ABB基于機(jī)器人技術(shù)開發(fā)全新車身傳輸系統(tǒng)

圖1 常見的柔性車身傳輸運(yùn)動模型

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(jī)器人得到推廣使用。為了更好地適應(yīng)多車型、高節(jié)拍的連續(xù)生產(chǎn)，ABB基于機(jī)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(yīng)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(yùn)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(shí)現(xiàn)用盡可能少的生產(chǎn)場地完成產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。

圖2 加入第3個平移軸后的運(yùn)動學(xué)模型

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(jī)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(jìn)，不能很好地適應(yīng)多車型、高節(jié)拍的連續(xù)性生產(chǎn)。對此，我們基于機(jī)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(diǎn)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(jī)械定位銷定位的不足之處在于，瞬態(tài)響應(yīng)慢、閉環(huán)控制精度一般，無法實(shí)現(xiàn)空間多個坐標(biāo)系的動態(tài)擬合計(jì)算，為此，我們引入了基于機(jī)器人控制技術(shù)的伺服控制及定位方式來解決這一問題。

圖3 加入旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動模型

1. 變頻傳動

常用的變頻器只是調(diào)節(jié)交流異步電動機(jī)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(xué)模型，將交流電動機(jī)的定子磁場轉(zhuǎn)化為可以控制電動機(jī)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(jìn)行檢測，采樣反饋后構(gòu)成閉環(huán)負(fù)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(jī)的速度和力矩，以提高控制精度和響應(yīng)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(jī)，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(yīng)快，過載能力強(qiáng)，定位精度高。目前機(jī)器人電動機(jī)均采用此控制方式。

圖4 外部擴(kuò)展軸

3. 電動機(jī)

伺服電動機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動的交流電動機(jī)，其瞬態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)優(yōu)于變頻電動機(jī)。當(dāng)驅(qū)動器輸出變化很快的電流、電壓和頻率時，伺服電動機(jī)能快速做出響應(yīng)，響應(yīng)特性和抗過載能力遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動的交流電動機(jī)。例如，伺服電動機(jī)一般的加速時間為20 ms，能承受3倍的過載，而變頻電動機(jī)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。

圖5 機(jī)器人島的柔性傳輸系統(tǒng)

4. 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

它是集運(yùn)動學(xué)、動力控制、位置控制及智能傳感等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)，也是我國近年來發(fā)展的重點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人采用伺服控制作為其傳動控制方式，以實(shí)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(jī)器人技術(shù)的設(shè)備，它和機(jī)器人一樣具有很高的定位精度和很好的瞬態(tài)響應(yīng)。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(yùn)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(zhǔn)確的特點(diǎn)，相對于Shuttle傳輸線，柔性小車具有很高的柔性，能適應(yīng)多種車型的傳輸。我們使用機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)伺服控制系統(tǒng)和軟件同時控制機(jī)器人與傳輸裝置（柔性小車）的方法，實(shí)現(xiàn)了高性能與低成本的融合。

圖6 模塊化多工位柔性傳輸系統(tǒng)

在機(jī)器人技術(shù)中，有多種多樣的運(yùn)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(yùn)動模型，該運(yùn)動模型的特點(diǎn)是計(jì)算簡單，能滿足一般的應(yīng)用。加入了第3個平移軸后的運(yùn)動學(xué)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(yùn)動模型。

標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人控制系統(tǒng)所提供的成熟的運(yùn)動學(xué)模型有助于快速方便地將傳輸裝置（柔性小車）的運(yùn)動與機(jī)器人的運(yùn)動予以同步聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)的運(yùn)動控制。作為該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人應(yīng)用常見于機(jī)器人外部擴(kuò)展軸（EXTERNAL-AXIS），以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人更大范圍的運(yùn)動和柔性化。該技術(shù)使用原始的機(jī)器人控制器并增加外部軸（EXTERNAL-AXIS）來驅(qū)動機(jī)器人（見圖4）。

圖7 單方向柔性傳輸系統(tǒng)

柔性傳輸系統(tǒng)

柔性傳輸系統(tǒng)是將機(jī)器人控制技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行整合，并應(yīng)于傳輸系統(tǒng)——柔性傳輸導(dǎo)軌（FlexTrack)（見圖5、圖6和圖7）。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：舍棄了以往標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)運(yùn)模式，使用聯(lián)動伺服軸，電氣機(jī)械配合機(jī)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(jì)成本的作用。只有很少的電氣機(jī)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?yàn)楹芏嘀饕脑O(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(xué)設(shè)計(jì)。

圖8 滾床全貌

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(yīng)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(yùn)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(jī)械尺寸無法做到完全一致。此外，滾床需要一條專用的運(yùn)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(shí)現(xiàn)循環(huán)使用（見圖8）。

圖9 Shuttle線

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(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，但同時又有無法同時兼容多車型、柔性差的缺點(diǎn)（見圖9）。

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(jī)械切換裝置適應(yīng)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(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)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(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)與機(jī)器人現(xiàn)有成熟的控制指令，不必單獨(dú)組建控制系統(tǒng)。由于機(jī)器人與柔性小車使用了同一控制系統(tǒng)，因此能輕易實(shí)現(xiàn)柔性小車與機(jī)器人運(yùn)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（見圖10）。

圖10 裝有切換裝置適應(yīng)多車型共用的柔性小車

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(jī)器人的外軸與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動，能夠與機(jī)器人控制器融合為一體，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系移動。由于機(jī)器人的運(yùn)動和柔性小車的運(yùn)動統(tǒng)一由機(jī)器人控制器進(jìn)行運(yùn)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(jī)器人工具（如焊鉗）的可達(dá)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(jī)構(gòu)，因此，能利用很少的工位實(shí)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(zhǔn)確地移動到多個位置，這一功能使多臺機(jī)器人或多個工位共用一個工具或設(shè)備成為可能，機(jī)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(yùn)動使工具能在幾臺機(jī)器人間快速傳送，避免了重復(fù)購買類似的工具或設(shè)備，節(jié)省了費(fèi)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(diǎn)，與傳統(tǒng)的傳輸設(shè)備相比能適應(yīng)車型的隨機(jī)快速切換，在生產(chǎn)線改造或增加車型時，其“柔性”優(yōu)點(diǎn)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(jì)的柔性小車拖鏈內(nèi)藏，美觀整潔、易于維護(hù)，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(fēng)、中國重汽、北汽和南汽等）得到了成功的應(yīng)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。