自动化投料在车身制造中的应用研究

仇磊

摘要：自动投料是指由自动化的设备从零件承载器具中取出、搬运并放置到指定位置的过程。细分包括识别、抓取、搬运、放置四个过程。目前车身制造的自动化普遍实现了连接、检测及零件在生产线间转运，对于自动投料仍有一定课题。要想真正实现全自动化、无人化，自动投料是必须面对和解决的，此处展开研究并取得突破是十分有意义的。

关键词：自动投料;自动化;车身制造;视觉纠偏

一、背景介绍

随着市场消费群体对汽车产品个性化、多样性的追求，汽车产品不断推陈出新，整个汽车产业带来了飞速的发展。同时整车制造也产生了极大的变化，由早期单一产品变为多型号、多颜色、多配置的混合生产模式。自动化生产更能适应这种变化。自动投料技术是工厂生产的第一步，也是能摆脱作业人员、成为全自动化无人工厂的关键一步。

二、目前存在的主要问题

在车身制造中已经稳定实现的自动投料主要有：

1、小分总成，如底板骨架总成、底板面板总成、轮罩总成、仪表板总成。

2、二级分总成，如前/后地板总成、前舱总成、侧围总成、门盖总成等。

除此，下一层级单品零件及小总成零件投料仍存在以下课题：

1、自动投料稳定性差。零件在投料的过程中经常存在抓取不良、搬运掉落、放置不良的情况，影响生产线稳定运行。

2、器具、抓具通用性差。因小零件的结构形状差异大，零件器具、抓手的设计差异很大，难以通用，多车型混线生产时占用大量面积。

3、零件表面划伤及零件变形问题。抓具夹头夹紧零件时易造成外观面划伤，搬运动作过快易造成零件扭曲变形，对车身质量较大影响。

三、原因分析

根据设计仿真、项目经验及生产观察，分析以上问题的主要因素：

1、视觉纠偏是实现稳定抓取的关键。现在纠偏技术大都采用光学视觉传感器计算出零件空间位置的偏差，再指挥机器手姿态调整完成抓取。零件特征点选择、外表镜面反射光线、环境强光线、零件与背景较小的对比度都会对视觉纠偏系统产生较大影响，进而影响稳定抓取、搬运及放置。

2、产品设计。车身零件开发时未充分考虑自动投料成立行，包括定位及夹紧位置、刚性等问题，这些会给抓具、器具成立行及通用性带来很大影响。

3、抓具设计。抓具的定位销、夹头或吸盘布置不合理，在搬运过程中不能良好的保护车体零件。与零件接触的夹头材质较硬或面贴合度不好，产生压痕或划伤。

四、解決及优化方案

结合以往的项目经验，主要从以下几个方面进行了解决及优化：

1、视觉纠偏系统选配。采用了集零件特征识别与位置纠偏功能于一体的视觉系统。特征识别是通过零件高、低配的特征差异识别判断，有效防止错装、漏装。另一方面，为了解决纠偏功能受零件特征差异、强环境光、零件表面反光、零件与环境对比度的影响，我们采用了以下措施：

①零件特征选择。结合零件图纸，选择重要保证的孔、台、面作为识别特征，减少零件特征变化的影响;

②增加遮光板。在视觉拍摄工位周围增加遮光板，遮挡外部光线的强直射，包括阳光、灯光，有效降低反射，提升成像质量。

③增加补偿灯光。视觉系统中至关重要的一个因素就是光源，我们选择带遮光罩环形LED灯，其可以提供多点位均匀照射，充分保证拍摄亮度，凸显零件特征。光源颜色、照度、分布点位根据项目需要做好充分调研或测试，才能保证稳定成像。

④视野范围调整。为保证更为真实的成像，尽量避免将零件特征置于视野范围的边界处，通过调整相机支架以及机器人拍照姿态即可实现。

⑤自主学习功能。带自主学习AI功能的处理系统，通过一定数量良品、不良品的学习，就能够较精准的推算出边界条件，相比以前普通视觉需自定义拍摄及大量调教，有更高的效率和稳定性。

⑥无序抓取。无序抓取是目前一种逐渐成熟并扩大应用的技术。其原理是通过结构光或激光扫描构建出3D模型并提取关键特征，然后引导机器手改变姿态抓取。它最大特点是，不限定某个关键特征的朝向，通过轮廓扫描即可计算出抓取位置。这种技术应用大大降低了器具的开发难度，提升了器具通用性。对体型较小、刚性大、对外观没有影响的零件非常适用。

2、产品设计优化。这里一般指非外观面零件，在产品设计时进行工艺分析，首先充分考虑抓取时需要用到的面、孔及其他特征在抓取时的成立行;其次考虑他们的定位互换性，比如对于门槛板的设计，就可以直接约束器具定位、搬运的孔、面，进而保证器具、抓具的通用性。对于外观零件，如门外板、顶盖、侧围外板、翼子板等，因需满足造型需求，只能通过开发柔性抓具来实现其通用。

3、工位器具规划。工位器具主要承担零件定位、放置、转运的作用，工位器具通用性、一致性对自动上料有较大影响。根据不同的应用场景进行分析：

①承接内制零件，无需翻包。由冲压生产的车身零件通过器具直接转运至焊装车间。工位器具设计时需兼顾零件放置时的便利性及机器人取件时的便利性。器具转运在冲压、焊装两个车间内，不出工厂，距离较近，料架一致性较易保证，维护较便捷可靠。

②承接外制零件，需翻包。其他地点生产的车身零件，通过专有包装运至库存区后，再将零件翻包至工位器具内。这种情况下，工装器具只需考虑机器人搬运便利性及转包时操作便利性，转运距离大大缩减，料架一致性容易保证，维护最为便捷可靠。

③承接外制零件，无需翻包。其他地点生产的车身零件，通过转运器具送达至库存区，无需翻包，直接将转运器具及零件配送至投料口。这种器具开发难度较大，需兼顾零件放入、机器手取出及长途转运中零件放置稳定，其器具数量多，一致性保证困难，维护较困难。

4、抓具开发。抓具分为通用型及专用型，他们各有优缺点，需要灵活选择：

①通用抓具指不同车型的同一种零件的抓具通用。其在抓取不同车型的零件时，通过定位销、定位块的切换、变位来实现。其优点是节省抓具的占地面积，节省切换抓具的时间，提高生产效率。缺点是为了满足通用，定位块设计会减少面积，甚至数量，对零件搬运的稳定性有一定影响。

②专用抓具指不同车型的同一种零件的抓具是不通用的、独立的。机器人需要切换抓具以达到不同车型混合生产的目的。其优点是能够根据零件造型自由设计定位及夹持点，提高零件搬运过程稳定性;缺点是当多车型混线生产时抓具占用了较多面积，对生产线布局有一定影响。

③新型抓具开发。在零件型面接近的部位增加吸盘、电磁铁，可提升抓具通用性;通过多点布置吸盘、电磁铁可提升对零件的控制，提高抓取稳定性;柔软的吸盘材质也可减少零件表面划伤。

五、小结

通过对自动化投料的研究，解决对单品零件或小总成零件的识别、稳定抓取及放置课题，扩大了自动投料的应用范围。正文阐述外，综合考虑导入成本、生产线布局变化、运维便捷性以及新车型追加时的可扩展性、新基地建设时的可复制性等因素，才能规划出更优的自动投料系统，从而构建更完美的无人化生产线。