四單元聯動智能柔性定位系統研究*

黃 海，王 磊，卿小芳，李志強，石海波

（廣州德恒汽車裝備科技有限公司，廣州 510800）

0 引言

汽車新產品的研發速度和成本控制是汽車研發企業的一貫追求，新產品研發量產前試生產是必不可少環節，如何有效地利用產品研發中開發的資源，是企業值得思考的問題[1-2]。以往大批量、單一化生產模式造成大量工藝裝備投資，使制造成本增加和產能浪費，而基于小批量、多品種生產模式的柔性化制造技術最大程度降低工藝裝備投資成本和利用產能，最大程度縮短開發時間，實現新車型迅速投產，因此多車型汽車柔性化混線焊裝生產模式成為適應市場需求的焊接生產線發展趨勢[3]。

現階段汽車柔性生產線還沒有形成標準工藝模式，針對不同車型，不同廠家每次都要重新設計工藝及設備，這樣導致設計成本高昂，工藝兼容性差，當需增加車型就要對原生產線改造設計，既耗費成本，也浪費時間，這種模式很難滿足我國對汽車巨大需求。為彌補不足，提高汽車柔性生產線柔性化程度，智能柔性定位單元逐步被應用于各主機廠汽車柔性焊裝生產線上[4-5]。智能柔性定位單元應用于汽車白車身焊裝主線與地板線，可與標準工業機器人配合，精確、快速、簡便地實現多車型切換與定位，實現汽車柔性化生產，提高生產效率，降低工裝成本。因此對焊裝車間生產線工裝夾具定位單元進行柔性化設計開發是必須解決的問題[6]。

當前，一般汽車廠商首先考慮采用發展時間更久、更成熟的國外相關柔性定位技術，導致國內自主柔性定位技術的推廣應用困難。目前，雖然有多臺定位單元組建的智能柔性定位系統被應用于各大主機廠汽車柔性焊裝生產線上，一定程度上提高了汽車柔性生產線的柔性化水平，但現有定位系統使用的定位單元均采用三軸單元組合聯動方式驅動，價格昂貴，示教調試復雜，限制了智能柔性定位系統在汽車柔性焊裝生產線的普及應用[7-8]。

結合當前各主要柔性定位夾具的設計研究，充分考慮焊接工藝及需求，研制出四單元聯動智能柔性定位系統。本文分別對該定位系統的總體方案、電控方案、技術指標、關鍵裝置設計、車型切換、節拍能力及平臺擴展性等方面進行闡述和分析，結果表明該定位系統結構簡單、可操作性好、制作及維修容易、成本低，可為汽車生產廠商提供一種應用案例參考，為汽車多車型柔性定位系統的多元化解決方案提供借鑒。

1 智能柔性定位系統方案設計

1.1 總體方案

柔性定位技術是指可以根據不同車型數據自動切換定位銷對工件進行定位夾緊，實現多車型共線生產。四單元聯動智能柔性定位系統（以下簡稱四單元定位系統）能實現汽車四平臺多車型焊裝共線生產，如圖1所示，四單元定位系統主要包括定位平臺、抓手、搬運機器人、電控系統等。定位平臺上的前后兩側分別各布置2套旋轉定位單元和2套三維移動定位單元，其中旋轉定位單元可根據不同車型的定位需求切換定位銷組件，其驅動和轉位控制裝置可實現快速切換，以對不同車型的車身進行定位夾緊。三維移動定位單元可以橫向、縱向以及豎直方向調整定位點，實現三自由度的移動定位。搬運機器人和可拆卸抓手負責工件搬運。

圖1 四單元聯動智能柔性定位系統

四單元定位系統柔性定位過程如圖2 所示，四單元定位系統通過搬運機器人和抓手抓取車身后地板，并置于定位平臺上方，定位平臺的旋轉定位單元通過轉位將合適的定位組件轉動到定位工位上，搬運機器人將后地板的一側移動到旋轉定位單元側，并使后地板上定位孔與旋轉定位單元上的定位組件配合，定位平臺的三維移動定位單元智能移動對位，使后地板定位孔與三維移動定位單元上的定位銷配合，完成后地板定位工作，隨后對后地板進行夾緊和焊裝。

圖2 后地板柔性定位實物圖

1.2 電控方案

四單元定位系統的電控系統采用多軸聯動控制，如圖3所示，電控網絡架構采用總線擴展及硬件模塊化配置的方式進行設計，不同車身焊裝工位的定位單元數量不同，本文采用4個定位單元，包括2個三軸單元和2個一軸單元，聯動的定位單元數量可進行擴展。控制系統采用EtherCAT多軸運動控制器，1 個控制器可同時控制總軸數多達64 軸的定位單元，該控制系統具有以下特點：增強的軸參數顯示，可選擇軸的參數顯示與實時更新；機器人語言可擴展，配置1套手持器和示教編程系統軟件；可驅動輔助設備；具有直線、圓弧、螺旋線和空間圓弧插補的強大運動控制功能；帶有以太網內置接口，獨立的RS232 和RS485 端口，CANopen I/O 擴展。除手持示教器外掛，其余電控硬件均置于電控箱內，電控箱與智能柔性定位單元采用總線和動力電纜連接，1個電控箱控制4臺智能柔性定位單元，每臺定位單元均配置獨立的信號線纜和電源線纜與電控箱連接，并配置HARTING連接器用于線纜的快速對接。

圖3 電控網絡架構示意圖

四單元定位系統的示教器可對定位單元伺服系統的運行狀態進行監控、程序參數修改、伺服電機點動運行控制等。示教器功能菜單如圖4所示，開機主畫面設置監控畫面、示教畫面和異常畫面3個主要選擇畫面，各畫面下層設置多層子菜單畫面。監控畫面實時顯示定位單元的運行狀態，示教畫面用于輸入車型數據、控制定位單元的點動、對零、軌跡示教等，異常畫面用于顯示定位單元故障的出現與解除。

圖4 示教器功能菜單

示教器畫面顯示如圖5所示，“示教畫面”用于四單元定位系統4個定位單元“①②③④”的示教操作，定位單元①和②均為3軸直線位移控制，定位單元③和④均為單軸角位移控制，示教器實現四單元定位系統4個定位單元共計8軸（J1～J8）的位置示教與實時坐標顯示。

圖5 示教器顯示畫面

1.3 技術參數

四單元定位系統關鍵技術參數如表1 所示，平臺數4 個，共線生產車型數量4種以上，柔性化程度高，多平臺多車型共線生產，生產效率高，生產節拍滿足85 JPH，節拍時間內完成智能切換，車型切換時間6 s，定位銷高精度定位，定位銷位置尺寸公差i 0.05 mm，滿足汽車零部件廠和主機廠多車型門蓋、底板、機艙等車身零部件高效率柔性共線混流焊裝生產。

表1 關鍵技術參數

2 關鍵裝置設計

2.1 定位平臺

定位平臺用于車身件的柔性定位與夾緊，采用四單元定位設計，如圖6所示，定位平臺包括基板、2套旋轉定位單元和2套三維移動定位單元。基板用于定位單元的安裝和承載。旋轉定位單元包括驅動裝置、機架、增高座、轉位控制裝置、超程保護裝置、檢修感應裝置、定位銷組件、轉盤等。機架上設有用于固定轉盤的檢修感應裝置。轉盤最多安裝4套定位銷組件。轉盤與機架之間設有轉位控制裝置和超程保護裝置，分別用于控制轉盤旋轉角度和限制轉盤轉角行程。根據不同車型定位需求，定位平臺自動切換定位銷組件，解決了白車身焊裝生產線切換車型平臺時由于定位孔徑的大小和位置不一致所引起的無法定位的問題，極大降低新車型新平臺開發成本，車型切換無需人工控制，切換迅速，控制精準，智能化生產。

圖6 定位平臺示意圖

三維移動定位單元包括銷釘缸、升降臂、A3軸、A2軸、A1軸、拖鏈等。A1～A3軸呈橫向、縱向和豎向布置，為三維移動定位單元的動力裝置。A1軸置于定位平臺上，用于定位單元橫向移動，A2軸與A1軸垂直交叉相連，用于定位單元縱向移動，A3軸置于A2軸正上方，用于升降臂直線升降移動，帶動銷釘缸同步移動。銷釘缸與升降臂均采用側面布置，三維移動單元整體高度低，使該單元與旋轉定位單元設備高度相匹配，降低汽車焊裝產線成套設備高度，降低用戶設備投資。

2.2 抓手

抓手用于工件抓取，如圖7 所示，抓手包括定位組件、夾緊組件、夾緊缸、八角管、法蘭、閥島、調節桿、在度感應等。

圖7 抓手示意圖

八角管安裝有定位組件和夾緊組件，用于工件定位與夾緊。夾緊缸裝于多孔設計的調節桿上，不同孔位安裝的夾緊缸能夾持Z 向尺寸各異的工件，夾緊缸和閥島提供工件夾緊氣動動力。法蘭中心凹陷，與搬運機器人連接機構插接并定位鎖緊。抓手抓取工件后，通過裝于八角管上且置于工件上方在席感應判斷工件是否到位，確保工件正常抓取。

2.3 機器人系統

機器人系統負責抓手及工件搬運，如圖8 所示，機器人系統包括系統控制柜、機器人柜、置臺、法蘭、搬運機器人、基板、調平裝置等。置臺用于安置系統控制柜和機器人柜，法蘭用于連接抓手，基板采用調平裝置調節水平，用于搬運機器人安裝。系統控制柜整體控制四單元定位系統，機器人柜控制搬運機器人運送工件，系統控制柜和機器人柜聯動協作，完成工件智能切換、運送、抓取和定位。

圖8 機器人系統示意圖

3 相關特性分析

3.1 車型切換

如圖9（a）所示，旋轉定位單元的轉盤沿轉盤軸心線旋轉，帶動裝于轉盤上的定位銷組件以90h分度旋轉與停留，最多實現汽車生產的4個制造平臺工件的定位與夾緊。各平臺的車型定位孔大小與位置尺寸均可不同，根據不同車型定位需求，旋轉定位單元自動切換定位組件，以適應汽車4平臺多車型共線生產。如圖9（b）所示，三維移動定位單元的軸移動方向按笛卡爾坐標系設置，通過3軸聯動的直線移動，帶動裝于升降軸頂端的銷釘缸在空間設定范圍內任意點的停留，實現多車型定位孔位置尺寸不同的柔性定位。四單元定位系統通過旋轉定位單元和三維移動定位單元的多軸聯動及單元聯動實現4個不同制造平臺的多車型切換共線生產。

圖9 單元運動示意圖

3.2 節拍分析

四單元定位系統生產節拍時間取決于機器人搬運、焊接和車型定位切換時間等，表2所示為某汽車零部件廠多車型門蓋柔性切換共線生產的生產節拍，定位單元切換定位銷組時間6 s（即車型切換時間6 s），節拍重要轉接點時間36 s，設備開動率85%時，生產節拍高達85 JPH，日常生產節拍滿足生產綱領要求。

表2 生產節拍 s

3.3 平臺擴展性

圖10 定位平臺擴展示意圖

四單元定位系統采用模塊化設計，生產廠商可根據產品規劃和車型增加對定位平臺進行擴展，如圖10所示（注：以下旋轉定位單元簡稱風車，三維移動定位單元簡稱NC），定位平臺在已有4 定位單元基礎上分別進行1～2 單元擴展，擴展后獲得2個新定位平臺，其中定位平臺2為5定位單元組合（2 臺風車+3 臺 NC），定位平臺 3 為 6 定位單元組合 （3 臺風車+3臺NC），較之4定位單元組合的定位平臺（2臺風車+2臺NC），2個新定位平臺能適應更加復雜多樣車身零部件柔性定位，滿足更多車型門蓋、地板、機艙、側圍、白車身等車身零部件混流共線焊裝生產。圖中2 個新定位平臺的風車和NC均為同側布置，為適應更多復雜生產工況，風車和NC的底部安裝面可在單元安裝基板面上任意水平移動并固定，獲得更多新定位平臺。

4 結束語

多車型柔性生產線關鍵技術四單元定位系統的開發和成熟具有重要意義。本文在充分分析和總結現有汽車柔性定位系統不足后，研制了適用廣泛、定位平臺可擴展的高效快速切換的四單元聯動智能柔性定位系統。本文系統闡述了四單元定位系統整體方案與電控方案，并對其關鍵裝置設計、車型切換、節拍能力及定位平臺擴展性等進行描述和分析，為汽車焊裝柔性定位系統的多元化解決方案提供借鑒。