高柔性高節拍下行李箱蓋自動裝配方案設計

張 博，劉立東，任素云，黃 冠，程玉良

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 528237）

0 引言

白車身是現代汽車制造和生產的重要組成部分，主要由前圍分總成、后圍分總成、左右側圍分總成、地板分總成及頂蓋分總成等部分焊合而成。白車身生產流程包括由若干個沖壓單件焊接成分總成，由多個分總成焊接成車身骨架總成，至白車身。為保證組裝件和零件的互換性好及車身的外觀美觀，需要保證沖壓件及分總成的尺寸。白車身結構復雜、剛性差、易變形，其裝配匹配狀態直接關系著整車的外觀和質量[1]。

汽車車身在加工和工藝裝配過程中，由于各種主客觀因素都會存在各種各樣的誤差，因此在白車身生產過程的最后一道裝配和調整工藝就顯得尤為重要，通?？赏ㄟ^四門兩蓋的調整工藝來使白車身的最終誤差在可接受范圍內。目前各大整車制造廠中，對于白車身的裝配和調整工藝主要由人工使用各種檢輔具來完成[2]。由于人工裝配過程不可避免地會帶來一些不穩定因素，在高節拍生產中通常需要多組人員進行檢查和調整來保證白車身的匹配要求。這就造成了較多的人員投入、較低的生產效率，以及不穩定的質量狀態[3-6]。

白車身生產領域的自動裝配主要是指四門兩蓋總成在白車身骨架上的裝配工藝。其基本工作原理：針對待裝配的總成，使用機器人進行抓取至裝配位置，利用視覺系統對裝配位置各匹配點尺寸狀態進行測量分析，根據測量結果計算各向調整量并傳遞給機器人，機器人根據調整量調整裝配位置后，自動擰緊機器人進行擰緊完成整個裝配過程[7-10]。該裝配過程包含匹配調整過程，因此完成裝配后無需人工進行調整，保證高精度高穩定性質量的同時也提高了生產效率。但由于整個方案涉及機器人、視覺系統、擰緊系統等，成本較高，且對于多車型共線生產線，實現自動裝配的方案復雜程度和資金投入往往成倍增加，因此并未得到普遍應用[11-15]。

本文利用AGV、視覺引導及自適應裝配系統來探究高節拍高柔性下白車身行李箱蓋的自動裝配方案，旨在利用較低成本方案實現行李箱蓋的全自動裝配，且保證裝配后不需人工再進行調整。在柔性化多車型共線的生產車間，采用該方案可大幅減少人員投入并提高生產效率。

1 方案原理

1.1 工藝流程設計思考

AGV 小車運送行李箱蓋總成到達工位后，由機器人進行抓取，隨后交由裝配機器人進行裝配，通過視覺系統計算最佳匹配位置，在調整后蓋位置后，完成整個自動裝配過程。自動裝配工藝流程如圖1所示。

圖1 自動裝配工藝流程

整個工藝過程中，AGV 直接輸送物料至上料口位置，然后由機器人進行抓取，無需人工介入。為實現多車型柔性，需在線旁設立多個上料口，上料口尺寸需根據行李箱蓋總成器具尺寸和AGV 運行精度進行設定。在三車型高生產節拍下，為保證空滿料架切換時不損失生產節拍，按傳統方式需設定至少6 個上料口。按此方式設計，會帶來另一個問題，如圖2 所示的過多上料口帶來的抓件節拍問題。抓件機器人抓取距離最遠料框時，抓件節拍會遠遠大于生產節拍（抓取C 車型時會因為R01機器人行走距離過長而超節拍），帶來同時超過生產節拍的困境，因此在設置上料口方式上需尋求一種突破。

圖2 過多上料口帶來抓件節拍問題

AGV 自動上件帶的第二個問題就是多車型下如何保證精確抓取。傳統方式會采用精定位器具和視覺引導方式配合進行，但這樣會帶來大量高價值精定位器具的成本投入，以及后續精定位器具維護工作繁復成本高等問題，因此需對此進行優化。

在整個裝配過程最為關鍵的是自動調整過程，本文將探究如何保證裝配質量的一致性和高穩定性。兩廂車行李箱蓋的鉸鏈一般會隨著總成裝配好，在裝配調整過程中如果鉸鏈相對于行李箱蓋位置固定，則會限制部分自由度，因此還需考慮在調整過程中進行松釘調整。

1.2 方案實現原理

一般A 級車三廂車行李箱后蓋尺寸約為1 500 mm，普通AGV 運行精度約為30 mm，再考慮器具框架尺寸以及上料口內部必要的氣缸粗定位或導向軌道的安裝，上料口尺寸需設置在2 000 mm 左右。整車裝配工位一般為6 000 mm，因此至少需要占用2 個標準工位進行相應工藝設備布置?？紤]安全門、機器人柜、PLC 屏等附屬設備，最大可布置4 個上件口。這樣就給上料口料框切換問題帶來2種解決思路。

一種是將所有上料口設置成通用，即滿足所有車型料框進入并識別相應車型（通過AGV 信息交互進行識別）后進行定位夾緊，同時機器人進入相應車型抓件程序進行抓件。在空滿交換時，通過識別料框中剩余零件個數，以及后續車身流排序比對，提前將零件儲備區AGV 進行發車和進入第4 個備用料框，從而完成在不損失節拍前提下的空滿料箱切換。這種方案要求各車型行李箱蓋尺寸不能差異太大，具備通用上件口的可能性。

第二種思路是在上料口的上層設置二層中轉儲備區，可利用白車身在工位內運行和定位夾緊的時間，完成儲備區零件的補充。隨后可以在空滿交換時使用儲備區零件保證正常生產即可。這種方案較為簡單，但同時也要求AGV 補貨時間不能太長（即零件儲備區不能離裝配工位距離太遠），否則儲備區零件被消耗完畢后就會造成生產停臺。

這兩種思路都能有效解決高柔性前提下的上件節拍問題，可根據生產實際情況進行選擇。通用上料口解決方案如圖3所示。

圖3 通用上料口解決方案

對于非精定位器具抓件問題，在上料口安裝導向軌或定位氣缸，在AGV 帶料架進入上料口后，定位氣缸對料架進行粗定位。固定料架后，機器人帶視覺引導相機進行尋件并抓件；通過粗定位抓件后將零件放至中轉臺進行精定位，最終裝配機器人在中轉臺上實現對行李箱蓋的精準抓取。通過這種中轉臺重新定位的方式，解決了非精定位器具抓件問題，提高了對零件定位的容忍度。同時還可以在中轉臺設置機械結構對鉸鏈角度進行校準，確保安裝時能準確進入安裝孔。三車型柔性行李箱自動裝配參考方案如圖4所示。

圖4 三車型柔性行李箱自動裝配參考方案

在自動調整過程中，對于行李箱蓋和車身骨架的匹配，通常僅關注幾個關鍵匹配點，確保后尾燈安裝后整體間隙均勻一致且對稱即可。對于關鍵匹配點，通常會制定監控標準對其進行控制。自動調整匹配過程同樣有兩種解決思路。第一種是通過視覺系統掃描測量實際匹配狀態后，在后臺進行數字化虛擬模擬裝配計算，獲取最佳匹配位置后，輸出機器人調整量并完成裝配。將后蓋上關鍵匹配點數據選取出來，寫為矩陣M1，設置邊界條件（即合格范圍）[M上,M下]。根據實際車身骨架和行李箱蓋關鍵尺寸點尺寸，計算出一個Mx，使Mx∈[M上,M下]；因而得出機器人偏移量：A0=MX-M1。

通過賦予不同的邊界條件[M上,M下]可以得到不同匹配要求的車身。這種思路受目前建模和算法局限，尚未有成熟的模型，因此距離實際應用尚有距離。

第二種是尋找一臺相對標準的車身骨架和行李箱蓋，通過手動機器人示教至標準裝配位置，視覺系統掃描測量后，標記為原點或參考點，此時通過3-2-1 剛性體定位原則確定車身骨架位置坐標為O1，行李箱蓋位置為O2；在批量裝配過程中，視覺系統計算實際車身骨架位置為O′1，行李箱蓋位置為O′2；通過計算可得以下3 個偏移量（通常是以機器人坐標系下的3×2矩陣）：

則可計算獲得機器人偏移量:

其中A0在標定標準位置下為0，后續也可以根據不同的匹配要求進行手動賦值，從而實現根據實際生產需求裝配出不同匹配要求的車身。

2 硬件組成

根據前面的方案原理分析，結合現場實際情況，制定符合現場當前工藝布局條件下的行李箱蓋自動裝配方案，整體工藝布局如圖5 所示。整個自動裝配可依據功能劃分為自動供料系統、車身傳輸和定位系統、工藝裝配系統、最佳匹配系統和自動擰緊系統。

圖5 三車型柔性行李箱自動裝配硬件構成

其中，自動供料系統包括AGV 小車、行李箱蓋總成料架、七軸工業機器人、抓件抓手及視覺引導系統、二層儲備架等硬件，通過Profinet通信協議，由PLC 進行控制，實現料架自動輸送到上件位置，工業機器人自動抓件保證行李箱蓋的自動上料。車身輸送和定位系統通過可升級滾床，實現車身的傳輸和定位，高位時進行車身傳輸，到達工位后，滾床降低到低位，通過定位系統對車身進行定位。工藝裝配系統、最佳匹配系統、自動擰緊系統協同完成行李箱蓋到車身的裝配過程，共由3 個工業臺機器人、3 套抓件抓手、6 套視覺攝像頭、6 套自動擰緊軸構成，當行李箱蓋和車身準備就緒，裝配抓手抓取行李箱蓋，扣合到車身上完成預裝配；隨后最佳匹配系統介入，進行預裝配狀態下匹配狀態測量分析，并計算出機器人偏移量，擰緊機器人對鉸鏈螺釘進行擰松，在裝配機器人完成調整后再進行復緊，完成整個裝配過程并進行最終匹配結果的測量和記錄。

3 控制系統

整個自動裝配過程由現場PLC 進行控制，由工位主PLC與RFID車型識別掃描器、AGV服務器、各工業機器人、視覺系統服務器及擰緊系統服務器構成。整體架構布置如圖6所示。

圖6 控制系統構成

現場采用KUKA 工業機器人，可作為獨立控制單元對視覺系統、自動擰緊系統進行交互控制，保證整個裝配過程的通暢。同時，為了保證自動供件的節拍，在抓件設計時提供提前2個工位的車型隊列，確保提前供件。

在安全控制上，遵循大眾VASS05 標準，通過光柵、區掃、安全門鎖等終端設備構建安全回路，保證出現故障時設備和操作人員的安全。

4 測試驗證與結果分析

經過現場設備安裝和調試，最終投入運行，整個自動裝配工位開動率能穩定達到95%以上，裝配一致性通過單臺車重復安裝25 次，選取匹配重點關注點，每個點（見圖7）平度（F）和間隙（G）兩個數據共8組，計算一致性結果如表1所示。由表可知，A 車型自動裝配具備高度一致性，裝配質量穩定可靠。

表1 A車型自動裝配重復精度

圖7 重點匹配點選擇

選取某一天自動裝配后的最終測量數據進行分析處理，結果如表2 所示。由表可知，整體裝配精度能達到0.5 mm，合格率達到95%以上。

表2 各車型自動裝配精度和合格率

5 結束語

本文通過研究兩廂車行李箱蓋自動裝配工藝的實現，探討在高柔性高節拍前提下，一種行李箱蓋自動裝配工藝的方案設計思路，重點探究了如何在多車型柔性下保證切換節拍，并提出了可行的兩種方案和優劣勢；同時對最佳匹配實現過程進行了深入分析，提出了理論上可行的兩種解決思路，為自動裝配工藝的廣泛應用提供參考。同時，在工廠進行了實際應用，驗證了通過AGV 實現行李箱蓋的自動配送、雙層料庫系統、視覺引導抓件、最佳匹配自動裝配系統、柔性自動擰緊系統的自動裝配系統能穩定滿足生產現場三車型高柔性和60JPH的高節拍生產，且裝配精度穩定達到0.5 mm，裝配合格率達到95%。