汽車零部件產品可靠性試驗的研究
——基于開發和優化工業機器人操作程序

文 /徐 霖 陳 誠 任浩源

目前，汽車行業主要將機器人用于生產線上的裝配、焊接和涂裝等，在汽車零部件產品檢測方面，機器人的使用率并不高。在國外，已有測試機構開始應用機器人來進行一些多動作的可靠性試驗，如手套箱的開閉耐久試驗、方向盤的調節操作耐久試驗等。在國內，對機器人的擴展性能、測試和控制系統的二次開發研究不夠深入，現階段僅在模擬人體進出座椅試驗上使用成套的機器人測試裝置，而對于其他汽車零部件的可靠性測試，主要還是用氣缸、電缸或油缸來進行。

一、基于工業機器人開發汽車產品的可靠性試驗

1.汽車產品的可靠性試驗的發展趨勢

目前,汽車部件的可靠性試驗主要是用氣缸、油缸和電缸來執行，可以對加載點進行獨立的往復或者旋轉運動，但在一般情況下，很難在加載點上實現復合運動。近幾年，汽車主機廠對于可靠性試驗的要求越來越高，制定的標準也盡可能地模擬乘員對汽車產品的實際使用情況。從中可以看出，如果試驗室僅僅只有單自由度的執行裝置，已經不能覆蓋汽車主機廠的試驗要求，而擁有六個自由度的工業機器人就能夠完全模擬乘員的動作，基于工業機器人開發試驗系統就能實現加載點上的復合運動（見圖1）。

圖1 六自由度復合運動圖

2.機器人測試系統的構成

本研究的目的是利用機器人平臺可以精確模擬人體運動軌跡的特性，結合傳感器、數據采集、可編程邏輯控制器（PLC）、氣動裝置、電動裝置、攝像裝置和夾具執行裝置等，開發出一套可實現復雜運動軌跡的機器人測試系統（見圖2）。

圖2 機器人測試系統的構成圖

3.可靠性試驗臺架研發

本研究要解決的首要問題是如何對工業機器人進行試驗室環境下的二次開發，在原有的汽車座椅進出模擬試驗系統（KUKA Occubot）功能下，開發出滿足客戶（汽車主機廠）要求的試驗臺架，并且能夠實現多自由度協同控制的試驗要求，以替代單自由度的液壓缸、電動缸和氣缸組合，通過復雜臺架的搭建，實現多通道閉環控制試驗。

奧迪的轉向管柱耐久試驗是一個模擬駕駛員按住方向盤左右打方向的試驗，需要進行60萬次同時控制左右旋轉力矩和下壓力的可靠性試驗。一般情況下，至少需要使用一個閉環控制的旋轉缸加上一個閉環控制的直線缸，通過復雜的夾具設計才能夠既滿足旋轉力矩的要求又滿足下壓力的要求。由于是兩個獨立的激勵組成的閉環控制系統，難免會產生相互干擾和相位不易控制的情況。圖3為客戶提供的試驗曲線示例。

圖3 客戶試驗曲線示例圖

通過對該耐久試驗要求的分析，本研究重新設計了與機器人匹配的試驗臺架和夾具（見圖4）。經過多次嘗試，完成了對機器人軟件的編程調教。其間解決了雙重激勵的輸入方式、雙閉環系統誤差補償比例的設定、最小修正因子和最大修正量的確定以及相位差的設定等問題，最終實現雙閉環控制的可靠性試驗。力值反饋試驗曲線見圖5。

圖4 試驗臺架圖

圖5 力值反饋曲線

二、各加載頭汽車內飾件可靠性試驗的研究

汽車上的零部件和乘員身體接觸的部位往往是不同的，導致汽車主機廠在制定標準時會有各式各樣的加載頭（見圖6），來對相關部件進行按壓耐久試驗。當前，座椅相關疲勞耐久試驗中，針對不同位置的加載需要更換加載頭且更換通常由人工完成，而市場上的機器人快換裝置成本高，結構復雜。本研究通過與市場上多種不同產品的比對，設計出了一種與工業機器人配套使用的簡易氣動快換裝置。該裝置采用氣動插銷式結構，具有結構簡單，維護保養方便等特點，同時具有安全自鎖機構，保證在壓縮空氣阻斷情況下依舊保持主盤與工具盤連接。

圖6 耐久性試驗加載頭

圖7 快換裝置工作部分現場機器人操作示意圖

快換裝置工作方式主要步驟如下：

初始狀態下，工具盤與氣缸插銷脫離，與加載頭一同放置在支架的加載頭放置底座上，工具盤側邊三個平面與定位塊接觸。機器人連接座固定在機器人工作法蘭盤上，連接氣缸的控制電磁閥信號線及磁性開關信號線連接至機器人控制器。

試驗開始后，機器人帶著連接氣缸移動至支架上方，控制器發出控制信號，連接氣缸活塞桿縮回。活塞桿縮回位置磁性開關有信號，說明此時插銷處于解鎖位置并與工具盤無接觸。接著，緩慢下降直至連接氣缸固定座與工具盤接觸，此時機器人處于鎖定位置。連接氣缸活塞桿伸出，活塞桿伸出位置磁性開關有信號，說明插銷已經插入銷孔中，此時處于鎖定狀態。機器人帶動加載頭移動至試驗工作位置開始試驗。

一段試驗完成后，需要更換加載頭。機器人帶著連接氣缸移動至支架上方，緩慢下降，直至工具盤與加載頭放置底座接觸。控制器發出控制信號，連接氣缸活塞桿縮回。工具盤與機器人連接座脫離。機器人帶著連接氣缸移動至另一個工具盤上方，緩慢下降至鎖定位置，重復動作（見圖 7）。

三、結 論

本研究依托試驗室實際情況和試驗能力，著眼于常見的試驗形式，基于工業機器人開發出了可以滿足主機廠要求的汽車零部件產品可靠性試驗系統，并解決了座椅疲勞耐久試驗中更換加載頭需要停止試驗并人工更換的情況。本研究積累了工業機器人的二次開發經驗，實現了復雜運動軌跡的可靠性試驗和不同加載頭的自動更換，不僅能夠滿足將來汽車主機廠越來越復雜的試驗要求，還提高了試驗效率，降低了技師的工作強度。同時通過用工業機器人來進行可靠性試驗能夠更真實地模擬乘員操作，有助于汽車零部件廠家有針對性地提升產品質量。