文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）05-078-04中圖分類(lèi)號(hào)：TD948.9

★張升健，苑西成，朱孔翔（濟(jì)南希潤(rùn)自動(dòng)化科技有限公司，山東濟(jì)南250000）

關(guān)鍵詞：堵件；安裝系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

車(chē)身的密封性能涉及車(chē)身防腐，是整車(chē)質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，良好的車(chē)身密封性不僅需要合理的車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還需要生產(chǎn)線(xiàn)上良好的工藝保障能力。整車(chē)制造工藝一般分為沖壓、焊裝、涂裝和總裝四個(gè)步驟，封堵件安排在涂裝和總裝車(chē)間之間。在整車(chē)涂裝車(chē)間，需要對(duì)車(chē)身上的孔位進(jìn)行封堵（安裝堵件），在總裝車(chē)間，還需要對(duì)安裝完畢的堵件進(jìn)行人工查漏，避免漏裝與安裝不到位。

1　現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

目前的隨車(chē)堵件都是人工進(jìn)行安裝，工作強(qiáng)度大，人工成本高，而且在人員靠近過(guò)程中存在一定的危險(xiǎn)性，堵件安裝完畢后還需要進(jìn)行人工查漏，導(dǎo)致整個(gè)工作效率降低。

為解決以上問(wèn)題，亟需研究一種整車(chē)隨車(chē)堵件安裝系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)隨車(chē)堵件的吸取、安裝、檢測(cè)。本文提出的系統(tǒng)可以大大提高安裝速度、節(jié)省安裝時(shí)間、解放勞動(dòng)力、降低工成本；同時(shí)，該安裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了安裝過(guò)程的自動(dòng)安裝與檢測(cè)、安裝質(zhì)量與精度在線(xiàn)檢測(cè)，并且檢測(cè)過(guò)程不需要人員干涉，避免了人員靠近整車(chē)的危險(xiǎn)性，不僅可以增加整車(chē)生產(chǎn)制造的智能化與自動(dòng)化，而且通過(guò)自動(dòng)安裝與檢測(cè)，能夠有效降低漏裝與安裝不到位的幾率，提高了工作效率和安裝準(zhǔn)確性。

2　技術(shù)方案及功能設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)組成

該安裝系統(tǒng)由機(jī)器人第七軌、工業(yè)機(jī)器人、3D相機(jī)、RGV小車(chē)、環(huán)形軌道、安裝工裝、PLC控制系統(tǒng)、工控機(jī)A和工控機(jī)B等組成。該系統(tǒng)的總體布置如圖1所示。

1-機(jī)器人第七軌、2-工業(yè)機(jī)器人、3-3D相機(jī)、4-RGV小車(chē)、5-環(huán)形軌道、6-安裝工裝、7-PLC控制系統(tǒng)、8-工控機(jī)A、9-工控機(jī)B

圖1 整車(chē)堵件安裝系統(tǒng)總體布置圖

工作原理：首先將車(chē)型信息輸入到PLC控制系統(tǒng)中，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人的信息進(jìn)行交互，設(shè)定工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作安裝步驟，并將車(chē)型信息傳到工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中。利用車(chē)間吊具將整車(chē)輸送至兩側(cè)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)范圍后，通過(guò)3D相機(jī)進(jìn)行拍照定位整車(chē)位置信息并上傳至工控機(jī)A中，與預(yù)先設(shè)定好的整車(chē)安裝位置進(jìn)行對(duì)比，得到整車(chē)實(shí)際位置與預(yù)先設(shè)定好的整車(chē)安裝位置的車(chē)輛空間偏移值，并將信息發(fā)送給機(jī)器人控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)，并調(diào)節(jié)工業(yè)機(jī)器人與RGV小車(chē)之間的空間位置偏移，以滿(mǎn)足堵件的安裝需求。調(diào)節(jié)完畢后，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始通過(guò)工業(yè)機(jī)器人末端的安裝工裝抓取RGV小車(chē)托盤(pán)中的特定堵件，并利用傳感器檢測(cè)與車(chē)門(mén)之間的距離，依次對(duì)整車(chē)所有位置的堵件進(jìn)行安裝。所有堵件安裝完畢后，工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)置于工業(yè)機(jī)器人末端的安裝工裝上的2D相機(jī)對(duì)每個(gè)整車(chē)孔位進(jìn)行拍照，拍照后的照片上傳至工控機(jī)B，與工控機(jī)B內(nèi)預(yù)選存放有整車(chē)安裝堵件后的照片進(jìn)行對(duì)比，從而判斷堵件是否全部安裝完畢。如果沒(méi)有，則工控機(jī)B發(fā)出錯(cuò)誤提醒，并對(duì)漏裝的位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)，工作人員根據(jù)提醒進(jìn)行二次補(bǔ)救安裝，并再次對(duì)整車(chē)孔位進(jìn)行拍照，并與工控機(jī)B內(nèi)預(yù)選存放有整車(chē)安裝堵件后的照片進(jìn)行對(duì)比判斷，如對(duì)比數(shù)據(jù)完全符合，控制程序提示全部安裝完畢，則吊具將整車(chē)運(yùn)走。RGV小車(chē)將空托盤(pán)運(yùn)行至人工擺盤(pán)位置，進(jìn)行人工擺盤(pán)。與此同時(shí)，下一輛整車(chē)再次利用吊具輸送至兩側(cè)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)范圍后，進(jìn)行堵件安裝，依次往復(fù)循環(huán)作業(yè)。

2.2　功能設(shè)計(jì)

2.2.1　節(jié)拍及空間布局

基于整車(chē)的作業(yè)節(jié)拍要求，對(duì)整個(gè)安裝系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量及安裝形式進(jìn)行布置，選擇雙側(cè)機(jī)器人布局，整車(chē)安裝堵件位置居中布置，考慮工業(yè)機(jī)器人作業(yè)范圍限制，利用機(jī)器人第七軌進(jìn)行作業(yè)范圍的擴(kuò)展。工業(yè)機(jī)器人選擇ABB機(jī)器人，公司的型號(hào)為IRB2600-20/1.65六軸機(jī)器人，可為堵件的安裝提供更高的可靠性。

2.2.2　車(chē)聲定位系統(tǒng)

由于吊具輸送誤差的原因，車(chē)體不可能每次都能停止于完全一樣的空間位置上。為了準(zhǔn)確地將堵件安裝在車(chē)身指定位置，安裝前需要對(duì)整車(chē)的空間位置進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。

該安裝系統(tǒng)采用德國(guó)VMT視覺(jué)檢測(cè)定位系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)身自動(dòng)無(wú)接觸的三維方位的精確定位，通過(guò)計(jì)算確定其當(dāng)前方位偏差，即6個(gè)自由度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（X、Y、Z、RX、RY、RZ），并將該方位矯正矢量傳送給工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，以確保工業(yè)機(jī)器人能夠準(zhǔn)確去安裝堵件。

視覺(jué)系統(tǒng)配置示意圖如圖2所示，此過(guò)程中視覺(jué)系統(tǒng)需要解決的任務(wù)如下：

（1）整車(chē)停止位置的三維方位確定，用于車(chē)身定位識(shí)別；

（2）通過(guò)識(shí)別車(chē)體上的一些固有的特征標(biāo)記來(lái)確定其當(dāng)前方位偏差，并將該方位矯正矢量上傳，用于機(jī)器人進(jìn)行精確位置偏移。

圖2 整車(chē)堵件安裝系統(tǒng)3D視覺(jué)系統(tǒng)配置示意圖

2.2.3　通訊方式的確認(rèn)

Framegrabbe：該系統(tǒng)項(xiàng)目采用的是數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，此處為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通訊；

Ethernet：測(cè)距儀和工控機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接；

Profinet：機(jī)器人主站，視覺(jué)系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)從站。

2.2.4　安裝工裝研究

安裝工裝的形式和功能決定了堵件安裝的速度和可靠性，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。設(shè)計(jì)一種滿(mǎn)足功能的安裝工裝極其重要，既要具備旋轉(zhuǎn)功能和吸附功能，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)堵件安裝位置進(jìn)行檢查的功能。

基于以上的功能要求，該安裝工裝設(shè)計(jì)了2D相機(jī)、光源、測(cè)距傳感器、吸盤(pán)、活動(dòng)氣座、轉(zhuǎn)軸、固定桿等部件，按功能分為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)和2D相機(jī)裝置。其中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)板（共用）、軸座、轉(zhuǎn)軸、軸座、隔套、連通塊、電磁閥、機(jī)器人連接法蘭、固定桿、保護(hù)罩、轉(zhuǎn)接法蘭等組成，通過(guò)機(jī)器人連接法蘭與工業(yè)機(jī)器人末端連接；吸附機(jī)構(gòu)由吸盤(pán)、抽氣嘴、活動(dòng)氣座、測(cè)距傳感器、連接件、旋轉(zhuǎn)板（共用）等組成，通過(guò)調(diào)整活動(dòng)氣座的個(gè)數(shù)，增加吸盤(pán)和測(cè)距傳感器的數(shù)量，達(dá)到一次吸附多個(gè)堵件的功能；2D視覺(jué)裝置采用康耐視公司的型號(hào)為IS8200M-636的視覺(jué)2D相機(jī)（或者相同功能的其它2D相機(jī)），由托板、相機(jī)護(hù)罩、環(huán)形光源、托塊、滑槽、支撐板、連接板組成，通過(guò)托板與旋轉(zhuǎn)板連接，通過(guò)2D視覺(jué)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)堵件安裝位置的檢查。該安裝工裝的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-2D相機(jī)、2-光源、3-測(cè)距傳感器、4-吸盤(pán)、5-活動(dòng)氣座、6-轉(zhuǎn)軸、7-固定桿

圖3 整車(chē)堵件安裝系統(tǒng)的安裝工裝結(jié)構(gòu)圖

2.3　關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.3.1　轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)板

為了保證結(jié)構(gòu)上的緊湊性和實(shí)用性，在旋轉(zhuǎn)板上設(shè)有與吸盤(pán)連通的第一進(jìn)氣通道，同時(shí)在轉(zhuǎn)軸內(nèi)設(shè)有與第一進(jìn)氣通道連通的過(guò)氣孔；為了保證結(jié)構(gòu)的密封性，在轉(zhuǎn)軸的外部套有隔套，隔套的兩側(cè)設(shè)有格萊圈，隔套的材質(zhì)為乙縮醛共聚物；為了確保氣體連通，在隔套的內(nèi)壁與外壁上均設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)有與過(guò)氣孔連通的輸氣孔，輸氣地均勻設(shè)置多個(gè)，軸套的內(nèi)壁上設(shè)有與輸氣孔連通的進(jìn)氣孔，軸套的外側(cè)壁上設(shè)有與進(jìn)氣孔連通的出氣孔，出氣孔與抽氣嘴連通，孔與孔的連接處通過(guò)密封圈來(lái)提高氣密性。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，省去了外部氣管，在工裝內(nèi)鉆孔形成氣體通道，一方面，讓工裝整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，便于使用與檢修；另一方面，使用更加可靠，解決了氣管老化、易漏氣的問(wèn)題，提高了使用壽命。轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

1-過(guò)氣孔、2-本體

圖4 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2　軸座與連通塊

為了提高整車(chē)堵件安裝工裝使用的便利性，如圖5所示，在軸座的側(cè)壁上增設(shè)了連通塊和電磁閥，連通塊內(nèi)設(shè)導(dǎo)氣孔，導(dǎo)氣孔與出氣孔連通，電磁閥分別與導(dǎo)氣孔、抽氣嘴連通。將電磁閥集成在工裝上，能夠增加檢修時(shí)的便利性，節(jié)省作業(yè)時(shí)間。同時(shí)，為了提高線(xiàn)路的條理性，在軸座的側(cè)壁上設(shè)計(jì)走線(xiàn)槽，電磁閥的線(xiàn)路布設(shè)在走線(xiàn)槽內(nèi)，并設(shè)計(jì)了固定線(xiàn)路的束線(xiàn)孔，有效解決了線(xiàn)路纏繞的困擾。

1-本體、2-出氣孔、3-走線(xiàn)槽

圖5 軸座結(jié)構(gòu)示意圖

3　整車(chē)堵件安裝系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)

整車(chē)堵件安裝系統(tǒng)的控制流程圖如圖6所示。

圖6 整車(chē)堵件安裝系統(tǒng)的控制流程圖

4　整車(chē)堵件安裝系統(tǒng)在企業(yè)中的應(yīng)用效果

該安裝系統(tǒng)已經(jīng)在某汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行，并通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)驗(yàn)證，充分證明了該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隨車(chē)堵件的吸取、安裝、檢測(cè)，大大提高了安裝速度，減少了人員投入，節(jié)省了時(shí)間和勞動(dòng)力，減少了能源的浪費(fèi)，提升了生產(chǎn)效率及自動(dòng)化率，滿(mǎn)足了現(xiàn)在企業(yè)對(duì)于節(jié)能減排的需求。由于安裝過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化安裝與檢測(cè)，大大提高了安裝質(zhì)量與精度，檢測(cè)過(guò)程不需要人員干預(yù)，避免了人員靠近整車(chē)的危險(xiǎn)性，增加了整車(chē)制造生產(chǎn)線(xiàn)的智能化與自動(dòng)化，具有自動(dòng)化程度高、重復(fù)精度高、故障率低、工藝穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了整車(chē)堵件安裝系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成和功能設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)其中比較關(guān)鍵的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探討。

該安裝系統(tǒng)涉及現(xiàn)代化裝備制造、機(jī)電一體化、信息技術(shù)、視覺(jué)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等學(xué)科方向，通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，可以提高行業(yè)的裝備水平，有效節(jié)能降噪，可以提高產(chǎn)業(yè)工人的工作舒適度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線(xiàn)安全、高效、自動(dòng)化生產(chǎn)，可以為產(chǎn)品匹配一條最佳的技術(shù)途徑，對(duì)提升行業(yè)的自動(dòng)化程度有著重要作用，具有非常實(shí)用的推廣價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

張升健（1981-），男，湖北武漢人，學(xué)士，現(xiàn)就職于濟(jì)南希潤(rùn)自動(dòng)化科技有限公司，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電氣一體化和工程管理。

苑西成（1985-），男，山東濟(jì)南人，專(zhuān)科，現(xiàn)就職于濟(jì)南希潤(rùn)自動(dòng)化科技有限公司，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電氣一體化和工程管理。

朱孔翔（1986-），男，山東臨沂人，專(zhuān)科，現(xiàn)就職于濟(jì)南希潤(rùn)自動(dòng)化科技有限公司，主要研究方向?yàn)殡姎庖惑w化和工程管理。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊