ABB基于機器人技術開發(fā)全新車身傳輸系統(tǒng)

圖1 常見的柔性車身傳輸運動模型

隨著汽車市場競爭的加劇，汽車生產企業(yè)需要提高生產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，ABB基于機器人技術開發(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)深入以及產業(yè)升級的不斷加速，中國的汽車產量已躍居全球領先地位，生產企業(yè)的數(shù)量不斷增加，國內汽車保有量持續(xù)增長，汽車市場將逐漸趨于飽和。市場競爭加劇，人們對于產品品質、種類等各方面的要求不斷提高。這些都要求汽車生產企業(yè)盡可能運用現(xiàn)有設備快速生產出多種類型的產品，同時，要求設備生產廠商能提供“柔性、適合多型號產品混合生產”的柔性生產線。此外，對一些生產場地受限制的場合，汽車企業(yè)迫切需要實現(xiàn)用盡可能少的生產場地完成產品的生產制造。

圖2 加入第3個平移軸后的運動學模型

為滿足柔性制造的需求并保證生產質量，汽車生產企業(yè)大量使用了工業(yè)機器人作為其主要生產設備，但對于產品的傳輸方面，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。對此，我們基于機器人技術開發(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)所采用的主要驅動方式：變頻調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的伺服控制及定位方式來解決這一問題。

圖3 加入旋轉軸的運動模型

1. 變頻傳動

常用的變頻器只是調節(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，變頻器通過內部的數(shù)學模型，將交流電動機的定子磁場轉化為可以控制電動機轉速和轉矩的兩個電流的分量，并對每相的輸出電流進行檢測，采樣反饋后構成閉環(huán)負反饋的電流環(huán)的PID調節(jié)。某些變頻器（如，ABB、FANUC）還提出了直接轉矩控制技術，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，能夠實現(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。

圖4 外部擴展軸

3. 電動機

伺服電動機的材料、結構和加工工藝遠遠高于變頻器驅動的交流電動機，其瞬態(tài)響應遠優(yōu)于變頻電動機。當驅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)傳動領域一直是主流的方式。

圖5 機器人島的柔性傳輸系統(tǒng)

4. 工業(yè)機器人技術

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，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的設備，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。

圖6 模塊化多工位柔性傳輸系統(tǒng)

在機器人技術中，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。對于加入了旋轉軸的小車我們采用如圖3所示的運動模型。

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。該技術使用原始的機器人控制器并增加外部軸（EXTERNAL-AXIS）來驅動機器人（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)是將機器人控制技術的優(yōu)勢進行整合，并應于傳輸系統(tǒng)——柔性傳輸導軌（FlexTrack)（見圖5、圖6和圖7）。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，從而減少了工位轉換的時間。因為很多主要的設備調試在前期就可完成，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，符合人體工程學設計。

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線的出口回送至生產線的入口以實現(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備性能（見圖10）。

圖10 裝有切換裝置適應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，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，提高了設備的利用率，并減少設備的占地空間。

2. 作為工具或設備的載體

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備，節(jié)省了費用。

結語

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)的傳輸設備相比能適應車型的隨機快速切換，在生產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時間，保證新產品早日投放市場。

與眾不同的全封閉性設計的柔性小車拖鏈內藏，美觀整潔、易于維護，從根本上解決了現(xiàn)場鐵屑、焊渣等雜物對設備造成的損壞。

在技術日新月異的今天，柔性小車技術已日趨成熟，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，我們希望該技術能幫助汽車企業(yè)在生產上獲得更好的收益。