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

圖1 常見(jiàn)的柔性車(chē)身傳輸運動(dòng)模型

隨著(zhù)汽車(chē)市場(chǎng)競爭的加劇，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)機器人得到推廣使用。為了更好地適應多車(chē)型、高節拍的連續生產(chǎn)，ABB基于機器人技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種全新的車(chē)身傳輸系統，在焊裝車(chē)間得到推廣應用。

隨著(zhù)中國改革開(kāi)放的持續深入以及產(chǎn)業(yè)升級的不斷加速，中國的汽車(chē)產(chǎn)量已躍居全球領(lǐng)先地位，生產(chǎn)企業(yè)的數量不斷增加，國內汽車(chē)保有量持續增長(cháng)，汽車(chē)市場(chǎng)將逐漸趨于飽和。市場(chǎng)競爭加劇，人們對于產(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)盡可能運用現有設備快速生產(chǎn)出多種類(lèi)型的產(chǎn)品，同時(shí)，要求設備生產(chǎn)廠(chǎng)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(xiàn)。此外，對一些生產(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)機器人作為其主要生產(chǎn)設備，但對于產(chǎn)品的傳輸方面，多年來(lái)一直未有太大的改進(jìn)，不能很好地適應多車(chē)型、高節拍的連續性生產(chǎn)。對此，我們基于機器人技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種全新的車(chē)身傳輸系統（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。相對于傳統的滾床和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

傳統的車(chē)身傳輸系統所采用的主要驅動(dòng)方式：變頻調速與傳感器加機械定位銷(xiāo)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(wú)法實(shí)現空間多個(gè)坐標系的動(dòng)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(lái)解決這一問(wèn)題。

圖3 加入旋轉軸的運動(dòng)模型

1. 變頻傳動(dòng)

常用的變頻器只是調節交流異步電動(dòng)機的速度，可采用開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制方式，變頻器通過(guò)內部的數學(xué)模型，將交流電動(dòng)機的定子磁場(chǎng)轉化為可以控制電動(dòng)機轉速和轉矩的兩個(gè)電流的分量，并對每相的輸出電流進(jìn)行檢測，采樣反饋后構成閉環(huán)負反饋的電流環(huán)的PID調節。某些變頻器（如，ABB、FANUC）還提出了直接轉矩控制技術(shù)，同時(shí)控制電動(dòng)機的速度和力矩，以提高控制精度和響應特性。

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，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(shí)現非常精確的位置控制。但其價(jià)格相對于變頻器來(lái)說(shuō)要昂貴。伺服傳動(dòng)的優(yōu)勢在于：瞬態(tài)響應快，過(guò)載能力強，定位精度高。目前機器人電動(dòng)機均采用此控制方式。

圖4 外部擴展軸

3. 電動(dòng)機

伺服電動(dòng)機的材料、結構和加工工藝遠遠高于變頻器驅動(dòng)的交流電動(dòng)機，其瞬態(tài)響應遠優(yōu)于變頻電動(dòng)機。當驅動(dòng)器輸出變化很快的電流、電壓和頻率時(shí)，伺服電動(dòng)機能快速做出響應，響應特性和抗過(guò)載能力遠高于變頻器驅動(dòng)的交流電動(dòng)機。例如，伺服電動(dòng)機一般的加速時(shí)間為20 ms，能承受3倍的過(guò)載，而變頻電動(dòng)機的加速時(shí)間則要長(cháng)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，在常規傳動(dòng)領(lǐng)域一直是主流的方式。

圖5 機器人島的柔性傳輸系統

4. 工業(yè)機器人技術(shù)

它是集運動(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)，也是我國近年來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。工業(yè)機器人采用伺服控制作為其傳動(dòng)控制方式，以實(shí)現其優(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器人技術(shù)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(xiàn)，它和滾床一樣能夠在某個(gè)工位發(fā)生故障時(shí)繼續運行后續工位，避免全線(xiàn)停產(chǎn)的事故。同時(shí)，它也具有Shuttle傳輸線(xiàn)快速高效定位準確的特點(diǎn)，相對于Shuttle傳輸線(xiàn)，柔性小車(chē)具有很高的柔性，能適應多種車(chē)型的傳輸。我們使用機器人的標準伺服控制系統和軟件同時(shí)控制機器人與傳輸裝置（柔性小車(chē)）的方法，實(shí)現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

在機器人技術(shù)中，有多種多樣的運動(dòng)模型供我們選用，對于常見(jiàn)的沒(méi)有旋轉軸的柔性車(chē)身傳輸，我們采用了如圖1所示的運動(dòng)模型，該運動(dòng)模型的特點(diǎn)是計算簡(jiǎn)單，能滿(mǎn)足一般的應用。加入了第3個(gè)平移軸后的運動(dòng)學(xué)模型如圖2所示。對于加入了旋轉軸的小車(chē)我們采用如圖3所示的運動(dòng)模型。

標準的機器人控制系統所提供的成熟的運動(dòng)學(xué)模型有助于快速方便地將傳輸裝置（柔性小車(chē)）的運動(dòng)與機器人的運動(dòng)予以同步聯(lián)動(dòng)，實(shí)現更快、更準的運動(dòng)控制。作為該技術(shù)的標準化機器人應用常見(jiàn)于機器人外部擴展軸（EXTERNAL-AXIS），以實(shí)現機器人更大范圍的運動(dòng)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(lái)驅動(dòng)機器人（見(jiàn)圖4）。

圖7 單方向柔性傳輸系統

柔性傳輸系統

柔性傳輸系統是將機器人控制技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行整合，并應于傳輸系統——柔性傳輸導軌（FlexTrack)（見(jiàn)圖5、圖6和圖7）。其優(yōu)點(diǎn)主要表現在：舍棄了以往標準的機運模式，使用聯(lián)動(dòng)伺服軸，電氣機械配合機器人，從而起到節省投資、節約空間以及減少人力勞動(dòng)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(shí)間。因為很多主要的設備調試在前期就可完成，這一效果在后續的工位建立上將得到更大的體現。同時(shí)，可以建立一個(gè)混合的系統去迎合各種要求，從而解決了柔性的瓶頸。與傳統自動(dòng)化傳輸系統不同，這種柔性度的體現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)設計。

圖8 滾床全貌

柔性傳輸系統與常用的傳輸系統對比

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

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，滾床的運動(dòng)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(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(zhù)伺服控制系統價(jià)格的逐步降低，以伺服控制為基礎的柔性小車(chē)作為新一代柔性傳輸裝置的優(yōu)勢逐步得到體現。

在柔性小車(chē)上可以安裝現場(chǎng)總線(xiàn)模塊以及機械切換裝置適應于不同的車(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，柔性小車(chē)無(wú)需加減速及其他傳感器即能實(shí)現快速準確的定位，可以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需求。此外，柔性小車(chē)可利用現有機器人的標準控制系統與機器人現有成熟的控制指令，不必單獨組建控制系統。由于機器人與柔性小車(chē)使用了同一控制系統，因此能輕易實(shí)現柔性小車(chē)與機器人運動(dòng)的同步，在降低成本與占地面積的同時(shí)也大幅提升了設備性能（見(jiàn)圖10）。

圖10 裝有切換裝置適應多車(chē)型共用的柔性小車(chē)

柔性傳輸系統的其他用途

1. 作為柔性工裝使用

對于生產(chǎn)場(chǎng)地面積受限制的用戶(hù)，柔性小車(chē)作為機器人的外軸與機器人實(shí)現同步運動(dòng)，能夠與機器人控制器融合為一體，實(shí)現坐標系移動(dòng)。由于機器人的運動(dòng)和柔性小車(chē)的運動(dòng)統一由機器人控制器進(jìn)行運算，因此相對于傳統方式，大大加快了生產(chǎn)節拍，也改善了機器人工具（如焊鉗）的可達性。由于柔性小車(chē)可以接入現場(chǎng)總線(xiàn)、壓縮空氣、傳感器和其他執行機構，因此，能利用很少的工位實(shí)現原先需要多個(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(chē)能快速準確地移動(dòng)到多個(gè)位置，這一功能使多臺機器人或多個(gè)工位共用一個(gè)工具或設備成為可能，機器人可以通過(guò)工具更換裝置有選擇地抓取或存放工具，柔性小車(chē)快速精確地運動(dòng)使工具能在幾臺機器人間快速傳送，避免了重復購買(mǎi)類(lèi)似的工具或設備，節省了費用。

結語(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)，與傳統的傳輸設備相比能適應車(chē)型的隨機快速切換，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計的柔性小車(chē)拖鏈內藏，美觀(guān)整潔、易于維護，從根本上解決了現場(chǎng)鐵屑、焊渣等雜物對設備造成的損壞。

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(chē)企業(yè)在生產(chǎn)上獲得更好的收益。