基于ABB機(jī)器人滾邊技術(shù)的研究與應(yīng)用*＊

李新凱 王俊俊

(①桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實(shí)踐部，廣西桂林541004;②上海德梅柯汽車裝配制造有限公司，上海201805)

隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的開展，國內(nèi)汽車生產(chǎn)行業(yè)也在不斷轉(zhuǎn)型升級，傳統(tǒng)汽車制造技術(shù)越來越難以滿足大批量高端產(chǎn)品需求，而PLC控制工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精確的智能化生產(chǎn)已成為汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。

汽車覆蓋件(尤其是汽車左/右前車門、左右后車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋和行李箱罩蓋，統(tǒng)稱四門兩蓋)整車車身的主要外觀部件，其外觀質(zhì)量和外形輪廓直接影響客戶體驗(yàn)。包邊工藝是四門兩蓋在車身生產(chǎn)線上的最后工序，其加工質(zhì)量直接決定門蓋在車架裝配過程中的精度和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的包邊工藝主要有手工包邊工藝、壓力模具包邊工藝和桌式包邊工藝［1－5］，此3種包邊工藝多用于單一車型的批量加工，且設(shè)備相對復(fù)雜

后期維護(hù)較為困難。隨著汽車升級換代速度的加快，傳統(tǒng)包邊工藝難以滿足多種車型的批量加工［6－8］。機(jī)器人滾邊技術(shù)是近年發(fā)展的新技術(shù)，因其具有較高的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率而大量應(yīng)用于各汽車廠家。國內(nèi)外學(xué)者和工程師針對機(jī)器人滾邊工藝進(jìn)行了大量深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究:N.Le Maout［8］采用有限元仿真的方法，分析了曲面曲邊鋁合金板件的滾邊成型質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)板件預(yù)應(yīng)變對縮進(jìn)影響較小，但預(yù)滾邊的皺褶和縮進(jìn)較為明顯，因?yàn)閭鹘y(tǒng)包邊縮進(jìn)值較滾邊大;Hong［9］等采用激光輔助工藝對鋁鎂合金進(jìn)行滾邊預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)板件彎曲程度和質(zhì)量較傳統(tǒng)滾邊有所提高;盧鵬［10］采用Abaqus軟件分析鋁合金在不同工藝參數(shù)下的滾邊質(zhì)量，分析總結(jié)各重要影響因素對質(zhì)量的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

本文闡述了眾泰汽車某分公司最新開發(fā)的新型智能機(jī)器人滾邊工藝、電氣控制過程、滾邊質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)和部分缺陷出現(xiàn)的原因。

1 機(jī)器人滾邊系統(tǒng)

機(jī)器人滾邊系統(tǒng)主要由滾邊夾具系統(tǒng)、滾輪系統(tǒng)、機(jī)器人及其控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示為眾泰汽車公司滾邊系統(tǒng)布局圖。該系統(tǒng)主要由1臺機(jī)械手臂、2套滾邊夾具和1組控制臺組成。該系統(tǒng)柔性程度較高，可實(shí)現(xiàn)一臺機(jī)器人對多種不同套板件進(jìn)行滾邊，并針對不同板件采用不同形式的滾邊工具，充分提高滾邊機(jī)器人使用效率和適用范圍。圖2為該機(jī)器人滾邊工作站實(shí)景圖。

1.1 滾邊夾具系統(tǒng)

滾邊夾具系統(tǒng)包括滾邊胎膜和定位夾緊系統(tǒng)，如圖3所示。定位系統(tǒng)分為內(nèi)板定位和外板定位，內(nèi)板定位由3個(gè)定位氣缸實(shí)現(xiàn)，外板定位由擋板氣缸實(shí)現(xiàn)。

1.1.1 滾邊胎膜

滾邊胎膜在滾邊操作過程中起到支撐內(nèi)外板的作用，其工作型面與外板型面相吻合。為保證滾邊質(zhì)量和加工精度，本系統(tǒng)采用整體鑄造式滾邊胎膜，材質(zhì)選用QT700－2，經(jīng)表面淬火后正火處理，保證其表面硬度可達(dá)60 HRC，內(nèi)部殘余應(yīng)力較小，使胎膜有足夠強(qiáng)硬度和耐磨性。

1.1.2 定位夾緊系統(tǒng)

定位夾緊系統(tǒng)包括對車門內(nèi)外板的定位夾緊工序。因加工車蓋型號較多，本系統(tǒng)采用外形定位方式，如圖4所示，為上料后各定位夾緊機(jī)構(gòu)的工作順序。

1.2 滾輪系統(tǒng)

滾輪系統(tǒng)由不同型號的多個(gè)滾輪組成。本系統(tǒng)中單個(gè)機(jī)器人可攜帶2個(gè)滾輪，如圖5所示，在定位固定后通過程序控制機(jī)器人操控滾輪對汽車門蓋進(jìn)行滾邊處理，在滾邊過程中滾輪對外板施加作用力，實(shí)現(xiàn)外板彎折包裹內(nèi)板的效果。在滾邊工序中，滾輪是使用量最頻繁的部件之一，滾輪的性能直接影響門蓋質(zhì)量。為保證滾輪的使用壽命和性能，系統(tǒng)采用的滾輪材質(zhì)為42GrMo，其硬度可達(dá)55 HRC，滿足耐磨性需求。

系統(tǒng)采用的滾輪按角度可分為30°滾輪、45°滾輪、90°滾輪和專用型滾輪，在生產(chǎn)過程中常加工的四門兩蓋可分2～4次進(jìn)行滾邊操作，對于彎曲程度較大和輪廓復(fù)雜的邊角適當(dāng)增加滾邊次數(shù)。如圖6所示為90°翻邊的外板，其包邊過程可分為90°→45°→0°兩個(gè)階段。

1.3 機(jī)器人及其控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)包含關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)算法部分和人機(jī)交互軟件等。在機(jī)器人滾邊工藝中機(jī)器人需按預(yù)定程序和軌跡控制滾輪運(yùn)動(dòng)，并按預(yù)定程序氣缸需對門蓋不同部位施加相應(yīng)壓力以實(shí)現(xiàn)折邊處理。這要求機(jī)器人在工況下需同時(shí)可靠地控制多軸運(yùn)動(dòng)，以滿足不同產(chǎn)品的柔性要求。同時(shí)保證系統(tǒng)具有典型的模塊化和網(wǎng)絡(luò)化，因此本控制系統(tǒng)需開發(fā)開放式控制器以增強(qiáng)通信功能和離線編程功能。

1.3.1 機(jī)器人

在汽車四門兩蓋滾邊操作中，對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡需求較大，且廠區(qū)空間有限，因而本系統(tǒng)采用關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)機(jī)器人，在三維空間內(nèi)該機(jī)器人有6個(gè)自由度，其運(yùn)動(dòng)過程是通過機(jī)械手臂和手腕組合而成，其中手臂部分有3個(gè)關(guān)節(jié)，用以改變手腕參考點(diǎn)位置;手腕部分也有3個(gè)關(guān)節(jié)，用以調(diào)整機(jī)器人末端的姿態(tài)［11］。

ABB機(jī)器人的外形如圖7a所示，機(jī)器人由腰關(guān)節(jié) A1、大臂關(guān)節(jié) A2、小臂關(guān)節(jié) A3和腕關(guān)節(jié) A4、A5、A6組成，每個(gè)關(guān)節(jié)由伺服電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，各實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。其中手臂部分(A1、A2、A3)用以確定機(jī)器人手腕位置，調(diào)整改變手腕參考點(diǎn)狀態(tài)，手腕部分(A4、A5、A6)用于確定機(jī)器人末端的姿態(tài)。六大關(guān)節(jié)活動(dòng)最大軌跡和尺寸如圖7b、c和表1、2所示。

表1 FDRD機(jī)器人尺寸參數(shù) m

表2 FDRD機(jī)器人軸向運(yùn)動(dòng)尺寸

1.3.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)用于控制機(jī)器人、滾邊夾具和轉(zhuǎn)動(dòng)架臺的動(dòng)作，以及機(jī)器人與滾邊夾具、換槍架臺、安全光柵和安全門等系統(tǒng)之間的通信，控制協(xié)調(diào)整個(gè)滾邊工作站系統(tǒng)中所有工作單元間的動(dòng)作及順序，并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測及報(bào)警監(jiān)視。圖8為機(jī)器人控制系統(tǒng)流程圖。

機(jī)器人控制程序是整個(gè)機(jī)器人滾邊系統(tǒng)的核心。在滾邊的軌跡線上根據(jù)板件的變形復(fù)雜程度設(shè)置坐標(biāo)點(diǎn)，然后用樣條線將所有坐標(biāo)點(diǎn)連接起來，擬合成機(jī)器人的滾邊路徑。必須合理設(shè)置坐標(biāo)點(diǎn)的位置和密度，機(jī)器人的軌跡才能滿足設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)過程中，利用仿真平臺對機(jī)器人滾邊系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并生成離線程序，在現(xiàn)場調(diào)試階段，只需要根據(jù)具體的沖壓板件的外形尺寸及狀態(tài)進(jìn)行微調(diào)，并對離線程序修改完善，縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，提高工作效率。圖9為機(jī)器人控制面板，是PLC傳輸給機(jī)器人轉(zhuǎn)臺氣缸信號的程序塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人滾邊過程控制和檢測氣缸的功能。

2 機(jī)器人滾邊質(zhì)量鑒定及缺陷分析

在汽車門蓋完成滾邊加工后，首先操作者對完成工件進(jìn)行目視檢查，檢測是否存在明顯滾邊缺陷，在目視檢查的合格品中，隨機(jī)抽取工件進(jìn)行專業(yè)檢測，檢查翻邊牢固程度和膠固化強(qiáng)度，并使用三坐標(biāo)測量儀對門蓋邊緣及整車匹配精度進(jìn)行測量，當(dāng)選取的測量點(diǎn)的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸存在的偏差值大于規(guī)定，則判定該工件滾邊不合要求。

如圖10a為前車門滾邊處理后的局部圖，可明顯看出:滾邊側(cè)和工件表面無開裂、裂紋及邊緣褶皺現(xiàn)象;外板翻邊后與內(nèi)板包合情況良好，經(jīng)測量壓合處間隙小于1 mm，符合設(shè)計(jì)要求;翻邊圓角無變形，經(jīng)卡尺測量尺寸合格。

滾邊工藝作為門蓋總成的最終工序，其質(zhì)量直接影響后期整車安裝精度和質(zhì)量，經(jīng)汽車廠生產(chǎn)日志調(diào)查，滾邊工藝產(chǎn)品的不合格率小于1.8%，其中常見的缺陷有:凸邊疊料、波浪起皺、包邊失效。

(1)凸邊疊料

外板在曲率較大的彎折處出現(xiàn)疊料現(xiàn)象，如圖10b所示。因在彎折處外板漸變長度較短，使凸邊板料較多發(fā)生擠料。

為避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)，后期操作中滾邊方向由拐角向兩邊展開;當(dāng)拐角處彎折過大，應(yīng)相應(yīng)增加外板在此處的漸變長度。

(2)波浪起皺

實(shí)際加工中，會(huì)出現(xiàn)少量間斷性的滾壓豁口現(xiàn)象，如圖10c所示。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是:滾邊加工之前，外板未能按照加工精度要求固定于胎膜中，導(dǎo)致滾邊過程軌跡與外板位置形成偏差，當(dāng)偏差積累到閾值時(shí)，出現(xiàn)擠料問題，形成明顯豁口;當(dāng)板件的曲率較小，翻邊高度較大時(shí)，加工過程中趕料沒有足夠空間，易發(fā)生起皺缺陷。

為避免波浪起皺，在胎膜定位夾緊工序中，嚴(yán)格遵守操作規(guī)范，精確落膜;在易堆料位置預(yù)留工藝缺口，避免擠料豁口問題;對于小曲率板件(半徑小于2 m)翻邊漸變高度不超過9 mm。

(3)包邊失效

包邊不均造成的失效是滾邊工藝最常見的問題之一，如圖10d所示。外板包裹寬度不均，部分位置內(nèi)板裸露，該缺陷是較為嚴(yán)重的質(zhì)量問題，不僅外觀不合檢測標(biāo)準(zhǔn)，車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同樣難以滿足要求。該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是:在門蓋彎折處，外板滾邊過程會(huì)出現(xiàn)擠壓問題，而滾邊進(jìn)入相對平緩位置時(shí)，包邊恢復(fù)正常，因此在包邊側(cè)面可觀察到包邊不均的現(xiàn)象;翻邊長度小，內(nèi)外板膠合間隙大是造成滾邊失效的另一主要原因。

為避免包邊失效，應(yīng)選擇合理的翻邊高度;在保證翻邊預(yù)留量的前提下，保證切邊長度以滿足內(nèi)板完全包裹的需求;多次壓合內(nèi)外板，控制板件回彈量，減小內(nèi)外板間隙。

3 結(jié)語

相比傳統(tǒng)滾邊技術(shù)，機(jī)器人滾邊設(shè)備成本低，柔性程度高，成型效果好;通過計(jì)算機(jī)程序的控制和機(jī)器人的高精度化操作，可有效保證滾邊程序的精確穩(wěn)定;電氣系統(tǒng)程序的可調(diào)性，增加了滾邊方式的多樣性和門蓋加工的適應(yīng)性;較高的滾邊合格率是保證企業(yè)長足發(fā)展的基礎(chǔ)。