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

現(xiàn)代化的柔性化車(chē)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(dòng)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(guò)程。在這其中，機(jī)器人是生產(chǎn)線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，全新制造技術(shù)在白車(chē)身制造上的應(yīng)用，是以高速發(fā)展的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為載體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

北京奔馳N車(chē)型裝焊生產(chǎn)線(xiàn)，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(cè)輔助加工技術(shù)和自動(dòng)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(xiàn)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(cè)/監(jiān)控和輸送等功能。本文介紹了基于KUKA機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的全新車(chē)身制造技術(shù)在北京奔馳N車(chē)型裝焊生產(chǎn)線(xiàn)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(jiàn)圖1)。在N車(chē)型裝焊生產(chǎn)線(xiàn)上，基于應(yīng)用需求，根據(jù)負(fù)載能力、臂展長(zhǎng)度等參數(shù)及特殊指標(biāo)，共選用了15種型號(hào)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(pán)、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(jiàn)圖2)。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有過(guò)載、過(guò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)能力。上述特點(diǎn)為KUKA機(jī)器人在裝焊生產(chǎn)線(xiàn)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(gè)結(jié)構(gòu)清晰且注重使用開(kāi)放、高效數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)。這個(gè)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(dòng)控制、邏輯控制及工藝過(guò)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(duì)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(jí)性和靈活性。

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)全新制造技術(shù)的應(yīng)用

作為自動(dòng)化裝焊生產(chǎn)線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人，同時(shí)調(diào)動(dòng)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(dòng)軌跡，并集成工具執(zhí)行專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)包程序。在N車(chē)型裝焊生產(chǎn)過(guò)程中，以下幾種制造技術(shù)通過(guò)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)制造過(guò)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(xiàn)上應(yīng)用最為廣泛的熱連接技術(shù)。N車(chē)型裝焊生產(chǎn)線(xiàn)，應(yīng)用了360余臺(tái)ARO中頻伺服點(diǎn)焊鉗和BOSCH RexrothPSI6000型中頻焊接控制器，輔以自動(dòng)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(dòng)機(jī)，相當(dāng)于機(jī)器人的一個(gè)附加工裝軸，通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)編碼器的反饋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確控制電極的移動(dòng)量，使焊鉗移動(dòng)側(cè)電極的行程運(yùn)動(dòng)處于機(jī)器人控制當(dāng)中。與傳統(tǒng)的氣動(dòng)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(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)控制伺服控制器輸出來(lái)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(shí)，上下電極軟接觸控制逐漸加壓，減少?zèng)_擊，提高焊點(diǎn)質(zhì)量。

(2)生產(chǎn)成本更低伺服焊鉗可通過(guò)伺服電動(dòng)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(duì)電極運(yùn)行長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償，確保正常加壓，提高焊接質(zhì)量;同時(shí)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(dòng)和電極夾緊/張開(kāi)同時(shí)動(dòng)作，減少單點(diǎn)焊接循環(huán)時(shí)間;焊鉗張開(kāi)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(guò)量開(kāi)合所占時(shí)間。

2.機(jī)器人激光焊技術(shù)

在N車(chē)型裝焊生產(chǎn)線(xiàn)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(chē)身的不同位置?；诩す夂傅陌踩砸蠛图夹g(shù)特點(diǎn)，必須在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)下實(shí)施自動(dòng)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(duì)較長(zhǎng)的聚焦光纖和掃描鏡，以控制工件上的聚焦光束;同時(shí)，由于采用較輕重量和高度動(dòng)態(tài)的掃描振鏡，可實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)焊接，減少了非焊接的移動(dòng)、等待或過(guò)渡時(shí)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(dòng)軌跡更簡(jiǎn)單、更柔性化以及激光到達(dá)性更好等特點(diǎn)。在N車(chē)型白車(chē)身上，RobScan主要應(yīng)用于車(chē)門(mén)、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(guò)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(dòng)焊縫牽引模式下，利用液體對(duì)固體的潤(rùn)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(huì)受熱變形，適用于對(duì)密封性和外表美觀/平整度有較高要求、對(duì)強(qiáng)度無(wú)過(guò)高要求的焊縫位置。在N車(chē)型車(chē)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(guò)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(chē)型車(chē)身上，該技術(shù)應(yīng)用于車(chē)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(chē)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(chē)型車(chē)身上得到了大量應(yīng)用，同步帶來(lái)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)。基于壓鉚、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(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沖擊力和速度的需求，這幾種技術(shù)均需要通過(guò)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接。

(1)半空心自沖鉚技術(shù)是特制鉚釘在撞針推動(dòng)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(guò)程發(fā)熱極小，不會(huì)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(guò)程如圖3所示。

(2)高速射釘鉚技術(shù)是戴姆勒與Boellhoff共同開(kāi)發(fā)的技術(shù)，目前只在奔馳品牌的部分車(chē)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(shí)，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(huì)填充到螺紋的倒鉤中，形成金屬?gòu)埩?，保證連接點(diǎn)質(zhì)量。高速射釘鉚技術(shù)工藝過(guò)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?xún)?yōu)化許多工藝流程，使得過(guò)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(shí)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，單純使用氣路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(guò)摩擦力產(chǎn)生局部熱量集中，當(dāng)熱量足夠大時(shí)，螺釘通過(guò)金屬表面塑性變形而穿透形成擠壓。在螺釘安裝過(guò)程中，材料隨螺釘尖端在螺紋軋制過(guò)程中進(jìn)入而形成一個(gè)狹長(zhǎng)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(guò)程如圖5所示。

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

涂膠技術(shù)的廣泛應(yīng)用是奔馳車(chē)身制造工藝的特點(diǎn)之一。在N車(chē)型白車(chē)身上，總涂膠長(zhǎng)度超過(guò)170米，涂膠量顯著大于其他競(jìng)品車(chē)型的涂膠長(zhǎng)度(50～80m)。有研究者對(duì)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(kāi)重錘對(duì)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(jiàn)涂膠連接為車(chē)身碰撞安全性提供了更加可靠的保障。車(chē)身涂膠類(lèi)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(lèi)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(chē)型裝焊生產(chǎn)線(xiàn)上，機(jī)器人自動(dòng)涂膠系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)軌跡，對(duì)車(chē)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(dòng)化涂膠通過(guò)膠機(jī)來(lái)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(dòng)涂膠監(jiān)控系統(tǒng)被引入，用于機(jī)器人涂膠質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)控。ISRA自動(dòng)涂膠監(jiān)控系統(tǒng)是一種在線(xiàn)圖像監(jiān)測(cè)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(gè)系統(tǒng)機(jī)器人的一個(gè)子站。機(jī)器人涂膠過(guò)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(dòng)將獲取的一張監(jiān)控圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像做對(duì)照，監(jiān)控涂膠寬度、涂膠長(zhǎng)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(dòng)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(cè)輔助加工技術(shù)

為提升成車(chē)尾燈裝配精度，北京奔馳裝焊生產(chǎn)線(xiàn)引入了將戴姆勒開(kāi)發(fā)的Best Fit“最佳匹配”檢測(cè)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(cè)輔助加工系統(tǒng)。STFP系統(tǒng)由機(jī)器人、Best Fit激光檢測(cè)系統(tǒng)和塑形沖孔機(jī)組成。通過(guò)Best Fit系統(tǒng)，在線(xiàn)檢測(cè)白車(chē)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(guò)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(chē)身加工出“個(gè)性化”最佳定位基準(zhǔn)，將因白車(chē)身尺寸波動(dòng)/偏差造成的潛在尾燈裝配波動(dòng)降至最低，保證了量產(chǎn)成車(chē)的裝配精度穩(wěn)定性。STFP系統(tǒng)工作過(guò)程如圖8所示。

結(jié)語(yǔ)

在奔馳N車(chē)型車(chē)身裝焊生產(chǎn)線(xiàn)上，基于全新一代KUKA機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，并伴隨著新型鋁基車(chē)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(dòng)涂膠監(jiān)控系統(tǒng)和STFP機(jī)器人自檢測(cè)輔助加工技術(shù)等得到了全面的應(yīng)用，為車(chē)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。