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作者簡介：王華東，（1975-），湖北人，碩士，現(xiàn)任上海ABB工程有限公司汽車工業(yè)部機器人自動化技術(shù)經(jīng)理。
摘 要：汽車的PVC底部密封需要對焊縫、車身底部及輪罩、門檻裙邊等多處進行密封，密封工藝的要求高且很復(fù)雜，特別是對密封的位置、密封層厚度、均勻度的控制要求很嚴(yán)格，而且車體輸送線的定位偏差較大，車型產(chǎn)品多樣，所以利用機器人的視覺導(dǎo)引技術(shù)、多工具快換技術(shù)、新一代運動控制技術(shù)以及工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理等技術(shù)自動完成PVC密封可以有效地保證密封質(zhì)量，適應(yīng)了現(xiàn)代汽車制造業(yè)多品種、大批量、占地少的柔性化生產(chǎn)發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：機器人；視覺導(dǎo)引；偏差補償；工具快換；運動控制；TrueMove；生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理；PVC密封層；密封工藝；密封質(zhì)量；柔性生產(chǎn)
Abstract：For PVC bottom of robot，we need accomplish the sealing of underbody，weld seams，hubcap and doorsill.The sealing process requires high and complex skills，especially on the precise control of sealing positions，layer thickness and uniformity.In addition，the car body transmit line is of big localization errors，and the car body types are variours.Robotic PVC production line is well proved to ensure the high quality of sealing and new flexible production way of modern automotive industry，with the help of robotic vision guided technology，fast multi-tool switch technique and new generation of motion control and production monitoring and management system.
Key words：Robot；Vision guided；deviation compensation；tool switch；motion control；Truemove；production monitoring and management；PVC sealing layer；sealing process；sealing quality；flexible production
汽車底盤由于其部位特殊，工作條件最為惡劣，而且底盤的質(zhì)量及可靠性直接影響到汽車行駛的生命安全，所以現(xiàn)代汽車的制造對汽車底部的“裝甲”尤其重視。目前常用的方法是采用PVC密封，使汽車底盤與外界隔絕，達到防腐、防銹、防撞、防振、隔絕底盤噪聲等多重功能。PVC底部密封通常需要對焊縫、車身底部及輪罩、門檻裙邊等多處進行密封，其中PVC焊縫密封是為了提高車身的密封性、汽車的舒適性以及車身縫隙間的耐腐蝕性；PVC底部及輪罩噴膠是為了提高車身的使用壽命，增強抗石擊的性能。
由于PVC密封工藝要求很高很復(fù)雜，特別是對密封的位置度、密封層厚度、均勻度的控制要求很嚴(yán)格，而且不同部位密封層的厚度也不一樣，所以利用機器人自動完成PVC密封可以有效保證密封的質(zhì)量。再者，PVC密封本身工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，對人體有很大傷害，也決定了其使用機器人的必然性。更重要的是機器人可以大大提高工作效率，增強系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)今汽車市場新產(chǎn)品層出不窮，而且更新?lián)Q代的速度越來越快，這就對現(xiàn)代汽車工業(yè)生產(chǎn)線提出了更高的要求——高度柔性化及擴展性。
以機器人為核心的自動化生產(chǎn)線正適應(yīng)著現(xiàn)代汽車制造業(yè)多品種、少批量、占地少的柔性化生產(chǎn)發(fā)展方向。同時，機器人的新技術(shù)、新產(chǎn)品也在不斷的得到開發(fā)并應(yīng)用，進一步提高及優(yōu)化了自動化生產(chǎn)線。比如機器人的視覺導(dǎo)引技術(shù)、多工具快換技術(shù)、焊縫跟蹤技術(shù)、新一代運動控制技術(shù)以及模擬仿真、工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理等軟件技術(shù)，這些技術(shù)在當(dāng)今的PVC密封領(lǐng)域也都得到了很好的應(yīng)用。
PVC底部密封工位的車體大多是通過風(fēng)窗吊具等機械類輸送線從上一工位傳送過來，輸送線的定位偏差很大，并且車體靜止后也無再定位裝置，再加上車體自身的尺寸偏差，綜合偏差達到10～30mm左右。這就要求借助機器人視覺導(dǎo)引（定位）技術(shù)，完成車體位置偏差的快速測量，機器人在線啟動偏差補償功能，自動進行車體的位置偏差修正，實現(xiàn)精確密封，同時也避免了花大量的資金對輸送線改造實現(xiàn)定位準(zhǔn)確，減少了投資成本。
1 機器人視覺導(dǎo)引技術(shù)應(yīng)用于車體位置偏差補償
機器人視覺系統(tǒng)的基本原理：機器視覺首先采用CCD照相機或者其他傳感器將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等；最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格、有/無等。輸出結(jié)果傳送到上位機或者機器人，例如機器人得到偏移量后，自動執(zhí)行機器人軌跡修正程序，然后按補償后的軌跡運行，實現(xiàn)精確工作。
目前，機器人視覺系統(tǒng)有來自機器人公司自身如ABB的TrueView，也有來自第三方的專業(yè)視覺系統(tǒng)公司如美國的COGNEX、德國的VMT及ISRA等。按系統(tǒng)測量的自由度數(shù)量通常可分為2D及3D系統(tǒng)，目前還有特殊應(yīng)用的2.5D系統(tǒng)。從運行環(huán)境的角度，機器視覺系統(tǒng)可分為PC-BASED系統(tǒng)和PLC-BASED系統(tǒng)。基于PC的系統(tǒng)利用了其開放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時系統(tǒng)總體成本較低。視覺數(shù)據(jù)采集傳感器常用有多種類型：攝像頭、激光傳感及掃描儀等，由于攝像頭的成本較低，得到了更廣泛的應(yīng)用。視覺系統(tǒng)的傳感器安裝方式有兩種：固定式安裝以及機器人端部安裝，前者適合多傳感器對大型零件（如車體、機翼等）的多視角采集，后者適合單傳感器對中小型零件的數(shù)據(jù)采集。
判斷機器人視覺系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)有三個要素：視覺精度、視覺處理時間以及視覺處理的零件運動范圍。視覺精度的高低決定視覺系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，直接影響機器人的補償精度，目前大多數(shù)視覺系統(tǒng)的視覺精度為±1～2mm，ABB的TrueView系統(tǒng)可達±0.5mm。視覺處理時間直接關(guān)系到生產(chǎn)節(jié)拍，所以其越快越好，大多數(shù)為2～3秒鐘，而ABB的TrueView系統(tǒng)更高為0.5～1.5秒鐘，大大提高生產(chǎn)效率。視覺處理的零件運動范圍，及視覺系統(tǒng)可處理的零件最大偏差范圍，通常在±30～50mm左右，最大的為ABB的TrueView在±300mm及±15°。
由于PVC底部密封工位的車體位置偏差是6自由度，而且車體尺寸較大，需要多視角攝像采集數(shù)據(jù)，所以采用固定式安裝的多攝像頭3D視覺系統(tǒng)，如圖1所示。視覺系統(tǒng)利用4個已標(biāo)定的攝像頭從4個角度采集車體的4個部位的圖像，并從這些圖像中搜索車體上的固有特征標(biāo)記點（理想的標(biāo)記點是孔，但是角、邊沿等其它特征標(biāo)記也可以利用）的二維圖像坐標(biāo)；同時根據(jù)各個攝像頭之間的方位關(guān)系以及標(biāo)記點在車體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，這樣在數(shù)學(xué)上就確定一個最佳的車體方位，并計算出當(dāng)前方位和理論方位之間的矯正矢量（X，Y，Z，RX，RY，RZ）；該矯正矢量送給PLC，PLC收到數(shù)據(jù)報包后分析標(biāo)志位，如果是錯誤結(jié)果，進行出錯處理，如重新觸發(fā)測量等；如果是正確結(jié)果，給機器人送出矯正矢量，機器人就能夠調(diào)整其工作應(yīng)用軌跡，并啟動涂膠應(yīng)用。
圖1 采用固定式安裝的多攝像頭3D視覺系統(tǒng)
通過該機器人視覺系統(tǒng)的使用，完全解決了車體的位置偏差問題，保證機器人接收到精確的補償數(shù)據(jù)，并自動修正工作軌跡，然后按新的軌跡執(zhí)行正確的工作。而且還可以適應(yīng)多品種的車體應(yīng)用，柔性高，擴展性強。
2 工具快換技術(shù)可實現(xiàn)多種工藝生產(chǎn)
為減小PVC密封生產(chǎn)線的占地面積，通常把焊縫的密封、車身底部及輪罩以及門檻裙邊的密封都集中在一個工位完成，另外，一個車身平臺上通常都有多種車型同時生產(chǎn)，PVC密封工位就要同時適應(yīng)多種車體的混線生產(chǎn)，因此PVC的密封需要多種噴膠工具，機器人需要對多種噴膠工具控制及快速切換。
在汽車工業(yè)生產(chǎn)線上，工具快換系統(tǒng)已經(jīng)得到了大量的使用，其中使用最廣的工具快換有兩種形式：工具快換機構(gòu)及多工具一體化，前者由專門的快換機構(gòu)公司提供標(biāo)準(zhǔn)化模塊，可快速（約1～2秒內(nèi)）進行水電氣的快速脫離，釋放工具1，然后再快速進行水電氣的快速連接，抓取工具2，實現(xiàn)工具切換；后者是將多種工具進行一體化設(shè)計，集成安裝在機器人端部。前者適應(yīng)于中大型工具及多種應(yīng)用工具的切換，但是切換時間較長，犧牲了生產(chǎn)節(jié)拍；后者適用于中小型工具連接，切換時間很快，可提高生產(chǎn)節(jié)拍。
焊縫密封，車身底部工藝都存在較大的區(qū)別，特別是對焊縫密封膠的流量控制要求精確，對底部、輪罩以及門檻裙邊的密封層厚度都不一樣，而這些差異無法用單一的流量控制系統(tǒng)及噴膠工具實現(xiàn)，必須使用多種工具，并且該工位的節(jié)拍要求很高，所以把多種工具集成一體實現(xiàn)切換控制，就很好的解決了該系統(tǒng)對多種工藝要求的適應(yīng)。在該方案實施的過程中，關(guān)鍵要對多種工具下的工藝參數(shù)調(diào)整，以及工藝參數(shù)的快速切換，經(jīng)過工藝特殊處理確保切換后的密封工藝順利過渡，保證了后續(xù)密封的理想效果及質(zhì)量。
3 新一代運動控制技術(shù)在密封領(lǐng)域的應(yīng)用
從工業(yè)機器人進入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域以來，其代替人工操作或者專機系統(tǒng)，應(yīng)用的范圍正越來越廣，特別是在汽車生產(chǎn)中的一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，對工業(yè)機器人的運動性能要求（例如軌跡精度、運行速度等）更高，如激光焊接、切割、涂膠等應(yīng)用場合。
PVC密封應(yīng)用也是一個對機器人要求很高的應(yīng)用場合，要求機器人本身要有對密封膠固化粘連環(huán)境的防護，更重要的是在門檻裙邊區(qū)域的涂膠需要高度精確的涂膠軌跡，以免PVC過涂污染車身上的油漆表面等不可接受的缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，而且該工位的節(jié)拍非常緊張，所以機器人的工作速度也不能過低，影響生產(chǎn)效率。而這些要求都只能靠機器人本身優(yōu)異的運動性能來保證。
全球任何一家工業(yè)機器人公司都有自己的控制系統(tǒng)，而且每家公司的機器人本體、驅(qū)動系統(tǒng)都大同小異，其間差異最大的就是控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)中最核心技術(shù)就是運動控制技術(shù)，運動控制技術(shù)是指對工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度等項的控制。運動控制技術(shù)的先進與否，是否穩(wěn)定可靠，根本上決定了該機器人系統(tǒng)的運動性能好壞，可靠性高低等關(guān)鍵要素。
ABB最新的第五代控制系統(tǒng)搭載的運動控制技術(shù)，是目前市場上運動控制最先進的技術(shù)，正是這種技術(shù)，使得工業(yè)機器人越來越廣泛的應(yīng)用于高精行業(yè)，并大量的替代高精密的專機系統(tǒng)，同時也使傳統(tǒng)應(yīng)用的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到極大的改善。
a）傳統(tǒng)控制方式：工藝速度500mm/sec b）ABB的TrueMove 控制：工藝速度800mm/sec
圖2 傳統(tǒng)控制方式與ABB TrueMove控制在PVC密封系統(tǒng)中應(yīng)用對比
在PVC密封系統(tǒng)中使用由ABB第五代控制系統(tǒng)控制的工業(yè)機器人作業(yè)，從圖2傳統(tǒng)控制方式與ABB TrueMove控制在PVC密封系統(tǒng)中應(yīng)用對比中可以看出，傳統(tǒng)控制方式在相對較低的速度下仍然容易出現(xiàn)波紋及過涂現(xiàn)象，而借助TrueMove的控制技術(shù)，機器人可以運行相對較高的速度，保證涂膠的均勻光滑度以及拐角過渡處的精度，這是因為ABB獨特的動態(tài)自優(yōu)化技術(shù)使運動精度獨立于運動速度，從而可以大幅縮短生產(chǎn)節(jié)拍，從而提高了涂膠產(chǎn)品的涂膠質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低了廢品率。
4 機器人的工廠生產(chǎn)管理
PVC密封工位的工作環(huán)境惡劣，不光是對操作或者維護管理人員，而且對設(shè)備的防護也提出了更高的要求，所以利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備及工作數(shù)據(jù)自動進行采集并實現(xiàn)遠程管理的就顯得尤為重要。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)軟件的主要功能是對密封生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的采集和生產(chǎn)過程的監(jiān)控。
ABB的WebWare軟件可協(xié)助用戶提高機器人系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，延長其正常的運行時間，促進產(chǎn)品的自動化管理作業(yè)。Webware能幫助機器人技術(shù)人員及生產(chǎn)主管坐在辦公室里識別機器人的故障根源，為機器人系統(tǒng)提供備份保護，還可用于查看某一時間段的生產(chǎn)狀態(tài)趨勢。
Webware軟件是100%基于Web方式，能通過標(biāo)準(zhǔn)IE瀏覽器本地或遠程訪問整線或整廠的產(chǎn)品訊息，WebWare可真正的滿足用戶即時操作過程監(jiān)視，檔案管理和遠程支援。WebWare通過集合數(shù)據(jù)來幫助客戶對ABB機器人控制器生產(chǎn)資源的記錄，PLC還有其他工廠設(shè)備。通過微軟IE，WebWare很容易獲得這些數(shù)據(jù)。
通過Webware實現(xiàn)上位PC機與機器人的生產(chǎn)管理，其主要功能為：
·能在PC機與機器人之間傳輸程序；
·能讀寫機器人的I/O及RAPID變量；
·啟動停止機器人運行；
·從機器人接收信息及事件；
·讀取機器人當(dāng)前位置。
通過Webware系統(tǒng)，管理人員可以在遠離生產(chǎn)現(xiàn)場的辦公室PC機上，可視化監(jiān)控現(xiàn)場的生產(chǎn)信息，機器人工作狀態(tài)、故障報錯信息以及其他設(shè)備的運行情況，并能夠進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，其中目視管理及操作顯示可以圖表形式，反映設(shè)備的工藝流程及相應(yīng)的功能。最終使用戶保護和優(yōu)化他們對機器人技術(shù)的投資，提供全面的解決方案達到綜合的和有效的產(chǎn)品監(jiān)視的空前水平。
5 結(jié)語
結(jié)合了工業(yè)機器人的多種新技術(shù)及新產(chǎn)品，汽車底部PVC密封的工藝得到了很大的優(yōu)化，系統(tǒng)解決方案變得更加成熟，尤其是系統(tǒng)的柔性及擴展性，生產(chǎn)的效率及產(chǎn)品質(zhì)量，都得到了極大的提升。
——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號