自动智能装配技术在汽车焊装车间的研究与应用

北京奔驰在未使用自动智能装配技术之前，各个白车身生产线均采用手工装配形式。手工装配线也广泛存在于国内汽车主机厂，但是存在较多问题，具有代表性的是以下两大问题。

1）质量问题。传统手工装配线，采用手工装配工艺，装配精度及一致性低，容易产生间隙平顺度及关门力超差等质量问题。

2）人员成本。手工装配线需大量人员安装及调整四门两盖，返修工作量大，人员成本高。

自动智能装配原理

1.常用传感器

自动智能装配硬件系统主要由机器人、VMT 电脑、抓手及传感器等组成，如图1所示。软件使用了VMT的系统作为自动智能装配的软件。机器人为北京奔驰所使用的标准的库卡机器人。

自动智能装配的测量主要是通过各种各样的传感器来实现的，常用的传感器分为三种：点传感器、线传感器、圆形传感器。

（1）点传感器 也称为距离传感器，如图2所示，型号为Micro-Epsilon optoNCDT1402，用于测量零件在某一方向的尺寸距离，常应用于测量车门铰链Y向的安装深度等。

点传感器的检测原理为传感器发射出光线到被测物体，然后计算出被测物体在某一方向与传感器的距离，如图3所示。

（2）线传感器 常用于检测间隙与平顺度，如图4所示，型号为MEL M2-iLAN 和P+F LR300 Dual Head Sensor。

当线传感器照射车门或车身的轮廓出来的线是如图5所示粗黑线形状时，通常用如下理论来计算间隙与平顺度。如图5所示，可以看出在这条线上有一个曲率最大点②，在粗线的拐角顶点①定义成真实的间隙点，在距离点②确定两个距离的位置求出两个点进而画出这条粗线的切线，通过点①向这条切线做垂线求出虚拟间隙点③。系统通过计算点③的距离来得到间隙与平顺度，如图6所示。

（3）圆形传感器 也称为照相机传感器，型号为GIGE CCD Camera，主要功能是为了确定孔的具体位置。圆形传感器（见图7）的工作原理是根据明暗对比，建立半径不同的同心圆，进而找到了某个确定的点的位置，如图8所示。

2.外覆盖件与白车身装配

外覆盖件与白车身装配主要有以下两种情形：

1）装配尺寸发生偏差，如图9所示。此种情况较为简单，可以通过计算模拟，消除误差达到理论位置。

2）装配零件本身有制造误差，如图10所示。此种情形尺寸偏差无法消除，只能通过计算，尽可能减小偏差，达到最佳装配尺寸状态。

3.运算逻辑

自动智能装配的运算逻辑主要通过以下步骤来进行设定和完成。

1）步骤一，定义示教位置。机器人抓着车门到达车身处，手工测量出最佳的位置，系统记录此位置数据，保存示教位置为机器人位置，保存参考值为传感器值，如图11所示。

2）步骤二，示教。机器人沿X、Y、Z轴小角度旋转时，有两个变量产生，机器人位置变化量（Δ 机器人）和传感器测量值变化量（Δ 传感器），将这两个变化量保存。经过数学微积分，可以算出Δ 机器人/Δ 传感器之间变化关系，来验证示教位置是否合理。如果最终的评判结果为0.9～1.0，此位置可以作为示教基础位置。

3）步骤三，运算。将示教位置传感器的数值作为参照数据，将实际零件装配的传感器数值尽量向示教数值接近，最终完成运算。

4.后车门装配工艺

自动智能装配在北京奔驰也称为“Best-fit”，指的是机器人通过激光传感器测量白车身的尺寸，通过软件计算模拟，实现车身与外覆盖件的最佳匹配状态。以后车门装配工艺为例，Best-Fit自动智能装配的工艺流程如图12所示。

自动智能装配具体工艺过程内容如下：

1）机器人抓手激光传感器测量车身尺寸。

2）测量每辆白车身的实际状态，通过大数据智能运算，实时调整车门位置。

3）当车门与白车身达到“最佳匹配”状态后，机器人通过EC-工具自动拧紧枪进行车门与车身拧紧。

4）机器人再次测量车门与车身间隙及面差，数据上传PLUS系统进行存储。

工艺应用

新一代GLC/E级的车型仍然在北京奔驰MRA厂区内生产，焊装车间在原有的生产线厂房进行利旧改造。待新产线完成改造和调试后，预期具备15万辆的产能。

1.装配线工艺流向

北京奔驰装配线的工艺流向一般都是从车身后侧向前侧方向按顺序安装，新一代GLC/E级车也符合这个原则。通过产品下发的连接顺序文件，进行工艺流向的具体规划。

新一代GLC/E级车的装配线的工艺流向如图13所示，据工艺流向及车间布局，GLC/E级车焊装车间装配线的布局如图14所示。

2.装配具体工艺内容

1）ST100工位为举升门装配。101RB_300从举升门料框中抓取举升门后放置到铰链装配工装中，101RB_100从铰链上件缓存胎中抓取铰链去与举升门进行装配，通过“Best-fit”算法后铰链固移动到最优位置。101RB_300从螺钉送料器中抓取螺栓从而完成铰链与举升门的装配。100RB_100抓取举升门，通过“Bestfit”算法后将举升门移动到与车身匹配的最佳位置上，100RB_400通过螺母送料器抓取螺母，完成举升门与车身的装配。如图15所示。

2）ST150工位为后车门装配。工人从后车门料框中取出后车门放置到上件胎中，151RB_300将后车门从上件胎中取出，放置到铰链装配夹具上。151RB_500从铰链缓存转台中抓取铰链，移动至铰链装配工装处，通过“Best-fit”算法后将铰链移动至与车门装配的最佳位置。151RB_300通过螺栓送料器抓取螺栓，完成铰链与车门的装配。150RB_100将后车门抓取并移动至车身处，通过“Best-fit”算法后将车门移动至与车身装配的最佳位置。150RB_300通过螺母送料器抓取螺母并完成后车门与车身的装配。如图16所示。

3）ST200工位为前车门装配工位，与后门装配工艺类似，不再进行具体介绍。

4）ST350工位为发动机盖装配。351RB_100从铰链缓存转台中抓取铰链并放置到铰链装配工装中，351RB_300从发动机盖料框中取出发动机盖放置到发动机盖装配夹具中完成发动机盖与铰链的装配。350RB_100抓取发动机盖并移动至车身处，通过“Bestfit”算法后将发动机盖移动至与车身装配的最佳位置。350RB_300和350RB_400通过螺栓送料器完成螺栓的抓取，移动至车身完成翼子板双头螺栓和发动机盖的装配拧紧。如图17所示。

5）ST400工位为翼子板装配。工人从翼子板料框中取出翼子板放置到旋转上件胎中，401RB_100将翼子板从上件胎中取出，移动至车身侧进行“Best-fit”算法模拟。待完成算法后翼子板移动至与车身匹配最佳位置处，400RB_100、400RB_300、400RB_500及400RB_700等机器人完成翼子板与车身连接螺栓的拧紧，从而完成翼子板的装配工作。如图18所示。

现场调试

调试时间一般为两周，完成Best-fit装配技术对应相关调试工作。

调试流程一般为三坐标完成测点的画线车，准确地将检测点标注在车身。然后通过此车身测点的位置来调整机器人抓手传感器的位置。依次调整机器人抓手的示教位、安装位以及最后的测量位，最后通过若干轮次的MFU（即设备重复性能力）验证完成调试。

通过尺寸与节拍的不断优化，最终将自动智能装配技术成功应用于GLC级/E级装配线，不仅实现了装配线产能的提升，还保持了装配质量的稳定性。

结语

本文通过描写自动智能装配技术在焊装装配线的应用，解决了传统装配工艺存在的若干问题，主要体现在以下几个方面：

1）实现覆盖件与车身的自动最佳匹配，车身装配精度高，一致性好，装配质量稳定。

2）采用机器人取代人工装配，大量节省操作工人数量，并有效降低人员劳动强度。

3）车身装配一次性合格率高，返修量大大减少，最大程度降低返修成本。

4）整个装配过程采用机器人自动化技术，避免了人工装配过程中出现的磕伤等缺陷。

此项技术的成功应用，重点解决了困扰北京奔驰不断上涨的人工成本问题。按照传统装配工艺，装配线的人数是28人/次，人均成本为33万元/年。自动智能装配线的投资成本为7600万元，北京奔驰的产品生命周期一般为7年，则在产品生命周期内预计可节省5336万元，极大节省了企业的运营成本。

文章来源：汽车工艺师