自动智能装配技术在汽车焊装车间的研究与应用.pdf

2023年 第 9 期 /微信号 auto195032汽车制造|Auto Manufacture自动智能装配技术在汽车焊装车间的研究与应用谢明达，王人和，刘伟伟北京奔驰汽车有限公司 北京 100176摘要：以北京汽车有限公司GLC/E级车型焊装装配线为研究对象，结合自动智能装配技术的相关理论，对GLC/E级车型焊装装配线的方案进行设计与建设。从而通过自动智能装配线解决手工装配线存在的产能低、装配质量稳定性差的问题。通过自动装配技术在北京奔驰GLC/E级车型焊装车间装配线的应用，同时提高了相关员工的专业水平及素质，也为其他汽车主机厂焊装车间装配线的规划及建设提供了一定的参考意义。关键词：自动智能装配；焊装车间；装配线 北京奔驰在未使用自动智能装配技术之前，各个白车身生产线均采用手工装配形式。手工装配线也广泛存在于国内汽车主机厂，但是存在较多问题，具有代表性的是以下两大问题。1）质量问题。传统手工装配线，采用手工装配工艺，装配精度及一致性低，容易产生间隙平顺度及关门力超差等质量问题。2）人员成本。手工装配线需大量人员安装及调整四门两盖，返修工作量大，人员成本高。自动智能装配原理1.常用传感器自动智能装配硬件系统主要由机器人、VMT 电脑、抓手及传感器等组成，如图1所示。软件使用了VMT的系统作为自动智能装配的软件。机器人为北京奔驰所使用的标准的库卡机器人。图1 自动智能装配系统示例 自动智能装配的测量主要是通过各种各样的传感器来实现的，常用的传感器分为三种：点传感器、线传感器、圆形传感器。（1）点传感器 也称为距离传感器，如图2所示，型号为Micro-Epsilon optoNCDT1402，用于测量零件在某一方向的尺寸距离，常应用于测量车门铰链Y向的安装深度等。微信号 auto1950 /2023年 第 9 期33 Auto Manufacture|汽车制造图2 点传感器 点传感器的检测原理为传感器发射出光线到被测物体，然后计算出被测物体在某一方向与传感器的距离，如图3所示。图3 点传感器检测原理（2）线传感器 常用于检测间隙与平顺度，如图4所示，型号为MEL M2-iLAN 和P+F LR300 Dual Head Sensor。图4 线传感器 当线传感器照射车门或车身的轮廓出来的线是如图5所示粗黑线形状时，通常用如下理论来计算间隙与平顺度。如图5所示，可以看出在这条线上有一个曲率最大点，在粗线的拐角顶点定义成真实的间隙点，在距离点确定两个距离的位置求出两个点进而画出这条粗线的切线，通过点向这条切线做垂线求出虚拟间隙点。系统通过计算点的距离来得到间隙与平顺度，如图6所示。图5 线传感器检测轮廓原理 图6 线传感器检测间隙与平顺度原理 （3）圆形传感器 也称为照相机传感器，型号为GIGE CCD Camera，主要功能是为了确定孔的具体位置。圆形传感器（见图7）的工作原理是根据明暗对比，建立半径不同的同心圆，进而找到了某个确定的点的位置，如图8所示。图7 圆形传感器图8 圆形传感器工作原理2.外覆盖件与白车身装配外覆盖件与白车身装配主要有以下两种情形：1）装配尺寸发生偏差，如图9所示。此种情况较为简单，可以通过计算模拟，消除误差达到理论位置。2023年 第 9 期 /微信号 auto195034汽车制造|Auto Manufacture2）装配零件本身有制造误差，如图10所示。此种情形尺寸偏差无法消除，只能通过计算，尽可能减小偏差，达到最佳装配尺寸状态。图10 装配尺寸情形二3.运算逻辑自动智能装配的运算逻辑主要通过以下步骤来进行设定和完成。1）步骤一，定义示教位置。机器人抓着车门到达车身处，手工测量出最佳的位置，系统记录此位置数据，保存示教位置为机器人位置，保存参考值为传感器值，如图11所示。图11 示教位的设定2）步骤二，示教。机器人沿X、Y、Z轴小角度旋转时，有两个变量产生，机器人位置变化量（机器人）和传感器测量值变化量（传感器），将这两个变化量保存。经过数学微积分，可以算出机器人/传感器之间变化关系，来验证示教位置是否合理。如果最终的评判结果为0.91.0，此位置可以作为示教基础位置。3）步骤三，运算。将示教位置传感器的数值作为参照数据，将实际零件装配的传感器数值尽量向示教数值接近，最终完成运算。4.后车门装配工艺自动智能装配在北京奔驰也称为“Best-fit”，指的是机器人通过激光传感器测量白车身的尺寸，通过软件计算模拟，实现车身与外覆盖件的最佳匹配状态。以后车门装配工艺为例，Best-Fit自动智能装配的工艺流程如图12所示。自动智能装配具体工艺过程内容如下：1）机器人抓手激光传感器测量车身尺寸。2）测量每辆白车身的实际状态，通过大数据智能运算，实时调整车门位置。3）当车门与白车身达到“最佳匹配”状态后，机器人通过EC-工具自动拧紧枪进行车门与车身拧紧。4）机器人再次测量车门与车身间隙及面差，数据上传PLUS系统进行存储。工艺应用新一代GLC/E级的车型仍然在北京奔驰MRA厂区内生产，焊装车间在原有的生产线厂房进行利旧改造。待新产线完成改造和调试后，预期具备15万辆的产能。1.装配线工艺流向北京奔驰装配线的工艺流向一般都是从车身后侧图9 装配尺寸情形一微信号 auto1950 /2023年 第 9 期35 Auto Manufacture|汽车制造向前侧方向按顺序安装，新一代GLC/E级车也符合这个原则。通过产品下发的连接顺序文件，进行工艺流向的具体规划。新一代GLC/E级车的装配线的工艺流向如图13所示，据工艺流向及车间布局，GLC/E级车焊装车间装配线的布局如图14所示。2.装配具体工艺内容1）ST100工位为举升门装配。101RB_300从举升门料框中抓取举升门后放置到铰链装配工装中，101RB_100从铰链上件缓存胎中抓取铰链去与举升门进行装配，通过“Best-fit”算法后铰链固移动到最优位置。101RB_300从螺钉送料器中抓取螺栓从而完成铰链与举升门的装配。100RB_100抓取举升门，通过“Best-fit”算法后将举升门移动到与车身匹配的最佳位置上，100RB_400通过螺母送料器抓取螺母，完成举升门与车身的装配。如图15所示。2）ST150工位为后车门装配。工人从后车门料框图14 GLC/E级车装配线工艺布局中取出后车门放置到上件胎中，151RB_300将后车门从上件胎中取出，放置到铰链装配夹具上。151RB_500从铰链缓存转台中抓取铰链，移动至铰链装配工装处，通过“Best-fit”算法后将铰链移动至与车门装配的最佳位置。151RB_300通过螺栓送料器抓取螺栓，完成铰链与车门的装配。150RB_100将后车门抓取并移动至车身处，通过“Best-fit”算法后将车门移动至与车身装配的最佳位置。150RB_300通过螺母送料器抓取螺母并完成后车门与车身的装配。如图16所示。图12 Best-Fit工艺流程图13 工艺流向2023年 第 9 期 /微信号 auto195036汽车制造|Auto Manufacture图16 GLC后车门工艺描述图18 GLC翼子板工艺描述5）ST400工位为翼子板装配。工人从翼子板料框中取出翼子板放置到旋转上件胎中，401RB_100将翼子板从上件胎中取出，移动至车身侧进行“Best-fit”算法模拟。待完成算法后翼子板移动至与车身匹配最佳位置处，400RB_100、400RB_300、400RB_500及400RB_700等机器人完成翼子板与车身连接螺栓的拧紧，从而完成翼子板的装配工作。如图18所示。图15 GLC举升门工艺描述3）ST200工位为前车门装配工位，与后门装配工艺类似，不再进行具体介绍。4）ST350工位为发动机盖装配。351RB_100从铰链缓存转台中抓取铰链并放置到铰链装配工装中，351RB_300从发动机盖料框中取出发动机盖放置到发动机盖装配夹具中完成发动机盖与铰链的装配。350RB_100抓取发动机盖并移动至车身处，通过“Best-fit”算法后将发动机盖移动至与车身装配的最佳位置。350RB_300和350RB_400通过螺栓送料器完成螺栓的抓取，移动至车身完成翼子板双头螺栓和发动机盖的装配拧紧。如图17所示。图17 GLC发动机盖工艺描述现场调试调试时间一般为两周，完成Best-fit装配技术对应相关调试工作。调试流程一般为三坐标完成测点的画线车，准确地将检测点标注在车身。然后通过此车身测点的位置来调整机器人抓手传感器的位置。依次调整机器人抓手的示教位、安装位以及最后的测量位，最后通过若干轮次的MFU（即设备重复性能力）验证完成调试。通过尺寸与节拍的不断优化，最终将自动智能装配技术成功应用于GLC级/E级装配线，不仅实现了装配线产能的提升，还保持了装配质量的稳定性。结语本文通过描写自动智能装配技术在焊装装配线的应用，解决了传统装配工艺存在的若干问题，主要体现在以下几个方面：1）实现覆盖件与车身的自动最佳匹配，车身装配精度高，一致性好，装配质量稳定。2）采用机器人取代人工装配，大量节省操作工人数量，并有效降低人员劳动强度。3）车身装配一次性合格率高，返修量大大减少，最大程度降低返修成本。4）整个装配过程采用机器人自动化技术，避免了微信号 auto1950 /2023年 第 9 期37 Auto Manufacture|汽车制造某轴类锥齿轮车削工艺优化刘井泽，周仁杰，袁博，王乐，王海涛中国第一汽车集团有限公司研发总院试制部 吉林长春 130011摘要：针对轴类锥齿轮车削工艺设计了一种新型夹具，并对三种车削夹紧方式进行试验对比，结果显示新型夹具在装夹速度、稳定性、精度三个方面都有较好的表现，适合后桥齿轮车削加工。关键词：车削；轴类零件；切削力；优化作为汽车中的精密组成部件，后桥齿轮中主动锥齿轮（见图1）的生产环节可分为车削、制齿等两部分。其中车削作为从毛坯到产品的过程中金属去除率最大，且近90%轮廓切削加工的工序，直接影响了该产品的尺寸精度、形位精度及产品质量，并进一步影响了产品在最终装配、使用过程中的产品性能及寿命，从而直接影响最终用户的使用体验。后桥齿轮中主动锥齿轮作为精密传动齿轮，其常见零件尺寸约为50 300mm，材质通常为20CrMnTi等，热后硬度可达 5862 HRC，根据目前加工参数可推断该零件在精加工时的切削力可达150400N，而为了保证该零件在使用过程中有良好的传动及机械性能、出色的使用寿命，所以在该零件的设计要求中零件两端具有极高的形位精度。后桥齿轮中轴类零件车削夹具优化在传统加工环节，后桥齿轮中轴类零件通常有三种基本装夹模式，即：直接装夹、一夹一顶、两顶尖加鸡心夹装夹或两顶尖加端驱系统装夹。但在生产实人工装配过程中出现的磕伤等缺陷。此项技术的成功应用，重点解决了困扰北京奔驰不断上涨的人工成本问题。按照传统装配工艺，装配线的人数是28人/次，人均成本为33万元/年。自动智能装配线的投资成本为7600万元，北京奔驰的产品生命周期一般为7年，则在产品生命周期内预计可节省5336万元，极大节省了企业的运营成本。参考文献：1 魏国兴，张晓龙，郭胜.视觉系统在汽车焊装中的研究和应用J.汽车工业研究，2022，308（1）：22-25.2 孙凤元.汽车焊装车间柔性化生产线的应用研究J.中国设备工程，2019，422（11）：159-160.3 杨闻亚.汽车焊装柔性化试制线的开发及应用D.天津工业大学，2017.图1 后桥齿轮主动锥齿轮