白车身柔性自动化焊装系统研究

黄凤辉，杨 戈，曾 威，章 冰，黄继辉，盛征阳

（1.湖南同心模具制造有限公司，湖南 长沙 410135；2.湖南同冈科技发展有限责任公司，湖南 长沙 410135）

随着互联网技术的发展，汽车工业制造向着全面柔性自动化方向发展[1]。汽车生产企业的单一车型大批量生产方式已不能适应市场发展的需求，因此要求一条线共线生产多种型号品种的车型，不但批量小，而且品种多，这种生产方式越来越受到欢迎。如何实现汽车生产输送系统的“柔性化”是汽车柔性制造的关键点。汽车车身柔性自动化焊装系统主要是运用各种先进的自动化控制系统、无线网络传输技术、柔性自动化夹具等先进技术实现车身全流程各工序的自动化焊接和拼装。中低速电动轿车车身自动化生产线工艺目前急需解决的关键技术问题包括：安全高效无干扰焊接、多车型共享一线生产、高可靠性数据交换、低故障和简单维修、可视化打胶等五大问题。为了解决以上问题，实现白车身柔性自动化焊装，本文以中低速电动汽车白车身焊装线为对象介绍白车身柔性自动化焊装系统。

1 柔性自动化焊装系统介绍

柔性自动化焊装系统由高速滚床系统、车身柔性支撑系统、EMS无线网络控制系统、车身主线柔性切换系统、顶盖可视化打胶控制系统等五大核心关键系统组成。这五大系统相互配合，共同完成车身的高速传送，车身下部柔性支撑，无线数据信息通信，机器人柔性抓取侧围实现车身主线柔性切换，车身顶盖的自动化打胶等工序，解决了柔性自动化焊接中出现的行业难题，实现白车身的柔性自动化焊装。

2 自动化高速滚床系统

自动化高速滚床系统如图1所示，包括支撑架、同步带、举升电机、导向机构、盖板、辊子组，此系统通过电机驱动滚轮来实现车身的可靠快速传输，成本低，结构简单可靠，能自动导向和防止偏移的发生。高速滚床的运行速度为10～40m/min，速度及节拍可调整。高速滚床利用电机带动实现举升，水平运动利用变频调速电机及辊子组实现。为了确保往复输送线在启动运行时的安全性，主线气缸采用磁性气缸，每个气缸有2个磁性开关，为防止误操作，磁性开关均具有抗干扰特性，可防止焊枪在工作时所发出的强磁场对开关动作的干扰，解决了车身焊装节奏慢、不安全和精度低的问题。

3 车身下部总成柔性支撑系统

目前企业要求一条线共用生产8种以上车型的车身，由于车身下部总成完全不同，X/Y/Z方向都存在较大差异，为了解决由于差异大无法支撑的问题，研制与开发了车身下部总成柔性支撑系统。如图2所示，6个独立的柔性定位单元组成了一个工位的柔性支撑系统。柔性定位单元由3条轨道组成，在电机的驱动下能够实现在X/Y/Z 3个方向的移动，具备了X/Y/Z 3个方向的柔性定位功能，实现各种不同尺寸型号规格的车身下部支撑，其控制逻辑是基于三轴机器人控制原理。多轴运动控制卡是柔性定位单元最关键的电器单元，其是一款性能非常好的数字运动控制器，这个核心控制器能够轻松实现直线、圆弧、螺旋线运动控制[2]。柔性定位单元可以直接看成是一个直角坐标系机器人，在运动耦合控制下可以实现多轴运动。6个柔性定位单元组成一个车身下部支撑系统布置在白车身生产线的1个工位，其通过PLC、人机交互界面和总线传输对6台伺服电机进行控制，驱动柔性支撑系统调整各个方向的尺寸距离，实现精准地对不同型号的车身进行支撑和定位，其完全实现了自动化和智能化，工装减少，成本降低，生产效率得到极大提高，同时占用的空间很小，实现了多车共线生产的柔性支撑。

4 EMS无线网络控制系统

目前行业内焊装线上自行小车主要采用的是滑触式控制方式，其主要通过电刷与滑触线接触实现信号的传输，通过PLC系统进行控制。由于是纯物理接触式的数据传输模式，因此受到空间场地和硬件设施的限制，数据交换范围小，而且在长期滑动接触下容易发生故障，可靠性低，很容易存在机械故障，电气系统安装非常复杂，成本高。目前行业要求在新的中低速白车身焊装线上控制的程控小车多达20台，传统的触线控制方式已无法保证焊装线上自行小车与主控系统进行可靠的数据通信。为解决客户汽车生产过程中遇到的问题，研究开发出了基于EMS无线网络的控制方案，将无线网络传输技术应用到自行小车的控制与信号传输中，可以完美避免滑触线接触式信号传输的缺陷。图3为EMS无线网络控制系统实物图。因为需要在较大距离内实现数据信号的传输，采用WAN技术进行无线网络通信，可以同时实现多个接入点，支持漫游，因此只需要分布式接入多个无线接入点，就可以实现全场地、多区域、长距离的小车行驶控制信号传输[3]。在控制器方面中控室采用的是ILC 370控制器，在小车上采用了ILC 171控制器，同时在小车上采用了FL WLAN EC客户端或FL BLUETOOTH EC客户端，上面采用的控制器直接安装有以太网口，因此在控制器上可以直接安装无线以太网设备，其他协议转换设备就可以取消，这样成本降低，节约资源。电控箱内集成了无线以太网设备与控制器，在出厂的时候就完成安装、接线和功能定义等任务，客户可以单独以电控箱的形式采购，极大地帮助客户节省时间，并简化了安装和维护成本，提高了生产效率。

图3 EMS无线网络控制系统实物图

5 车身主线柔性切换系统

多车型共线生产，面临着中长短车型、高矮车型、加宽与非加宽等车型车身下部总成与侧围总成不一样，差异比较大，侧围总成需要柔性上件的问题。研究开发的机器人柔性抓取侧围系统，在主拼工位两侧设计4个旋转装置，每个装置上放置3种侧围定位装置，通过机器人抓取侧围定位装置来对已经预装好的侧围进行精准定位，再由分布在两侧的机器人进行焊接，实现了车身主线柔性切换。图4为机器人柔性抓取空中移栽机，通过空中移栽机抓取侧围送达到机器人抓取位置，解决了传输带输送以及EMS占有空间大、投资高的缺点，并且避免了与夹具的干涉，抓取部件容易，空中输送为直线往复输送，占有空间小，解决了人工输送的运输定位精度问题。

图4 机器人柔性抓取空中移栽机图

6 顶盖可视打胶控制系统

中低速电动汽车的顶盖打胶一般为人工打胶，打胶期间如果打胶机有故障，没有涂胶均匀或者不出胶，机器人无法识别，会导致品质事故。为了解决自动化打胶问题，实现全自动化焊装，开发了融入视觉系统的自动化打胶系统，由ABB机器人、CCD摄像头、机器人控制柜、控制计算机、图像采集卡等组成。整个系统由初始化模块、视觉信息处理模块和机器人视觉定位模块组成。初始化模块的主要功能是完成采集卡的初始化，同时还要完成主机与机器人控制器之间的通信传输。图像的采集、保存、实时显示、图像的预处理、目标图像的识别等功能主要由视觉信息处理模块来完成。机器人视觉定位主要功能是完成机器人开环和闭环视觉定位。通过三大模块的协同工作，实现了机器人自动打胶品质问题的自动识别，解决了机器人自动化顶盖打胶存在的各种品质问题，实现了高效、高品质顶盖自动打胶。

7 结语

目前国外企业智能制造技术的运用及对先进技术的掌控，使得国内相关产业的发展正面临严峻挑战，且不利于我国工业水平的提升。本文以中低速电动汽车白车身焊装线为对象设计和开发了高速滚床系统、车身柔性支撑系统、EMS无线网络控制系统、车身主线柔性切换系统、顶盖可视打胶控制系统等五大核心关键技术，实现了安全高效无干扰高精度焊接、多车型共享一线生产、数据交换高可靠性、低故障和维修简单、可视化打胶等五大功能，使得国内汽车车身制造核心技术不断取得新的突破，带动汽车车身制造实现了柔性自动化焊装，对我国实现汽车车身的柔性“智造”意义重大。