機(jī)器人驅(qū)動先進(jìn)制造技術(shù)在車身制造中的應(yīng)用

現(xiàn)代化的柔性化車身裝焊制造模式，是伴隨著機(jī)器人、全新制造技術(shù)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和信息化交互控制系統(tǒng)的組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高自動化率、高度柔性化、高生產(chǎn)效率和閉環(huán)系統(tǒng)控制的先進(jìn)制造過程。在這其中，機(jī)器人是生產(chǎn)線的驅(qū)動和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，全新制造技術(shù)在白車身制造上的應(yīng)用，是以高速發(fā)展的機(jī)器人驅(qū)動技術(shù)作為載體來實(shí)現(xiàn)的。

北京奔馳N車型裝焊生產(chǎn)線，集成了奔馳制造體系先進(jìn)的熱連接技術(shù)、冷連接技術(shù)、涂膠連接技術(shù)、自檢測輔助加工技術(shù)和自動質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述先進(jìn)的技術(shù)和系統(tǒng)，該生產(chǎn)線納入了數(shù)百套KUKA機(jī)器人和KR C4機(jī)器人控制系統(tǒng)組合，以實(shí)現(xiàn)定位、焊接/連接、加工、檢測/監(jiān)控和輸送等功能。本文介紹了基于KUKA機(jī)器人驅(qū)動的全新車身制造技術(shù)在北京奔馳N車型裝焊生產(chǎn)線上的應(yīng)用。

KUKA機(jī)器人及機(jī)器人控制系統(tǒng)

KUKA機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、控制柜和示教器三部分組成(見圖1)。在N車型裝焊生產(chǎn)線上，基于應(yīng)用需求，根據(jù)負(fù)載能力、臂展長度等參數(shù)及特殊指標(biāo)，共選用了15種型號的KUKA機(jī)器人。

KUKA機(jī)器人本體由機(jī)器人底座、機(jī)器人轉(zhuǎn)盤、機(jī)器人氣液平衡缸、機(jī)器人連桿臂、機(jī)器人手臂和機(jī)器人中心手等部分組成(見圖2)。機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，所有軸都是由數(shù)字化交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)有過載、過流、缺相和超差等各種保護(hù)，性能安全可靠。先進(jìn)的設(shè)計(jì)令機(jī)器人能夠高速、精確和穩(wěn)定地運(yùn)行，并易于維護(hù)。機(jī)器人運(yùn)動的軌跡十分精確，重復(fù)定位精度小于±0.06mm。機(jī)身的主要移動部件(除臂部外)由碳酸纖維鑄成，重量輕、扭力大且韌性強(qiáng)，具有較高的機(jī)械性能和較強(qiáng)的抗振動能力。上述特點(diǎn)為KUKA機(jī)器人在裝焊生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)精確、高效和穩(wěn)定的帶負(fù)載按程序運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保證。

KR C4機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)清晰且注重使用開放、高效數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)。這個系統(tǒng)架構(gòu)中集成的所有安全控制、機(jī)器人控制、運(yùn)動控制、邏輯控制及工藝過程控制，均擁有相同的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和基礎(chǔ)設(shè)施，并可以對其進(jìn)行智能化使用和分享，使系統(tǒng)具有最高性能、可升級性和靈活性。

機(jī)器人驅(qū)動全新制造技術(shù)的應(yīng)用

作為自動化裝焊生產(chǎn)線的驅(qū)動和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人控制系統(tǒng)從工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)獲取信息，驅(qū)動機(jī)器人，同時調(diào)動技術(shù)控制系統(tǒng)，按照預(yù)先編制的機(jī)器人程序，執(zhí)行預(yù)定運(yùn)動軌跡，并集成工具執(zhí)行專項(xiàng)技術(shù)包程序。在N車型裝焊生產(chǎn)過程中，以下幾種制造技術(shù)通過機(jī)器人驅(qū)動實(shí)現(xiàn)制造過程。

1.機(jī)器人伺服點(diǎn)焊技術(shù)

電阻點(diǎn)焊是裝焊生產(chǎn)線上應(yīng)用最為廣泛的熱連接技術(shù)。N車型裝焊生產(chǎn)線，應(yīng)用了360余臺ARO中頻伺服點(diǎn)焊鉗和BOSCH RexrothPSI6000型中頻焊接控制器，輔以自動電極修磨/更換系統(tǒng)。在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人伺服控制器控制伺服焊鉗的伺服電動機(jī)，相當(dāng)于機(jī)器人的一個附加工裝軸，通過伺服電動機(jī)編碼器的反饋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確控制電極的移動量，使焊鉗移動側(cè)電極的行程運(yùn)動處于機(jī)器人控制當(dāng)中。與傳統(tǒng)的氣動焊鉗相比，伺服焊鉗有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)焊接質(zhì)量更高焊鉗伺服電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以通過控制伺服控制器輸出來控制，故可按需設(shè)定每一焊點(diǎn)的焊接電極壓力;焊鉗閉合加壓時，上下電極軟接觸控制逐漸加壓，減少沖擊，提高焊點(diǎn)質(zhì)量。

(2)生產(chǎn)成本更低伺服焊鉗可通過伺服電動機(jī)控制及編碼器反饋，計(jì)算兩電極接觸位置，從而計(jì)算出電極磨損量，進(jìn)而對電極運(yùn)行長度進(jìn)行補(bǔ)償，確保正常加壓，提高焊接質(zhì)量;同時提高電極使用率，降低生產(chǎn)成本。

(3)加工效率更高伺服焊鉗可在機(jī)器人控制下，實(shí)現(xiàn)移動和電極夾緊/張開同時動作，減少單點(diǎn)焊接循環(huán)時間;焊鉗張開度也可根據(jù)工件情況調(diào)整，在避免碰撞/干涉的前提下，節(jié)省焊鉗過量開合所占時間。

2.機(jī)器人激光焊技術(shù)

在N車型裝焊生產(chǎn)線上，激光焊技術(shù)得到了全面應(yīng)用。激光遠(yuǎn)程掃描焊、激光填絲熔焊和激光釬焊3種激光焊接技術(shù)，基于位置、強(qiáng)度和外觀需求，分別應(yīng)用在車身的不同位置。基于激光焊的安全性要求和技術(shù)特點(diǎn)，必須在機(jī)器人驅(qū)動下實(shí)施自動焊接。

(1)激光遠(yuǎn)程掃描焊接(RobScan)技術(shù)

激光遠(yuǎn)程掃描焊接技術(shù)是戴姆勒集團(tuán)自主研發(fā)的全新激光焊接技術(shù)。RobScan使用相對較長的聚焦光纖和掃描鏡，以控制工件上的聚焦光束;同時，由于采用較輕重量和高度動態(tài)的掃描振鏡，可實(shí)現(xiàn)快速移動焊接，減少了非焊接的移動、等待或過渡時間，提高了交付能力。與普通激光焊接技術(shù)相比，RobScan具備焊接速度更快、更精確、可達(dá)性好、維護(hù)成本低、機(jī)器人運(yùn)動軌跡更簡單、更柔性化以及激光到達(dá)性更好等特點(diǎn)。在N車型白車身上，RobScan主要應(yīng)用于車門、后圍板等零件的焊接。

(2)激光釬焊技術(shù)

激光釬焊技術(shù)，是通過聚焦光束照射在焊絲表面，使焊絲受熱充分熔化形成高溫金屬熔體，在自適應(yīng)振鏡組自由擺動焊縫牽引模式下，利用液體對固體的潤濕以及釬縫間隙毛細(xì)作用完成連接。該技術(shù)的主要特點(diǎn)，是激光光束只熔化銅基焊絲而不熔化板材，從而保證了板材不會受熱變形，適用于對密封性和外表美觀/平整度有較高要求、對強(qiáng)度無過高要求的焊縫位置。在N車型車身上，激光釬焊主要應(yīng)用于后備箱外露面上下板拼接。

(3)激光填絲熔焊技術(shù)

激光填絲熔焊技術(shù)，是通過自適應(yīng)式激光振鏡組結(jié)合送絲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊接的焊接技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了激光焊接技術(shù)擁有的高效精密、成形美觀、易于自控和填絲焊接技術(shù)焊縫強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。與前面兩種激光焊接技術(shù)相比，激光填絲熔焊可實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度的焊縫。在N車型車身上，該技術(shù)應(yīng)用于車身前端縱梁區(qū)域板件搭接。

3.機(jī)器人冷連接技術(shù)

隨著汽車輕量化需求的不斷提升，鑄鋁結(jié)構(gòu)件和薄板鋁基沖壓件在N車型車身上得到了大量應(yīng)用，同步帶來了多種應(yīng)用于鋁-鋼和鋁-鋁連接的冷連接技術(shù)，包括半空心自沖鉚技術(shù)、高速射釘鉚技術(shù)、流鉆螺釘技術(shù)和壓鉚技術(shù)?；趬恒T、半空心自沖鉚連接點(diǎn)數(shù)量大的需求，以及高速射釘鉚、流鉆螺釘對驅(qū)動系統(tǒng)沖擊力和速度的需求，這幾種技術(shù)均需要通過機(jī)器人系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動連接。

(1)半空心自沖鉚技術(shù)是特制鉚釘在撞針推動下穿透鉚釘端板材之后，在鉚模的作用下鉚釘尾部的中空結(jié)構(gòu)擴(kuò)張刺入鉚模端板材，產(chǎn)生咬邊效果，從而形成牢固的鉚接點(diǎn)。鉚接過程發(fā)熱極小，不會導(dǎo)致板材受熱變形，適用于各種不同板材間連接及多層板連接。半空心自沖鉚工藝過程如圖3所示。

(2)高速射釘鉚技術(shù)是戴姆勒與Boellhoff共同開發(fā)的技術(shù)，目前只在奔馳品牌的部分車型上使用。該技術(shù)是一種單向高速的連接技術(shù)，使用帶倒鉤螺紋的釘子。在釘子敲入板材時，螺紋尖端與鐵板發(fā)生尖端熔化產(chǎn)生焊接效果;若連接的是鋁板，則材料鋁會填充到螺紋的倒鉤中，形成金屬張力，保證連接點(diǎn)質(zhì)量。高速射釘鉚技術(shù)工藝過程如圖4所示。高速射釘鉚技術(shù)可以以60顆/min的速度進(jìn)行連接，加工效率僅次于激光焊。由于是單向連接，可以優(yōu)化許多工藝流程，使得過去一些復(fù)雜的分裝工作得以替代，最大化地優(yōu)化了節(jié)拍;同時設(shè)備相對簡單，單純使用氣路進(jìn)行驅(qū)動，系統(tǒng)中采用模糊控制自補(bǔ)償系統(tǒng)，能在工作中自我調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，使設(shè)備始終保持最佳狀態(tài)。

(3)流鉆螺釘技術(shù)是一種使高速旋轉(zhuǎn)的鉆尾螺釘施加壓力后轉(zhuǎn)入板材、使兩塊板材緊密貼合的技術(shù)。鉆尾螺釘?shù)男D(zhuǎn)速度約為5000r/min，施加力達(dá)到1.5kN，可有效地在鉆頭尖端與應(yīng)用面之間通過摩擦力產(chǎn)生局部熱量集中，當(dāng)熱量足夠大時，螺釘通過金屬表面塑性變形而穿透形成擠壓。在螺釘安裝過程中，材料隨螺釘尖端在螺紋軋制過程中進(jìn)入而形成一個狹長表面，形成比傳統(tǒng)緊固件更強(qiáng)的連接。在混合材料新型連接工藝中，流鉆螺釘技術(shù)連接強(qiáng)度最高，因此全部應(yīng)用于定位連接點(diǎn)。流鉆螺釘工藝過程如圖5所示。

4.機(jī)器人涂膠連接技術(shù)及自動涂膠監(jiān)控系統(tǒng)

涂膠技術(shù)的廣泛應(yīng)用是奔馳車身制造工藝的特點(diǎn)之一。在N車型白車身上，總涂膠長度超過170米，涂膠量顯著大于其他競品車型的涂膠長度(50～80m)。有研究者對后端防撞鋼梁定位區(qū)域分別采用僅焊點(diǎn)連接、僅涂膠(結(jié)構(gòu)膠)連接以及“焊點(diǎn)+涂膠”連接3種連接的樣件展開重錘對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，僅焊點(diǎn)連接的總成件被壓潰;而僅涂膠連接的總成件和“焊點(diǎn)+涂膠”連接的總成件，沖擊能量得到了良好的吸收，總成件仍保持正常高度。

可見涂膠連接為車身碰撞安全性提供了更加可靠的保障。車身涂膠類別，主要包含點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)膠、密封膠、減振發(fā)泡膠和折邊膠等幾大類別，實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、密封防水防塵、降低噪聲和防腐蝕等功能。在N車型裝焊生產(chǎn)線上，機(jī)器人自動涂膠系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)軌跡，對車身各區(qū)域?qū)嵤┩磕z操作。與人工涂膠相比較，機(jī)器人涂膠提供了更為精確的工藝符合性和更高的加工效率。

質(zhì)量控制方面，早期自動化涂膠通過膠機(jī)來控制質(zhì)量，質(zhì)量控制效果存在缺陷。隨著機(jī)器人涂膠的大量應(yīng)用，ISRA自動涂膠監(jiān)控系統(tǒng)被引入，用于機(jī)器人涂膠質(zhì)量在線監(jiān)控。ISRA自動涂膠監(jiān)控系統(tǒng)是一種在線圖像監(jiān)測系統(tǒng)，主要部件為帶有攝像頭、LED燈區(qū)及保護(hù)罩的圖像傳感器和控制柜，是整個系統(tǒng)機(jī)器人的一個子站。機(jī)器人涂膠過程中，ISRA系統(tǒng)激活獲取圖像信息功能。每隔固定的距離，系統(tǒng)自動將獲取的一張監(jiān)控圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像做對照，監(jiān)控涂膠寬度、涂膠長度及是否斷膠，并將比較結(jié)果反饋給機(jī)器人，進(jìn)而反饋給PLC。ISRA自動涂膠監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖7所示。

5.STFP機(jī)器人自檢測輔助加工技術(shù)

為提升成車尾燈裝配精度，北京奔馳裝焊生產(chǎn)線引入了將戴姆勒開發(fā)的Best Fit“最佳匹配”檢測系統(tǒng)與ECKOLD成形沖孔機(jī)完美結(jié)合的STFP(Soft Touch Form & Pierce，即軟接觸成形沖孔)尾燈定位區(qū)域自檢測輔助加工系統(tǒng)。STFP系統(tǒng)由機(jī)器人、Best Fit激光檢測系統(tǒng)和塑形沖孔機(jī)組成。通過Best Fit系統(tǒng)，在線檢測白車身尾燈裝配輪廓定位精度，擬合出尾燈裝配的理論定位系統(tǒng)，進(jìn)而確定實(shí)現(xiàn)尾燈裝配的“最佳定位”。通過成形沖孔機(jī)，塑形出X向定位面位置，沖出確定Y/Z向的定位孔。此技術(shù)的應(yīng)用，幫助每一輛白車身加工出“個性化”最佳定位基準(zhǔn)，將因白車身尺寸波動/偏差造成的潛在尾燈裝配波動降至最低，保證了量產(chǎn)成車的裝配精度穩(wěn)定性。STFP系統(tǒng)工作過程如圖8所示。

結(jié)語

在奔馳N車型車身裝焊生產(chǎn)線上，基于全新一代KUKA機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動，并伴隨著新型鋁基車身材料的應(yīng)用，機(jī)器人伺服點(diǎn)焊技術(shù)、機(jī)器人激光焊技術(shù)、機(jī)器人冷連接技術(shù)、機(jī)器人涂膠技術(shù)及自動涂膠監(jiān)控系統(tǒng)和STFP機(jī)器人自檢測輔助加工技術(shù)等得到了全面的應(yīng)用，為車身制造實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)效率、高工藝精度和系統(tǒng)質(zhì)量控制提供了參照方案。