机器人滚边压合工作岛的应用

同济大学 朱西产 王洪杰



机器人滚边压合工作岛的应用

同济大学 朱西产 王洪杰

机器人滚边技术是一项处理效果明显的汽车内外板连接加工工艺，采用机器人滚边车门内外板处理具有成型效果美观、生产效率高且维护成本相对低廉的加工技术，现代汽车生产领域车型更新速度越来越快，各种高质量、高速度的新型车型正在快速进入汽车行业，汽车市场的竞争压力越来越高，机器人滚边技术正是适应了企业领域的发展现状，在国内外轿车制造领域内得到了广泛的应用。

本文引用中国一汽的一个应用案例，从柔性的机器人滚边工作岛入手，详细分析了机器人滚边技术的实际应用情况。

某车型产品规划纲领为年产1 000辆，按照年工作日250天计算，日产4辆份，单班生产，生产节拍为2h/辆，而一般民品车型焊装生产线生产节拍都在5min以内。因此项目整体的工艺规划与一般焊装生产线的规划有很大不同，明确的规划方向为：以保证装配质量为前提，控制整体项目投资，减小占地面积，可接受自动化程度低、手工作业的方式。

需要包边的产品共有八种，分别为左/右前车门总成、左/右后车门总成、发动机罩总成、左/右翼子板总成和左/右前轮罩，从目前的技术角度来看，可实现包边压合的方式有三种：手动液压包边、压合包边机、机器人滚边。从投资、占地面积、人员配备等方面综合对比如附表所示：

从表中可以看出，机器人滚边压合方案具备占地面积小、柔性好、省人化、质量稳定的优势，因此最终我们采用此工艺方案。

机器人滚边工作岛技术方案

1. 工艺流程

本案例中滚边工作岛（见图1）主要由机器人、滚边胎模夹具和转台、滚边工具及工具快换装置等构成。机器人在中心位置，滚边胎具及压具沿周布置，应用PLC控制系统实现多品种小批量产品的滚边压合。

此工作岛完成对八种总成件外缘的包边，工作台通过伺服电动机控制实现水平回转式工作。其中左/右前车门总成、左/右后车门总成和发动机罩总成、左/右翼子板总成和左/右前轮罩总成各自共用一个转台。转台一侧为滚边工作区，另一侧为人工上件区，利用光栅扫描实现人机的安全分离。

该工作岛的设计具有良好的柔性，可在手动和自动两种模式下工作。在手动模式下，人工操作按钮台发送请求信号给机器人，当其他条件均满足时，机器人识别到相应胎膜上有工件即执行滚边程序；在自动模式下，也可以分为两种情况：

（1）如果一段时间里只生产某种产品（以左前门为例），操作方法如下：

1）当工位处于自动模式后，上件之前首先确认光栅已经复位。

2）然后根据生产需要按下左前门车型按钮（在屏幕上操作），此时若左前门工装不在上件位置，转台会自动运行到左前门的上件位置。即使上件之前左前门工装已经处在上件位置，也要按下“左前门车型按钮”。

3）操作人员开始上件，上件完毕后复位光栅，按下“复位启动”按钮，转台转到工作位置。

4）转台转到工作位置之后，机器人开始工作，操作人员只需等待滚边结束后，转台自动转到上件位置。

5）转台转到上件位之后，工人闯入光栅，取件，退出，然后及时复位光栅，然后开始下一个工件的滚边，如此反复循环。

（2）如果是同一转台上两种产品交替生产的话（假如先生产左前门，然后右前门，再左前门），操作方法如下：

1）当左前门车型工装转到工作位置的时候，机器人已经开始工作，此时右前门车型工装处在上件位置。

2）工人此时可以进行右前门车型的上件工作，接下来的操作如下：

图1　机器人滚边工作岛布局图

无需按下右前门车型按钮（按下该按钮也起不了作用），闯入光栅，直接上件，上件完成之后，退出光栅，复位光栅即可。机器人完成左前门车型的滚边工作之后，左前门车型工装转到上件位置，右前门车型工装“被动地”转到工作位置，机器人自动更换抓手，接下来完成右前门滚边工作，如此反复循环。

2. 机器人选型

选择机器人时需要参考机器人的承载能力和工作范围，而机器人的工作范围是通过滚边工艺布局和模拟仿真的结果确定的，机器人的承载力大小是根据选用的包边工艺决定的，滚边操作物体的重量，操作过程中需要的压力和机器人运行速度等都是影响机器人承载力的重要因素。本项目中机器人除了完成滚边以外，还要搬运滚边压具，所以负载较大。通过前期的模拟分析，选择机器人型号为ABB品牌的IRB6640-235/2.55，最大负载225kg。

3. 滚边胎膜及夹具

胎膜直接与外板件接触，起到定位于支撑的作用，所以对其精度与硬度要求非常高。材料选用球墨铸铁，满足德国标准牌号为1.2320（GP3M）的材料，硬度大于50HRC，使用寿命在50万次以上。胎模型面的加工为一次成型，不允许进行任何的修补与返工。

夹具系统是由内外板定位夹具构成，外板件的定位单元和胎膜使用同一个BASE，外板件在孔定位基础上进行采用型面定位，通过合理布置夹具的定位单元和导向单元的数量和位置提高系统滚边处理的精确度。内板定位夹紧有胎膜夹具夹紧、压具夹紧两种方式，因本案例中产品品种较多，内板定位方式也不同。其中左/右翼子板总成、左/右前轮罩总成及发动机罩尺寸较小，单边滚边，长度仅300～600mm，采用的胎膜夹具夹紧的方式；其余几种均沿周滚边，长度达4200mm左右，采用压具夹紧的方式，如图2所示。

4. 机器人滚边压合速度

滚边压合速度是滚边工艺中的一个重要参数，直接影响着生产节拍，同时也决定着包边压合的质量。一般来说，同等条件下，压合速度越快，对冲压件的质量稳定性要求也越高，产生压合质量缺陷的可能性越大。在直线滚边时，机器人可达到的最大速度为800mm/s，但为保证产品的质量要求，使用厂家都会将机器人滚边压合速度控制在200～400mm/s范围内。

在本案例中，因生产节拍较长，滚边速度设置的较慢，最大速度在150 mm/s，完成一个工作循环的时间为24min。但可提升速度的空间很大，几种包边外板的板厚均为1.0mm，最大速度可提高到260mm/ s。但部分区域的滚边曲率变化大且翻边的角度较大，滚边处理时要严格控制速度，一般将其控制在50～150mm/s范围内。

5. 滚边工具选型

机器人滚头为机械性柔性滚头，主要由基板、滚压轮和机器人连接组成，连接在机器人的轴上，通过压力弹簧的弹性控制将机器人压力传递到滚轮与零件的接触面上，完成板件的压合。在滚轮直径的选择上，平面路径一般选择大直径的滚轮，直径小的滚轮更容易引起板件的波浪变形。曲率变化大的区域滚轮直径应小于曲面直径才能保证外板的充分压实。根据本工作岛压合产品特点，每个总成的滚边压合分三次完成，对应滚头有三种形式，分别完成95°～60°一次压合、60°～30°二次压合、30°～0°终压合。滚轮为锥形轮（如图3所示），顶端最大直径为61mm，底端直径在54～58mm之间。经热处理，硬度大于60HRC。

模拟仿真与离线编程

图2　胎膜及压具

前期的模拟仿真技术可以大大缩短现场调试周期、降低项目实施中的风险、提高调试合格率，因此目前的机器人系统设计都会经模拟仿真作为必不可少的一个步骤。本项目运用ROBCAD软件对工作站的布局、滚边路径规划、机器人选型等做了充分的模拟仿真（见图4）。在此基础上，按照工艺要求完成离线编程程序，进行现场调试时要将事先做好的离线程序导入机器人设备中。在冲压件实物与数模一致性较好、前期导入的模具及机器人等模拟仿真数据较准确的情况下，离线编程程序是基本可以用于正式应用的。但实际的情况往往不够理想，所以调试过程中的修正也必不可少。

图3　滚边工具示意图

图4　机器人滚边系统的仿真处理

调试阶段的问题解决

项目调试阶段，是对前期系统设计的一个验证与修正的过程。本项目要实现一台滚边机器人对三个旋转工作台共八种产品在手动、自动两种模式下的柔性滚边，控制系统较复杂，在调试阶段我们要验证系统功能的实现，并且充分保证人员操作的安全。

另一个重点关心的问题就是质量问题。尖角上翘、波浪起皱、包边失效是滚边压合技术常见的质量缺陷。为避免这些问题的发生需要多个部门对滚边压合工艺充分了解。产品设计部门对外板件翻边高度及角度、内板件结构的设计要符合要求；夹具定位设计合理保证外板与夹具完全贴合；除此以外，对调试工程人员的技能要求也较高，滚轮在不同部位施加的压力及滚边路径的设计大都需要调试人员在现场的实际示教来完成，直接影响着调试废品率及项目周期。影响滚边质量因素较复杂，因此如何降低调试人员技术难度也是机器人滚边技术更广泛应用过程中需要解决的问题。

作者简介：

朱西产，1983年毕业于太原科技大学工程机械专业，1995年在清华大学汽车系获得博士学位。现任同济大学汽车学院教授，任汽车安全技术研究所所长。1996年调入中国汽车技术研究中心从事汽车安全研究工作，任国家汽车质量监督检验中心副总工程师，1999年在武汉理工大学与中国汽车技术研究中心联合申报的“车辆工程”博士点中获得了博士生导师资格。2001年聘为中国汽车工程学会特聘专家，2004年聘为天津市特聘专家。从2000年至2005年被聘任为中国汽车技术研究中心汽车被动安全重点学科的首席专家。

朱西产教授在汽车碰撞安全性研究领域、交通事故分析鉴定领域和基于用户实际载荷谱的汽车可靠性技术研究方面具有深厚的基础和行业知名度。

王洪杰，2004年毕业于天津大学金属材料工程专业。2004年工作至今，在一汽解放汽车有限公司卡车厂从事焊装工艺员的工作。期间负责过多个新产品生产准备项目，积累了丰富的工作经验。□