機器人汽車主胎隨動安裝技術研究

齊黨進

（上海發那科機器人有限公司，上海 201906）

隨著產業的升級和工業4.0 的推進，機器人越來越多地出現在汽車總裝車間。在主輪胎安裝領域，存在2 種解決方案，即帶直交軌道擰緊機方案和機器人擰緊方案。帶直交軌道擰緊機方案采用直交軌道實現擰緊機的自動移栽，增加主胎安裝機實現半自動安裝，但仍需要人工進行螺母（螺釘）安裝和預擰緊；無法解決安裝位置的3D 補償，需要人工對準和施加預壓力。機器人擰緊方案，由機器人手持多軸擰緊機實現自動擰緊，但要求車身傳輸線做較多改造，且只能實現定點安裝，也無法滿足柔性生產的需求，卻造成了擰緊軸電纜易損壞和可靠穩定裝配下降的后果。但是，相關的工藝研究和開發相對較少，且主要與輪胎輸送相關。

因此，通過對機器人技術、擰緊技術、3D 視覺補正和隨動技術等的研究，應對隨動安裝需求，本文提出了一種汽車主胎安裝擰緊系統，搭建了一個安裝測試平臺進行可行性分析和工藝研究，并以此為基礎開發了全新的汽車主胎安裝擰緊系統，實現了隨動安裝。

1 汽車主胎安裝擰緊系統

1.1 系統布局

圖1 汽車主胎安裝擰緊系統示意圖

如圖1 所示，本系統包含2 套主胎安裝機器人系統、螺母供料系統、螺母分料系統、車輪供料系統、伺服跟隨系統、機器人控制柜&電控柜系統等，上下兩側對稱排布。

1.2 隨動安裝機器人系統

如圖2 所示，隨動安裝機器人系統包括機器人系統、3D相機系統、輪胎擰緊機和專用管線包4 部分，實現汽車螺母（或螺釘）的自動拾取、主胎的自動拾取、主胎類型的自動識別、主胎安裝位置的3D 補償、主胎的安裝和自動擰緊。

圖2 隨動安裝機器人系統

1.3 伺服跟隨系統

如圖3 所示，伺服跟隨系統主要由伺服驅動系統、導向系統、跟隨系統、車身定位工裝和支撐板組成，實現機器人跟隨車身傳輸線運動。伺服驅動系統作為機器人的外部軸，由機器人統一控制并實現左右同步運行，當車身進入主胎安裝區域，車身將被二次定位并固定到車身定位工裝上，并由伺服驅動系統驅動以恒定速度前行；如圖3 左側放大圖所示，跟隨系統由線跟蹤編碼器、驅動齒輪、控制板卡和線纜等組成，與伺服驅動系統直接相連，確保機器人可以跟隨車身運動，實現隨動安裝；導向系統用于防止車身發生方向偏移。

圖3 伺服跟隨系統示意圖

1.4 主胎隨動安裝流程

如圖4 所示，隨動安裝的主流程為機器人動作流程，子流程為車身傳輸流程、螺母（螺釘）供料流程和輪胎供料流程。左右側輪胎安裝機器人各自拾取所需螺母（螺釘），并將其壓到待裝配主胎上，然后拾取待裝配輪胎，等待伺服隨動系統就位；伴隨機器人拾取螺母（螺釘）和輪胎，車身進入安裝區域，并通過二次定位鎖定到隨動工裝上后，由伺服隨動系統驅動前行，接著觸發開始安裝信號；在隨動安裝信號觸發后，兩側輪胎安裝機器人跟隨車身完成3D 視覺定位、主胎安裝和螺母（螺釘）擰緊，在確認安裝完畢后，進入下一流程。

圖4 主胎隨動安裝流程

2 隨動安裝測試和分析

2.1 測試平臺

如圖5 所示，在機器人主胎安裝工藝研究的基礎上，建立了一個可以進行工藝技術測試、工藝深入研究和實驗展示的測試平臺。系統包括一套隨動安裝機器人系統、模擬輸送/伺服隨動系統（采用標準行走軸運載車橋模擬車身傳輸和伺服跟隨系統）、模擬車橋系統、輪胎上料臺、螺母暫存臺和電控系統等。

2.2 跟隨誤差測試和分析

圖5 隨動安裝測試平臺

為了研究主胎隨動安裝過程中的跟隨誤差，將激光位移傳感器綁定在輪胎擰緊機手爪上，測試跟隨狀態下，手爪與模擬剎車車盤總成之間的定位偏差值。其中，以開始跟隨的點，機器人示教的安裝點和跟隨結束的點作為3 個跟隨誤差測試點，測試結果如圖6。

分析測試數據，可以得到以下結論：

（1）汽車傳輸方向的跟隨誤差幾乎不受車身傳輸速度的影響；

（2）分析跟隨趨勢，跟隨誤差絕對值遵循由大變小再偏大的趨勢，即機器人開始跟隨時，距離安裝目標偏差大，正向偏差與負向定位偏差都有，隨后，誤差越來越小，并在結束跟隨前，誤差變大，值基本與開始時接近；

（3）根據跟隨誤差的趨勢情況，必須在跟隨的中間段完成安裝和擰緊作業，否則，直接會影響主胎安裝和擰緊的成功率；

另外，跟隨誤差與線跟蹤坐標系的準確性有極大關系，必須確保跟隨誤差的準確性，否則直接會影響主胎安裝和擰緊的成功率。

2.3 跟隨時間測試和分析

進一步，對整個主胎隨動安裝的時間參數進行了測試，結果如圖7。

分析以上數據，得到如下結論：

（1）機器人速度越快，所需跟隨時間越短，行走軸速度越快，所需跟隨時間也越短；

（2）但是，當車身傳輸速度≥100mm/s 時，跟隨時間受車身傳輸速度影響極小；

（3）為了達到跟隨安裝的目的，跟隨時間需要大于擰緊時間，約為5s。

圖6 車身傳輸方向跟隨誤差變化曲線

圖7 跟隨時間與安裝時間變化曲線

3 結語

綜上，針對汽車總裝中對機器人隨動安裝主胎的市場需求，借鑒了前人的研究和開發成果，對機器人用主胎安裝擰緊系統、3D 視覺補正和隨動安裝進行了研究。本文提出了一種利用伺服跟隨系統驅動車身，3D 視覺系統進行視覺補正的隨動安裝方法；通過汽車主胎安裝測試平臺的測試驗證，確定了隨動安裝的可行性，并以此為基礎開發了全新的汽車主胎安裝擰緊系統，為汽車總裝，特別是主胎隨動安裝提供了全新的解決方案。