基于机器人的纯电动车高压电池装配工艺研究

沈阳

（华晨宝马汽车有限公司，沈阳 110044）

0 引言

在经历了大约10 a的缓慢发展之后，电动汽车作为国家战略被提上日程，将成为汽车市场的主流产品。国务院关于新能源汽车产业发展规划定如下目标：到2025年，我国新能源汽车市场竞争力明显增强，新能源汽车新车销售量达到20%左右[1]。电动汽车技术作为新时代快速兴起的一项新型技术，它集合了多种技术，其中有现代电子计算机技术、机械制造技术、新型动力设备技术等[2]。电动汽车行业其发展目的是做到产业化、智能化。

纯电动的核心部件主要由电池、电动机、驱动半轴和充电口及附属部件组成，如图1所示。其中高压电池作为电动车的核心部件，其发展及研发是制约各大电动车厂的瓶颈[3]。而在总装厂，如何把高压电池和车身合装在一起，其工艺的有效性和稳定性尤为重要。

图1 纯电动车的结构

本文创新地提出：利用智能安全机器人带动数字化螺栓拧紧机，来实现高压电池的精确安装。通过PLC实现逻辑控制，并实时监控安装打紧结果，连入质量监控系统，可以保证装配工艺的稳定性、自动化和高效性。

1 高压电池装配工艺

纯电动车由高压电池提供能量，电动机把电能转化为机械能，通过驱动半轴传递到车辆轮胎进而使车辆行进。高压电池的装配工艺如图2所示，一般为3步：1）高压电池举升至装配位，先打紧侧面螺丝，使电池与车身固定在一起。2）打紧前部螺丝和后部螺丝一般位助力臂打紧3）举升设备回位，并连接相应高压线。其中第一步尤为重要，因为在打紧过程中，要配合车身吊具位置，高压电池由于质量重、体积大，传统工艺中，其与车身装配及螺丝打紧主要使用大型设备连接多把拧紧枪同步打紧，效率低下且打紧结果不稳定。

图2 纯电动车电池装配

为解决侧面螺丝的关键打紧稳定性问题，提出使用安全机器人来实现此工艺需求，以提升生产效率。

2 机器人和螺栓自动拧紧机

在机械行业的装配过程中，螺纹连接是最为传统的连接方式。目前业界使用的是德国工程师协会发布的VDI2230标准，如图3所示。其中高负荷连接的系统计算方法是研制数字化螺栓拧紧机的依据[4]。

图3 高负荷连接的计算标准

在螺栓的拧紧过程中，工具制造商追求的目标是有效地控制拧紧，并使拧紧达到最佳状态。本文采用的是高精度转矩控制螺栓自动拧紧机，其主要结构如图4所示，由控制器、线缆和拧紧轴组成，具有数字通信功能，可与上位PLC通信；内置芯片，内部可设置及修改打紧参数；拧紧轴配置高性能电动机和惯量刹车。

图4 螺栓自动拧紧机组成

3 机器人运动仿真

Tecnomatix的Process Simulate软件提供了一个集机器人和自动设备规划及验证为一体的虚拟环境，能够模拟安全机器人在真实环境中的工作情况，安全机器人主要组成部分如图5 所示，是智能化工厂实现的重要方法，可大幅提高机器人离线编程效率和质量，减少现场环境调试的时间。

图5 安全机器人主要组成部分

3.1 模型导入

在做离线仿真之前，首先需要把各个部件由三维模型导入到Process Simulate的环境中，图6所示为螺栓自动拧紧机及固定架的三维数模，与高压电池、安全机器人、托盘、围栏等一起导入到Process Simulate中（如图7），并按照车间布局图装配到理论位置。

图6 螺栓自动拧紧机及固定底座三维数模

图7 仿真环境模型

3.2 离线轨迹

模型导入并组装完成后，首先定义出工具坐标，即数字化拧紧枪的工作位置。为调试方便，选取数字化拧紧枪前端中心点位置，其次定义一固定位置为虚拟编程的基坐标系，然后基于螺栓最终打紧位置，定义出中间点位置及目标点位置，选取合适的逼近方式，生成初始离线轨迹程序，如图8所示。

图8 离线轨迹程序

4 安全设计及PLC编程

4.1 安全设计

在生产区域，员工的安全是第一要素。因此在高压电池机器人工位，选取的机器人都是安全机器人。

在确定初始离线轨迹及无干涉情况后，意味着设计方案已经得到论证，这时需要检查机器人负载分布。如图9所示，把数字化拧紧枪及固定架载荷输入至机器人负荷检查软件中，就可以计算出对六轴机器人每个轴的负荷状态。从计算结果可以看出，全部低于额定负荷，满足现场需求。

图9 机器人负载验证

然后设定机器人安全区，对于工具端设置安全球，把机器人工具包络进去（如图10），同时设置安全工作区（如图11），并设置激活条件，如果员工进入工作区工作，就会发送信号给机器人，即使机器人的工作步序里需要进入此工作区，也需要在此区域外等待，直到员工释放此区域，机器人才可进入，以达到保护操作者的目的。

图10 工具端包络安全球

图11 机器人工作区

4.2 PLC编程

根据工艺过程描述、失效模式分析、备用方案过程，电气PLC人员开始进行电气设计，确定各功能组件后，进行硬件组态，（如图12），机器人和数字化拧紧枪都是其执行单元。然会定义变量，在西门子TIA软件里利用标准模块进行逻辑编程，最后生成人机交互界面，如图13所示。在这中间会进入虚拟环境，虚拟调试各个工作状态及安全信号，确保无误后下载到现场PLC工控机中。

图12 PLC硬件组态

图13 人机交互界面

在打紧过程中，如果螺栓数字化自动拧紧工具监控到任何转矩异常或衰减，就会报错，错误信息及位置信号同时发送给PLC及生产质量监控系统。此生产监控系统是实时监控的，员工收到提示后到人机监控界面上查找，进行质量分析并查找故障原因。

5 结论

1）创新地提出了利用机器人带动数字化螺栓拧紧机，来实现高压电池的精确装配。进行了机器人运动仿真及虚拟碰撞测试，定义了安全工具及安全区，在虚拟环境实现了轨迹优化和机器人程序输出。

2）数字化螺栓自动拧紧机机器人程序与PLC互联，并与生产监控系统互联，真正做到了智能化和数据化生产，大大缩短了现场人员的操作时间，提高了高压电池的装配工艺的准确性和稳定性。