應用于車身傳輸領(lǐng)域的機器人技術(shù)

隨著汽車市場競爭的加劇，汽車生產(chǎn)企業(yè)需要提高生產(chǎn)線的效率和柔性化程度，為此，工業(yè)機器人得到推廣使用。為了更好地適應多車型、高節(jié)拍的連續(xù)生產(chǎn)，ABB基于機器人技術(shù)開發(fā)了一種全新的車身傳輸系統(tǒng)，在焊裝車間得到推廣應用。 隨著中國改革開放的持續(xù)深入以及產(chǎn)業(yè)升級的不斷加速，中國的汽車產(chǎn)量已躍居全球領(lǐng)先地位，生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)量不斷增加，國內(nèi)汽車保有量持續(xù)增長，汽車市場將逐漸趨于飽和。市場競爭加劇，人們對于產(chǎn)品品質(zhì)、種類等各方面的要求不斷提高。這些都要求汽車生產(chǎn)企業(yè)盡可能運用現(xiàn)有設(shè)備快速生產(chǎn)出多種類型的產(chǎn)品，同時，要求設(shè)備生產(chǎn)廠商能提供“柔性、適合多型號產(chǎn)品混合生產(chǎn)”的柔性生產(chǎn)線。此外，對一些生產(chǎn)場地受限制的場合，汽車企業(yè)迫切需要實現(xiàn)用盡可能少的生產(chǎn)場地完成產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。 為滿足柔性制造的需求并保證生產(chǎn)質(zhì)量，汽車生產(chǎn)企業(yè)大量使用了工業(yè)機器人作為其主要生產(chǎn)設(shè)備，但對于產(chǎn)品的傳輸方面，多年來一直未有太大的改進，不能很好地適應多車型、高節(jié)拍的連續(xù)性生產(chǎn)。對此，我們基于機器人技術(shù)開發(fā)了一種全新的車身傳輸系統(tǒng)（柔性小車），并在汽車生產(chǎn)廠焊裝車間成功地使用。相對于傳統(tǒng)的滾床和Shuttle傳輸方式，柔性小車將其二者的優(yōu)點合二為一，克服了滾床和Shuttle傳輸線自身的一些不足。 車身傳輸系統(tǒng) 傳統(tǒng)的車身傳輸系統(tǒng)所采用的主要驅(qū)動方式：變頻調(diào)速與傳感器加機械定位銷定位的不足之處在于，瞬態(tài)響應慢、閉環(huán)控制精度一般，無法實現(xiàn)空間多個坐標系的動態(tài)擬合計算，為此，我們引入了基于機器人控制技術(shù)的伺服控制及定位方式來解決這一問題。 1. 變頻傳動 常用的變頻器只是調(diào)節(jié)交流異步電動機的速度，可采用開環(huán)或閉環(huán)控制方式，變頻器通過內(nèi)部的數(shù)學模型，將交流電動機的定子磁場轉(zhuǎn)化為可以控制電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的兩個電流的分量，并對每相的輸出電流進行檢測，采樣反饋后構(gòu)成閉環(huán)負反饋的電流環(huán)的PID調(diào)節(jié)。某些變頻器（如，ABB、FANUC）還提出了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，同時控制電動機的速度和力矩，以提高控制精度和響應特性。 2. 伺服傳動 伺服傳動基本上都采用閉環(huán)方式控制同步伺服電動機，相對于變頻方式的電流環(huán)、速度環(huán)，伺服控制還引入了位置環(huán)，伺服控制器有比變頻器更精確的控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的位置控制。但其價格相對于變頻器來說要昂貴。伺服傳動的優(yōu)勢在于：瞬態(tài)響應快，過載能力強，定位精度高。目前機器人電動機均采用此控制方式。 3. 電動機 伺服電動機的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝遠遠高于變頻器驅(qū)動的交流電動機，其瞬態(tài)響應遠優(yōu)于變頻電動機。當驅(qū)動器輸出變化很快的電流、電壓和頻率時，伺服電動機能快速做出響應，響應特性和抗過載能力遠高于變頻器驅(qū)動的交流電動機。例如，伺服電動機一般的加速時間為20 ms，能承受3倍的過載，而變頻電動機的加速時間則要長很多，普遍在幾百毫秒或以上，過載能力也僅有1～1.5倍，但因其價格低廉，在常規(guī)傳動領(lǐng)域一直是主流的方式。 4. 工業(yè)機器人技術(shù) 它是集運動學、動力控制、位置控制及智能傳感等多學科為一體的高新技術(shù)，也是我國近年來發(fā)展的重點。工業(yè)機器人采用伺服控制作為其傳動控制方式，以實現(xiàn)其優(yōu)異的性能及精度。 柔性小車是新近開發(fā)并投入使用的一種基于機器人技術(shù)的設(shè)備，它和機器人一樣具有很高的定位精度和很好的瞬態(tài)響應。作為最基本也是最常用的方式是將其作為傳輸裝置，取代原有的滾床和Shuttle傳輸線，它和滾床一樣能夠在某個工位發(fā)生故障時繼續(xù)運行后續(xù)工位，避免全線停產(chǎn)的事故。同時，它也具有Shuttle傳輸線快速高效定位準確的特點，相對于Shuttle傳輸線，柔性小車具有很高的柔性，能適應多種車型的傳輸。我們使用機器人的標準伺服控制系統(tǒng)和軟件同時控制機器人與傳輸裝置（柔性小車）的方法，實現(xiàn)了高性能與低成本的融合。 在機器人技術(shù)中，有多種多樣的運動模型供我們選用，對于常見的沒有旋轉(zhuǎn)軸的柔性車身傳輸，我們采用了如圖1所示的運動模型，該運動模型的特點是計算簡單，能滿足一般的應用。加入了第3個平移軸后的運動學模型如圖2所示。對于加入了旋轉(zhuǎn)軸的小車我們采用如圖3所示的運動模型。 圖1 常見的柔性車身傳輸運動模型 圖2 加入第3個平移軸后的運動學模型 圖3 加入旋轉(zhuǎn)軸的運動模型 標準的機器人控制系統(tǒng)所提供的成熟的運動學模型有助于快速方便地將傳輸裝置（柔性小車）的運動與機器人的運動予以同步聯(lián)動，實現(xiàn)更快、更準的運動控制。作為該技術(shù)的標準化機器人應用常見于機器人外部擴展軸（EXTERNAL-AXIS），以實現(xiàn)機器人更大范圍的運動和柔性化。該技術(shù)使用原始的機器人控制器并增加外部軸（EXTERNAL-AXIS）來驅(qū)動機器人（見圖4）。 圖4 外部擴展軸 柔性傳輸系統(tǒng) 柔性傳輸系統(tǒng)是將機器人控制技術(shù)的優(yōu)勢進行整合，并應于傳輸系統(tǒng)——柔性傳輸導軌（FlexTrack)。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在：舍棄了以往標準的機運模式，使用聯(lián)動伺服軸，電氣機械配合機器人，從而起到節(jié)省投資、節(jié)約空間以及減少人力勞動和設(shè)計成本的作用。只有很少的電氣機械部件和傳輸單元需要安裝，從而減少了工位轉(zhuǎn)換的時間。因為很多主要的設(shè)備調(diào)試在前期就可完成，這一效果在后續(xù)的工位建立上將得到更大的體現(xiàn)。同時，可以建立一個混合的系統(tǒng)去迎合各種要求，從而解決了柔性的瓶頸。與傳統(tǒng)自動化傳輸系統(tǒng)不同，這種柔性度的體現(xiàn)是不需要額外投資支持的。另外，充分考慮了操作者上下料的因素，符合人體工程學設(shè)計。 柔性傳輸系統(tǒng)與常用的傳輸系統(tǒng)對比 通過如表所示的柔性傳輸系統(tǒng)與常用傳輸系統(tǒng)的對比可以看出，柔性小車在定位精度、適應車型、編程和柔性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方式。 1. 滾床 一般來說，一種滾床只能適用于一種車身底板，滾床的運動靠裝在工裝平臺上的輪子摩擦前行，輪子一般由變頻器控制，定位和加減速依靠傳感器，定位精度較差，同時由于每個滾床制造時會產(chǎn)生誤差，因此多個滾床的機械尺寸無法做到完全一致。此外，滾床需要一條專用的運輸線將空滾床從生產(chǎn)線的出口回送至生產(chǎn)線的入口以實現(xiàn)循環(huán)使用。 2. Shuttle線 Shuttle線作為汽車生產(chǎn)廠最常用的一種車身傳輸方式，具有傳輸快、定位準的優(yōu)點，但同時又有無法同時兼容多車型、柔性差的缺點（見圖）。 Shuttle線 3. 柔性小車 隨著伺服控制系統(tǒng)價格的逐步降低，以伺服控制為基礎(chǔ)的柔性小車作為新一代柔性傳輸裝置的優(yōu)勢逐步得到體現(xiàn)。 在柔性小車上可以安裝現(xiàn)場總線模塊以及機械切換裝置適應于不同的車身底板，小車的移動位置可編程，得益于高精度的伺服控制系統(tǒng)，柔性小車無需加減速及其他傳感器即能實現(xiàn)快速準確的定位，可以滿足不同場合的需求。此外，柔性小車可利用現(xiàn)有機器人的標準控制系統(tǒng)與機器人現(xiàn)有成熟的控制指令，不必單獨組建控制系統(tǒng)。由于機器人與柔性小車使用了同一控制系統(tǒng)，因此能輕易實現(xiàn)柔性小車與機器人運動的同步，在降低成本與占地面積的同時也大幅提升了設(shè)備性能。 柔性傳輸系統(tǒng)的其他用途 1. 作為柔性工裝使用 對于生產(chǎn)場地面積受限制的用戶，柔性小車作為機器人的外軸與機器人實現(xiàn)同步運動，能夠與機器人控制器融合為一體，實現(xiàn)坐標系移動。由于機器人的運動和柔性小車的運動統(tǒng)一由機器人控制器進行運算，因此相對于傳統(tǒng)方式，大大加快了生產(chǎn)節(jié)拍，也改善了機器人工具（如焊鉗）的可達性。由于柔性小車可以接入現(xiàn)場總線、壓縮空氣、傳感器和其他執(zhí)行機構(gòu)，因此，能利用很少的工位實現(xiàn)原先需要多個工位才能完成的工作，減少了投資，提高了設(shè)備的利用率，并減少設(shè)備的占地空間。 2. 作為工具或設(shè)備的載體 柔性小車能快速準確地移動到多個位置，這一功能使多臺機器人或多個工位共用一個工具或設(shè)備成為可能，機器人可以通過工具更換裝置有選擇地抓取或存放工具，柔性小車快速精確地運動使工具能在幾臺機器人間快速傳送，避免了重復購買類似的工具或設(shè)備，節(jié)省了費用。 結(jié)語 綜上所述，柔性小車具有定位精確、快速及位置可編程等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的傳輸設(shè)備相比能適應車型的隨機快速切換，在生產(chǎn)線改造或增加車型時，其“柔性”優(yōu)點更加突出，明顯縮短了改造停產(chǎn)時間，保證新產(chǎn)品早日投放市場。 與眾不同的全封閉性設(shè)計的柔性小車拖鏈內(nèi)藏，美觀整潔、易于維護，從根本上解決了現(xiàn)場鐵屑、焊渣等雜物對設(shè)備造成的損壞。 在技術(shù)日新月異的今天，柔性小車技術(shù)已日趨成熟，在多個汽車企業(yè)（如福特、東風、中國重汽、北汽和南汽等）得到了成功的應用，我們希望該技術(shù)能幫助汽車企業(yè)在生產(chǎn)上獲得更好的收益。