基于ABB機器人滾邊技術的研究與應用*＊

李新凱 王俊俊

(①桂林電子科技大學教學實踐部，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4.0”和“中國制造2025”的開展，國內汽車生產行業也在不斷轉型升級，傳統汽車制造技術越來越難以滿足大批量高端產品需求，而PLC控制工業機器人實現快速、穩定、精確的智能化生產已成為汽車行業發展的趨勢。

汽車覆蓋件(尤其是汽車左/右前車門、左右后車門、發動機罩蓋和行李箱罩蓋，統稱四門兩蓋)整車車身的主要外觀部件，其外觀質量和外形輪廓直接影響客戶體驗。包邊工藝是四門兩蓋在車身生產線上的最后工序，其加工質量直接決定門蓋在車架裝配過程中的精度和穩定性。傳統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，且設備相對復雜

后期維護較為困難。隨著汽車升級換代速度的加快，傳統包邊工藝難以滿足多種車型的批量加工［6－8］。機器人滾邊技術是近年發展的新技術，因其具有較高的自動化程度和生產效率而大量應用于各汽車廠家。國內外學者和工程師針對機器人滾邊工藝進行了大量深入的理論和實驗研究: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量，結果發現板件預應變對縮進影響較小，但預滾邊的皺褶和縮進較為明顯，因為傳統包邊縮進值較滾邊大;Hong［9］等采用激光輔助工藝對鋁鎂合金進行滾邊預處理，結果發現板件彎曲程度和質量較傳統滾邊有所提高;盧鵬［10］采用Abaqus軟件分析鋁合金在不同工藝參數下的滾邊質量，分析總結各重要影響因素對質量的影響規律，為實際生產提供指導。

本文闡述了眾泰汽車某分公司最新開發的新型智能機器人滾邊工藝、電氣控制過程、滾邊質量評定標準和部分缺陷出現的原因。

1 機器人滾邊系統

機器人滾邊系統主要由滾邊夾具系統、滾輪系統、機器人及其控制系統構成，如圖1所示為眾泰汽車公司滾邊系統布局圖。該系統主要由1臺機械手臂、2套滾邊夾具和1組控制臺組成。該系統柔性程度較高，可實現一臺機器人對多種不同套板件進行滾邊，并針對不同板件采用不同形式的滾邊工具，充分提高滾邊機器人使用效率和適用范圍。圖2為該機器人滾邊工作站實景圖。

1.1 滾邊夾具系統

滾邊夾具系統包括滾邊胎膜和定位夾緊系統，如圖3所示。定位系統分為內板定位和外板定位，內板定位由3個定位氣缸實現，外板定位由擋板氣缸實現。

1.1.1 滾邊胎膜

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

1.1.2 定位夾緊系統

定位夾緊系統包括對車門內外板的定位夾緊工序。因加工車蓋型號較多，本系統采用外形定位方式，如圖4所示，為上料后各定位夾緊機構的工作順序。

1.2 滾輪系統

滾輪系統由不同型號的多個滾輪組成。本系統中單個機器人可攜帶2個滾輪，如圖5所示，在定位固定后通過程序控制機器人操控滾輪對汽車門蓋進行滾邊處理，在滾邊過程中滾輪對外板施加作用力，實現外板彎折包裹內板的效果。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量。為保證滾輪的使用壽命和性能，系統采用的滾輪材質為42GrMo，其硬度可達55 HRC，滿足耐磨性需求。

系統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，在生產過程中常加工的四門兩蓋可分2～4次進行滾邊操作，對于彎曲程度較大和輪廓復雜的邊角適當增加滾邊次數。如圖6所示為90°翻邊的外板，其包邊過程可分為90°→45°→0°兩個階段。

1.3 機器人及其控制系統

機器人的控制系統包含關節電動機驅動裝置、運動算法部分和人機交互軟件等。在機器人滾邊工藝中機器人需按預定程序和軌跡控制滾輪運動，并按預定程序氣缸需對門蓋不同部位施加相應壓力以實現折邊處理。這要求機器人在工況下需同時可靠地控制多軸運動，以滿足不同產品的柔性要求。同時保證系統具有典型的模塊化和網絡化，因此本控制系統需開發開放式控制器以增強通信功能和離線編程功能。

1.3.1 機器人

在汽車四門兩蓋滾邊操作中，對機器人的運動軌跡需求較大，且廠區空間有限，因而本系統采用關節式球面坐標機器人，在三維空間內該機器人有6個自由度，其運動過程是通過機械手臂和手腕組合而成，其中手臂部分有3個關節，用以改變手腕參考點位置;手腕部分也有3個關節，用以調整機器人末端的姿態［11］。

ABB機器人的外形如圖7a所示，機器人由腰關節 A1、大臂關節 A2、小臂關節 A3和腕關節 A4、A5、A6組成，每個關節由伺服電動機獨立驅動，各實現一個自由度的運動。其中手臂部分(A1、A2、A3)用以確定機器人手腕位置，調整改變手腕參考點狀態，手腕部分(A4、A5、A6)用于確定機器人末端的姿態。六大關節活動最大軌跡和尺寸如圖7b、c和表1、2所示。

表1 FDRD機器人尺寸參數 m

表2 FDRD機器人軸向運動尺寸

1.3.2 機器人控制系統

機器人控制系統用于控制機器人、滾邊夾具和轉動架臺的動作，以及機器人與滾邊夾具、換槍架臺、安全光柵和安全門等系統之間的通信，控制協調整個滾邊工作站系統中所有工作單元間的動作及順序，并對整個系統進行故障檢測及報警監視。圖8為機器人控制系統流程圖。

機器人控制程序是整個機器人滾邊系統的核心。在滾邊的軌跡線上根據板件的變形復雜程度設置坐標點，然后用樣條線將所有坐標點連接起來，擬合成機器人的滾邊路徑。必須合理設置坐標點的位置和密度，機器人的軌跡才能滿足設計要求。在設計過程中，利用仿真平臺對機器人滾邊系統進行模擬仿真，并生成離線程序，在現場調試階段，只需要根據具體的沖壓板件的外形尺寸及狀態進行微調，并對離線程序修改完善，縮短現場調試時間，提高工作效率。圖9為機器人控制面板，是PLC傳輸給機器人轉臺氣缸信號的程序塊，實現機器人滾邊過程控制和檢測氣缸的功能。

2 機器人滾邊質量鑒定及缺陷分析

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，隨機抽取工件進行專業檢測，檢查翻邊牢固程度和膠固化強度，并使用三坐標測量儀對門蓋邊緣及整車匹配精度進行測量，當選取的測量點的實際尺寸與設計尺寸存在的偏差值大于規定，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:滾邊側和工件表面無開裂、裂紋及邊緣褶皺現象;外板翻邊后與內板包合情況良好，經測量壓合處間隙小于1 mm，符合設計要求;翻邊圓角無變形，經卡尺測量尺寸合格。

滾邊工藝作為門蓋總成的最終工序，其質量直接影響后期整車安裝精度和質量，經汽車廠生產日志調查，滾邊工藝產品的不合格率小于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疊料現象，如圖10b所示。因在彎折處外板漸變長度較短，使凸邊板料較多發生擠料。

為避免該現象的出現，后期操作中滾邊方向由拐角向兩邊展開;當拐角處彎折過大，應相應增加外板在此處的漸變長度。

(2)波浪起皺

實際加工中，會出現少量間斷性的滾壓豁口現象，如圖10c所示。經研究發現出現該現象的原因是:滾邊加工之前，外板未能按照加工精度要求固定于胎膜中，導致滾邊過程軌跡與外板位置形成偏差，當偏差積累到閾值時，出現擠料問題，形成明顯豁口;當板件的曲率較小，翻邊高度較大時，加工過程中趕料沒有足夠空間，易發生起皺缺陷。

為避免波浪起皺，在胎膜定位夾緊工序中，嚴格遵守操作規范，精確落膜;在易堆料位置預留工藝缺口，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，部分位置內板裸露，該缺陷是較為嚴重的質量問題，不僅外觀不合檢測標準，車身結構強度同樣難以滿足要求。該現象出現的原因是:在門蓋彎折處，外板滾邊過程會出現擠壓問題，而滾邊進入相對平緩位置時，包邊恢復正常，因此在包邊側面可觀察到包邊不均的現象;翻邊長度小，內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，應選擇合理的翻邊高度;在保證翻邊預留量的前提下，保證切邊長度以滿足內板完全包裹的需求;多次壓合內外板，控制板件回彈量，減小內外板間隙。

3 結語

相比傳統滾邊技術，機器人滾邊設備成本低，柔性程度高，成型效果好;通過計算機程序的控制和機器人的高精度化操作，可有效保證滾邊程序的精確穩定;電氣系統程序的可調性，增加了滾邊方式的多樣性和門蓋加工的適應性;較高的滾邊合格率是保證企業長足發展的基礎。