ABB基于機(jī)器人技術(shù)開(kāi)發(fā)全新車(chē)身傳輸系統(tǒng)

圖1 常見(jiàn)的柔性車(chē)身傳輸運(yùn)動(dòng)模型

隨著汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)需要提高生產(chǎn)線(xiàn)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(chē)型、高節(jié)拍的連續(xù)生產(chǎn)，ABB基于機(jī)器人技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種全新的車(chē)身傳輸系統(tǒng)，在焊裝車(chē)間得到推廣應(yīng)用。

隨著中國(guó)改革開(kāi)放的持續(xù)深入以及產(chǎn)業(yè)升級(jí)的不斷加速，中國(guó)的汽車(chē)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(guó)內(nèi)汽車(chē)保有量持續(xù)增長(zhǎng)，汽車(chē)市場(chǎng)將逐漸趨于飽和。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，人們對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)、種類(lèi)等各方面的要求不斷提高。這些都要求汽車(chē)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(lèi)型的產(chǎn)品，同時(shí)，要求設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)商能提供“柔性、適合多型號(hào)產(chǎn)品混合生產(chǎn)”的柔性生產(chǎn)線(xiàn)。此外，對(duì)一些生產(chǎn)場(chǎng)地受限制的場(chǎng)合，汽車(chē)企業(yè)迫切需要實(shí)現(xiàn)用盡可能少的生產(chǎn)場(chǎng)地完成產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。

圖2 加入第3個(gè)平移軸后的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為滿(mǎn)足柔性制造的需求并保證生產(chǎn)質(zhì)量，汽車(chē)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(duì)于產(chǎn)品的傳輸方面，多年來(lái)一直未有太大的改進(jìn)，不能很好地適應(yīng)多車(chē)型、高節(jié)拍的連續(xù)性生產(chǎn)。對(duì)此，我們基于機(jī)器人技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種全新的車(chē)身傳輸系統(tǒng)（柔性小車(chē)），并在汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)焊裝車(chē)間成功地使用。相對(duì)于傳統(tǒng)的滾床和Shuttle傳輸方式，柔性小車(chē)將其二者的優(yōu)點(diǎn)合二為一，克服了滾床和Shuttle傳輸線(xiàn)自身的一些不足。

車(chē)身傳輸系統(tǒng)

傳統(tǒng)的車(chē)身傳輸系統(tǒng)所采用的主要驅(qū)動(dòng)方式：變頻調(diào)速與傳感器加機(jī)械定位銷(xiāo)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(wú)法實(shí)現(xiàn)空間多個(gè)坐標(biāo)系的動(dòng)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(lái)解決這一問(wèn)題。

圖3 加入旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)模型

1. 變頻傳動(dòng)

常用的變頻器只是調(diào)節(jié)交流異步電動(dòng)機(jī)的速度，可采用開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制方式，變頻器通過(guò)內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型，將交流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為可以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)電流的分量，并對(duì)每相的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，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(shí)控制電動(dòng)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(dòng)

伺服傳動(dòng)基本上都采用閉環(huán)方式控制同步伺服電動(dòng)機(jī)，相對(duì)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(jià)格相對(duì)于變頻器來(lái)說(shuō)要昂貴。伺服傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)在于：瞬態(tài)響應(yīng)快，過(guò)載能力強(qiáng)，定位精度高。目前機(jī)器人電動(dòng)機(jī)均采用此控制方式。

圖4 外部擴(kuò)展軸

3. 電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)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(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)，其瞬態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)優(yōu)于變頻電動(dòng)機(jī)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出變化很快的電流、電壓和頻率時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)能快速做出響應(yīng)，響應(yīng)特性和抗過(guò)載能力遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)。例如，伺服電動(dòng)機(jī)一般的加速時(shí)間為20 ms，能承受3倍的過(guò)載，而變頻電動(dòng)機(jī)的加速時(shí)間則要長(zhǎng)很多，普遍在幾百毫秒或以上，過(guò)載能力也僅有1～1.5倍，但因其價(jià)格低廉，在常規(guī)傳動(dòng)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(dòng)學(xué)、動(dòng)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(guó)近年來(lái)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(dòng)控制方式，以實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的性能及精度。

柔性小車(chē)是新近開(kāi)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(xiàn)，它和滾床一樣能夠在某個(gè)工位發(fā)生故障時(shí)繼續(xù)運(yùn)行后續(xù)工位，避免全線(xiàn)停產(chǎn)的事故。同時(shí)，它也具有Shuttle傳輸線(xiàn)快速高效定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)，相對(duì)于Shuttle傳輸線(xiàn)，柔性小車(chē)具有很高的柔性，能適應(yīng)多種車(chē)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(shí)控制機(jī)器人與傳輸裝置（柔性小車(chē)）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(dòng)模型供我們選用，對(duì)于常見(jiàn)的沒(méi)有旋轉(zhuǎn)軸的柔性車(chē)身傳輸，我們采用了如圖1所示的運(yùn)動(dòng)模型，該運(yùn)動(dòng)模型的特點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，能滿(mǎn)足一般的應(yīng)用。加入了第3個(gè)平移軸后的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖2所示。對(duì)于加入了旋轉(zhuǎn)軸的小車(chē)我們采用如圖3所示的運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)模型有助于快速方便地將傳輸裝置（柔性小車(chē)）的運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)予以同步聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。作為該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人應(yīng)用常見(jiàn)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(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人（見(jiàn)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(shì)進(jìn)行整合，并應(yīng)于傳輸系統(tǒng)——柔性傳輸導(dǎo)軌（FlexTrack)（見(jiàn)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)，可以建立一個(gè)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(dòng)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(duì)比

通過(guò)如表所示的柔性傳輸系統(tǒng)與常用傳輸系統(tǒng)的對(duì)比可以看出，柔性小車(chē)在定位精度、適應(yīng)車(chē)型、編程和柔性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方式。

1. 滾床

一般來(lái)說(shuō)，一種滾床只能適用于一種車(chē)身底板，滾床的運(yùn)動(dòng)靠裝在工裝平臺(tái)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(shí)由于每個(gè)滾床制造時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，因此多個(gè)滾床的機(jī)械尺寸無(wú)法做到完全一致。此外，滾床需要一條專(zhuān)用的運(yùn)輸線(xiàn)將空滾床從生產(chǎn)線(xiàn)的出口回送至生產(chǎn)線(xiàn)的入口以實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用（見(jiàn)圖8）。

圖9 Shuttle線(xiàn)

2. Shuttle線(xiàn)

Shuttle線(xiàn)作為汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)最常用的一種車(chē)身傳輸方式，具有傳輸快、定位準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)又有無(wú)法同時(shí)兼容多車(chē)型、柔性差的缺點(diǎn)（見(jiàn)圖9）。

3. 柔性小車(chē)

隨著伺服控制系統(tǒng)價(jià)格的逐步降低，以伺服控制為基礎(chǔ)的柔性小車(chē)作為新一代柔性傳輸裝置的優(yōu)勢(shì)逐步得到體現(xiàn)。

在柔性小車(chē)上可以安裝現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊以及機(jī)械切換裝置適應(yīng)于不同的車(chē)身底板，小車(chē)的移動(dòng)位置可編程，得益于高精度的伺服控制系統(tǒng)，柔性小車(chē)無(wú)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(mǎn)足不同場(chǎng)合的需求。此外，柔性小車(chē)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(chē)使用了同一控制系統(tǒng)，因此能輕易實(shí)現(xiàn)柔性小車(chē)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同步，在降低成本與占地面積的同時(shí)也大幅提升了設(shè)備性能（見(jiàn)圖10）。

圖10 裝有切換裝置適應(yīng)多車(chē)型共用的柔性小車(chē)

柔性傳輸系統(tǒng)的其他用途

1. 作為柔性工裝使用

對(duì)于生產(chǎn)場(chǎng)地面積受限制的用戶(hù)，柔性小車(chē)作為機(jī)器人的外軸與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，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(dòng)。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和柔性小車(chē)的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一由機(jī)器人控制器進(jìn)行運(yùn)算，因此相對(duì)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(chē)可以接入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、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(gè)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(chē)能快速準(zhǔn)確地移動(dòng)到多個(gè)位置，這一功能使多臺(tái)機(jī)器人或多個(gè)工位共用一個(gè)工具或設(shè)備成為可能，機(jī)器人可以通過(guò)工具更換裝置有選擇地抓取或存放工具，柔性小車(chē)快速精確地運(yùn)動(dòng)使工具能在幾臺(tái)機(jī)器人間快速傳送，避免了重復(fù)購(gòu)買(mǎi)類(lèi)似的工具或設(shè)備，節(jié)省了費(fèi)用。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，柔性小車(chē)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(chē)型的隨機(jī)快速切換，在生產(chǎn)線(xiàn)改造或增加車(chē)型時(shí)，其“柔性”優(yōu)點(diǎn)更加突出，明顯縮短了改造停產(chǎn)時(shí)間，保證新產(chǎn)品早日投放市場(chǎng)。

與眾不同的全封閉性設(shè)計(jì)的柔性小車(chē)拖鏈內(nèi)藏，美觀整潔、易于維護(hù)，從根本上解決了現(xiàn)場(chǎng)鐵屑、焊渣等雜物對(duì)設(shè)備造成的損壞。

在技術(shù)日新月異的今天，柔性小車(chē)技術(shù)已日趨成熟，在多個(gè)汽車(chē)企業(yè)（如福特、東風(fēng)、中國(guó)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(chē)企業(yè)在生產(chǎn)上獲得更好的收益。