基于機器人的純電動車高壓電池裝配工藝研究

沈陽

（華晨寶馬汽車有限公司，沈陽 110044）

0 引言

在經歷了大約10 a的緩慢發展之后，電動汽車作為國家戰略被提上日程，將成為汽車市場的主流產品。國務院關于新能源汽車產業發展規劃定如下目標：到2025年，我國新能源汽車市場競爭力明顯增強，新能源汽車新車銷售量達到20%左右[1]。電動汽車技術作為新時代快速興起的一項新型技術，它集合了多種技術，其中有現代電子計算機技術、機械制造技術、新型動力設備技術等[2]。電動汽車行業其發展目的是做到產業化、智能化。

純電動的核心部件主要由電池、電動機、驅動半軸和充電口及附屬部件組成，如圖1所示。其中高壓電池作為電動車的核心部件，其發展及研發是制約各大電動車廠的瓶頸[3]。而在總裝廠，如何把高壓電池和車身合裝在一起，其工藝的有效性和穩定性尤為重要。

圖1 純電動車的結構

本文創新地提出：利用智能安全機器人帶動數字化螺栓擰緊機，來實現高壓電池的精確安裝。通過PLC實現邏輯控制，并實時監控安裝打緊結果，連入質量監控系統，可以保證裝配工藝的穩定性、自動化和高效性。

1 高壓電池裝配工藝

純電動車由高壓電池提供能量，電動機把電能轉化為機械能，通過驅動半軸傳遞到車輛輪胎進而使車輛行進。高壓電池的裝配工藝如圖2所示，一般為3步：1）高壓電池舉升至裝配位，先打緊側面螺絲，使電池與車身固定在一起。2）打緊前部螺絲和后部螺絲一般位助力臂打緊3）舉升設備回位，并連接相應高壓線。其中第一步尤為重要，因為在打緊過程中，要配合車身吊具位置，高壓電池由于質量重、體積大，傳統工藝中，其與車身裝配及螺絲打緊主要使用大型設備連接多把擰緊槍同步打緊，效率低下且打緊結果不穩定。

圖2 純電動車電池裝配

為解決側面螺絲的關鍵打緊穩定性問題，提出使用安全機器人來實現此工藝需求，以提升生產效率。

2 機器人和螺栓自動擰緊機

在機械行業的裝配過程中，螺紋連接是最為傳統的連接方式。目前業界使用的是德國工程師協會發布的VDI2230標準，如圖3所示。其中高負荷連接的系統計算方法是研制數字化螺栓擰緊機的依據[4]。

圖3 高負荷連接的計算標準

在螺栓的擰緊過程中，工具制造商追求的目標是有效地控制擰緊，并使擰緊達到最佳狀態。本文采用的是高精度轉矩控制螺栓自動擰緊機，其主要結構如圖4所示，由控制器、線纜和擰緊軸組成，具有數字通信功能，可與上位PLC通信；內置芯片，內部可設置及修改打緊參數；擰緊軸配置高性能電動機和慣量剎車。

圖4 螺栓自動擰緊機組成

3 機器人運動仿真

Tecnomatix的Process Simulate軟件提供了一個集機器人和自動設備規劃及驗證為一體的虛擬環境，能夠模擬安全機器人在真實環境中的工作情況，安全機器人主要組成部分如圖5 所示，是智能化工廠實現的重要方法，可大幅提高機器人離線編程效率和質量，減少現場環境調試的時間。

圖5 安全機器人主要組成部分

3.1 模型導入

在做離線仿真之前，首先需要把各個部件由三維模型導入到Process Simulate的環境中，圖6所示為螺栓自動擰緊機及固定架的三維數模，與高壓電池、安全機器人、托盤、圍欄等一起導入到Process Simulate中（如圖7），并按照車間布局圖裝配到理論位置。

圖6 螺栓自動擰緊機及固定底座三維數模

圖7 仿真環境模型

3.2 離線軌跡

模型導入并組裝完成后，首先定義出工具坐標，即數字化擰緊槍的工作位置。為調試方便，選取數字化擰緊槍前端中心點位置，其次定義一固定位置為虛擬編程的基坐標系，然后基于螺栓最終打緊位置，定義出中間點位置及目標點位置，選取合適的逼近方式，生成初始離線軌跡程序，如圖8所示。

圖8 離線軌跡程序

4 安全設計及PLC編程

4.1 安全設計

在生產區域，員工的安全是第一要素。因此在高壓電池機器人工位，選取的機器人都是安全機器人。

在確定初始離線軌跡及無干涉情況后，意味著設計方案已經得到論證，這時需要檢查機器人負載分布。如圖9所示，把數字化擰緊槍及固定架載荷輸入至機器人負荷檢查軟件中，就可以計算出對六軸機器人每個軸的負荷狀態。從計算結果可以看出，全部低于額定負荷，滿足現場需求。

圖9 機器人負載驗證

然后設定機器人安全區，對于工具端設置安全球，把機器人工具包絡進去（如圖10），同時設置安全工作區（如圖11），并設置激活條件，如果員工進入工作區工作，就會發送信號給機器人，即使機器人的工作步序里需要進入此工作區，也需要在此區域外等待，直到員工釋放此區域，機器人才可進入，以達到保護操作者的目的。

圖10 工具端包絡安全球

圖11 機器人工作區

4.2 PLC編程

根據工藝過程描述、失效模式分析、備用方案過程，電氣PLC人員開始進行電氣設計，確定各功能組件后，進行硬件組態，（如圖12），機器人和數字化擰緊槍都是其執行單元。然會定義變量，在西門子TIA軟件里利用標準模塊進行邏輯編程，最后生成人機交互界面，如圖13所示。在這中間會進入虛擬環境，虛擬調試各個工作狀態及安全信號，確保無誤后下載到現場PLC工控機中。

圖12 PLC硬件組態

圖13 人機交互界面

在打緊過程中，如果螺栓數字化自動擰緊工具監控到任何轉矩異常或衰減，就會報錯，錯誤信息及位置信號同時發送給PLC及生產質量監控系統。此生產監控系統是實時監控的，員工收到提示后到人機監控界面上查找，進行質量分析并查找故障原因。

5 結論

1）創新地提出了利用機器人帶動數字化螺栓擰緊機，來實現高壓電池的精確裝配。進行了機器人運動仿真及虛擬碰撞測試，定義了安全工具及安全區，在虛擬環境實現了軌跡優化和機器人程序輸出。

2）數字化螺栓自動擰緊機機器人程序與PLC互聯，并與生產監控系統互聯，真正做到了智能化和數據化生產，大大縮短了現場人員的操作時間，提高了高壓電池的裝配工藝的準確性和穩定性。