路線，充分發(fā)揮鋼和鋁優(yōu)勢，將合適的材料用于最合適的位置。由于下車身電池重量較大，下車身采用更輕質的鋁合金，上車身采用高強的高車身，同時在碰撞安全區(qū)應用熱成形鋼等形成安全的籠式結構，其強度是高強鋁合金的3倍左右，更可以實現(xiàn)整車上下重量的完美配比，從安全性、操控性、舒適性等多個方面為消費者帶來價值，多材料混合的“上鋼下鋁”車身具有較高的性能和較優(yōu)的制造及后續(xù)維護成本。輕量化鋼鋁車身連接工藝常見分布情況見表2。

表2 輕量化鋼鋁車身連接工藝分布情況

（1）機器人SPR/FDS連接工藝應用 新能源輕量化鋁/鋼鋁車身一般以SPR、FDS冷連接為主。自沖鉚連接技術（SPR）是一種在板材和鉚釘之間形成連接，不需要預先打孔，而是把所使用的半空或實心鉚釘作為沖孔工具的一種高速機械連接工藝，SPR為雙面連接，適用于4mm鋁/鋁鋼組合連接。熱熔自攻鉚接（FDS）是通過高速旋轉及軸向下壓力使工件發(fā)生塑性變形，螺釘穿透工件，形成自攻形成完全嚙合的螺紋，擰緊至最終扭矩，適用車身單面連接區(qū)域。兩種連接工藝一般均采用機器人自動化方式[1]。

某新能源輕量化車身下車體為全鋁，車型規(guī)劃為兩平臺，節(jié)拍30JPH。考慮連接設備成本高，下車體UBGEO工位方案考慮采用小循環(huán)臺車方案，最大限度提高連接設備利用率。規(guī)劃4個工位。UB010為臺車等待工位，U B020為下車體各總成上件工位，3臺機器人將從APC或者EMS小車上分別取前后地板總成、發(fā)倉總成，機器人涂膠后上件至臺車上。臺車輸送到UB030工位定位鎖緊，4臺SPR機器人對下車體進行點定后，臺車輸送至UB040工位，4臺FDS機器人對下車體進行點定后，1臺7軸機器人將下車體總成輸送至下一工位，通過升降機輸送至UB后續(xù)線體。具體工藝布置如圖3所示。

圖3 UBGEO工作島SPR/FDS工藝布置方案

下車體GEO工作島規(guī)劃節(jié)拍30JPH，考慮設備開動率85%，單工位節(jié)拍為102s，各輸送采用高速滾床+臺車方式，柔性化考慮臺車車型切換，輸送節(jié)拍舉升2～3s，行走6～8s，SPR連接按照6s/點，F(xiàn)DS連接按照平均7s/點，涂膠按照80ms/s，工位節(jié)拍及最大連接能力分析詳細見表3。

表3 UBGEO工作島各工位節(jié)拍及最大連接能力分析

（2）機器人激光焊連接工藝應用 激光焊接技術是以高能激光束為熱源，使其沖擊焊件接頭，通過熔化釬料或母材，完成板材間連接的一種熱連接技術。目前白車身激光焊接中應用較為廣泛的兩種焊接方式為激光釬焊和激光熔焊，圖4為兩種激光焊接方式的焊縫形式。

圖4 兩種激光焊接方式的焊縫形式

相比冷連接和傳統(tǒng)點焊工藝，激光焊接具有以下優(yōu)點：①焊接速度快，生產(chǎn)效率高，可以沿任意軌跡進行焊接。②激光光束能量密度高，熱影響區(qū)域小，焊縫深寬比大，焊接變形小。③可實現(xiàn)不同型號、異種金屬之間的焊接。④配合輕量化車身，可實現(xiàn)車身進一步輕量化及降成本。激光焊接應用在輕量化鋁合金連接中，用于解決焊接困難，并進一步降低車身重量，目前大量應用在頂蓋、后備箱蓋、側圍門框、流水槽等位置，某輕量化車身激光焊應用情況見表4。

表4 輕量化車身激光焊應用情況

針對激光焊工藝分布情況分別制定工藝方案，頂蓋與側圍搭接規(guī)劃在主線外總拼工位，前后車門門框集中規(guī)劃在門蓋工作島同一工位進行焊接，側圍門框及流水槽集中在側圍外板線進行規(guī)劃。以側圍外板為例介紹機器人激光焊工藝應用方案。在側圍外板線規(guī)劃建設激光房，工位規(guī)劃5臺機器人，1臺機器人將側圍外板、前部加強框總成、流水槽總成上件至側圍外板總成定位工裝上，定位工裝采用四面體轉臺實現(xiàn)4車型柔性切換，上件后工裝定位夾緊，機器人離開激光房并關閉房門，3臺機器人進行激光焊（2臺側圍門框激光熔焊和1臺流水槽激光釬焊），完成后1臺7軸機器人將側圍外板總成下線并進行人工焊縫檢查。為保障激光焊每次都能準確地尋找到焊接起始位置，在焊接頭的前端增加一套焊縫尋位系統(tǒng)。具體平面布置如圖5所示。

圖5 側圍激光焊工藝布置方案

3.3 機器人涂膠工藝應用

（1）白車身焊裝用膠 車身焊裝常用膠為折邊膠、點焊膠、結構膠、減震膠和雙組份膠等，折邊膠是用于車身鈑金件折邊結構的膠粘劑，主要應用于四門兩蓋及輪罩等包邊位置。點焊膠是預先涂布板件焊接的搭接位置，點焊后填充板件縫隙，防止銹蝕，減噪，防止焊縫間隙漏水、通風、漏塵，保障車內環(huán)境，適用于車身點焊位置。減震膠用于減少車輛行駛過程中的噪聲和振動，車身很多零件如門外板件、頂蓋外板及側圍外板等外板件與內板件之間存在間隙，且無法通過焊點連接，將膨脹膠涂在兩零件之間，其經(jīng)過加熱膨脹固化后，膠層具有較高的粘結強度。結構膠主要起到增強車身結構作用，還能夠局部替代某些位置的焊點。雙組份膠是兩種膠通過一定比率混合，在室溫下固化的結構膠粘結，主要應用外板包邊位置，因其具有室溫下固化強度高的特點，可以更好地防止包邊后外板件竄動，避免影響總成精度[3，4]。

（2）新能源車身涂膠方案 車身涂膠方案一般有人工手動和機器人自動兩種方式，如圖6所示。隨著汽車制造工藝及質量要求的不斷提高，機器人涂膠應用越來越廣泛，尤其是新能源汽車更需要采用機器人涂膠方案。主要體現(xiàn)在以下幾個方面原因。

圖6 人工及機器人涂膠布局

1）涂膠量大。新能源輕量化車身因其主要連接工藝為SPR、FDS冷連接工藝。單純冷連接工藝強度相比焊接強度低，無法達到白車身強度、剛度要求，一般需要配合結構膠才能達到使用要求。通常SPR、FDS增加結構膠后的強度為單獨連接強度的5～8倍，因而輕量化鋁車身結構應用相比鋼制車身在結構膠用量要增加近幾十倍，普通鋼車身結構膠長一般在5～10m以下，鋼鋁車身結構膠長在80～100m，全鋁車身結構膠長近200m。

2）工藝要求高。為保證膠的覆蓋率，同時避免溢膠對涂裝電泳的影響，因而工藝對膠的直徑、膠邊距（膠距離板件止口邊距離）、起止點等有明確的要求，由于通過人工涂膠有時難以保障質量，因此需要機器人系統(tǒng)來確保涂膠位置的穩(wěn)定性和一致性。

3）質量要求高。因新能源車涂膠量大，對膠質量要求更高，涂膠質量不良會嚴重影響車身性能。采用機器人涂膠同時配合視覺檢測系統(tǒng)，對膠條質量在線監(jiān)控，可檢測膠條位置、寬度、連續(xù)性，在膠槍工作時進行實時檢測，不占用生產(chǎn)節(jié)拍，并且可以存儲圖像和數(shù)據(jù)，用于工藝分析和質量追溯，因而機器人涂膠能夠更好地保障涂膠質量。

3.4 機器人搬運工藝應用

白車身生產(chǎn)過程中經(jīng)常涉及沖壓件、分總成及總成在同工位或不同工位間的搬運，因考慮操作性、安全性、柔性化、質量及節(jié)拍等工藝要求，需要采用機器人來搬運工件。

常見機器人搬運工藝應用情況見表5。

表5 機器人搬運工藝應用情況

3.5 機器人檢測工藝應用

機器人檢測工藝主要指通過機器人攜帶視覺系統(tǒng)來檢測工藝質量、工件位置、精度等，來達到某種工藝應用需求。常用的機器人視覺檢測工藝主要有焊縫視覺檢測、涂膠視覺檢測、上件視覺檢測引導、在線精度檢測等。

（1）工藝質量檢測 工藝質量檢測包括對焊縫質量和涂膠質量的檢測等。焊縫視覺檢測主要應用于激光焊或弧焊，用于檢測工件位置精度來確定焊縫位置從而實時匹配機器人的軌跡，或用于焊后焊縫質量的監(jiān)控和追溯。機器人涂膠檢測同樣用于對涂膠質量的實時監(jiān)控和質量追溯[5]。

（2）上件引導檢測 視覺引導上件技術結合了視覺檢測技術和工業(yè)機器人運動學原理，為機器人安裝“眼睛”，突破機器人只能單純地重復示教軌跡的限制，使其能根據(jù)被操作工件的位置變化實時調整其工作軌跡，準確抓取工件，直接提升整個車身制造過程的自動化效率。視覺引導上件相比傳統(tǒng)人工上件、高精度料架上件具有明顯的優(yōu)點，三種上件方式對比見表6。

表6 三種上件方式對比

某新能源輕量化車型側圍外板上件考慮采用視覺引導上件方案，方案平面布局如圖7所示。采用AGV將左右側圍工位料架送至庫位，根據(jù)料架精度，可考慮機器人攜帶抓手直接對側圍外板L進行視覺拍照后抓件，或機器人攜帶抓手先對料架位置進行初步拍照尋位，再對側圍外板L進行二次視覺拍照后抓件。機器人抓取側圍外板L件后上至轉臺夾具，人工上尾燈板、流水槽、鎖扣等小總成后夾具夾緊并旋轉180°至焊接位對板件進行點定。機器人將焊接完成的側圍外板總成R從轉臺夾具上取下后并進行固定補焊后掛在EMS小車上。接著機器人重復從另一個料架里抓取側圍外板R，上件至轉臺夾具上，人工上小總成夾緊后，此時轉臺另一側側圍外板總成L點定連接完成，轉臺旋轉180°，機器人取側圍外板總成L至固定焊鉗補焊后掛在EMS小車上，進入下個循環(huán)取側圍外板L。此方案最大程度提高視覺引導設備的利用率，實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)及抓手的共用，減輕人員操作強度，降低外板變形對精度的影響，同時四面體轉臺夾具可以滿足2車型柔性化需要。

圖7 側圍外板總成上件引導視覺方案

（3）在線精度檢測 機器人在線精度檢測主要包括對白車身各部件總成關鍵孔位精度在線檢測及白車身總成間隙面差在線檢測，典型在線精度檢測應用方案如圖8所示。從成本角度看，通常在車身總成兩側各安裝1～2臺機器人構成檢測系統(tǒng)，一套完整的測量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分,其中硬件部分包括：工業(yè)機器人、激光視覺傳感器（測頭）、測量計算機及圖象處理系統(tǒng)、測量數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡結構、電氣控制系統(tǒng)等。軟件部分包括：測量控制軟件和數(shù)據(jù)管理與分析軟件。測量過程為：當機器人接收到開始測量信號后，就按預先規(guī)劃的測量路徑帶動視覺傳感器運動，依次使視覺傳感器到達被測點，由視覺傳感器完成測量。測量結束后，機器人回到初始狀態(tài)，并發(fā)送測量完畢信號。

圖8 在線精度檢測方案

4 結束語

車身輕量化是新能源汽車發(fā)展的必然趨勢，車身輕量化的設計手段不斷優(yōu)化，輕量化材料的應用也越來越廣泛。新能源車身由于采用輕量化鋁合金材料，導致工藝變化，SPR及FDS等冷連接工藝因設備安全性及操作性必須要采用自動化連接，激光焊和鋁點焊因職業(yè)衛(wèi)生需要也必須采用機器人自動化方式。輕量化工藝需要結構膠配合才能更好保證車身強度及剛度，新能源輕量化車身涂膠量是傳統(tǒng)車的幾十倍以上，同時由于涂膠工藝質量要求的提高，也需要采用機器人涂膠。同時隨著對工藝柔性化、自動化、質量等要求的提高，機器人搬運及在線精度檢測也越來越普遍。因而，隨著輕量化在新能源車身的發(fā)展及工藝要求的提高，自動化也是新能源車身發(fā)展的必然趨勢。