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作者簡(jiǎn)介：王華東，（1975-），湖北人，碩士，現任上海ABB工程有限公司汽車(chē)工業(yè)部機器人自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)理。
摘 要：汽車(chē)的PVC底部密封需要對焊縫、車(chē)身底部及輪罩、門(mén)檻裙邊等多處進(jìn)行密封，密封工藝的要求高且很復雜，特別是對密封的位置、密封層厚度、均勻度的控制要求很?chē)栏?，而且?chē)體輸送線(xiàn)的定位偏差較大，車(chē)型產(chǎn)品多樣，所以利用機器人的視覺(jué)導引技術(shù)、多工具快換技術(shù)、新一代運動(dòng)控制技術(shù)以及工廠(chǎng)生產(chǎn)數據管理等技術(shù)自動(dòng)完成PVC密封可以有效地保證密封質(zhì)量，適應了現代汽車(chē)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(jué)導引；偏差補償；工具快換；運動(dòng)控制；TrueMove；生產(chǎn)數據管理；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(chē)底盤(pán)由于其部位特殊，工作條件最為惡劣，而且底盤(pán)的質(zhì)量及可靠性直接影響到汽車(chē)行駛的生命安全，所以現代汽車(chē)的制造對汽車(chē)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(chē)底盤(pán)與外界隔絕，達到防腐、防銹、防撞、防振、隔絕底盤(pán)噪聲等多重功能。PVC底部密封通常需要對焊縫、車(chē)身底部及輪罩、門(mén)檻裙邊等多處進(jìn)行密封，其中PVC焊縫密封是為了提高車(chē)身的密封性、汽車(chē)的舒適性以及車(chē)身縫隙間的耐腐蝕性；PVC底部及輪罩噴膠是為了提高車(chē)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?chē)栏?，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(dòng)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，增強系統的可靠性。當今汽車(chē)市場(chǎng)新產(chǎn)品層出不窮，而且更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，這就對現代汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)正適應著(zhù)現代汽車(chē)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(shí)，機器人的新技術(shù)、新產(chǎn)品也在不斷的得到開(kāi)發(fā)并應用，進(jìn)一步提高及優(yōu)化了自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。比如機器人的視覺(jué)導引技術(shù)、多工具快換技術(shù)、焊縫跟蹤技術(shù)、新一代運動(dòng)控制技術(shù)以及模擬仿真、工廠(chǎng)生產(chǎn)數據管理等軟件技術(shù)，這些技術(shù)在當今的PVC密封領(lǐng)域也都得到了很好的應用。
PVC底部密封工位的車(chē)體大多是通過(guò)風(fēng)窗吊具等機械類(lèi)輸送線(xiàn)從上一工位傳送過(guò)來(lái)，輸送線(xiàn)的定位偏差很大，并且車(chē)體靜止后也無(wú)再定位裝置，再加上車(chē)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(jué)導引（定位）技術(shù)，完成車(chē)體位置偏差的快速測量，機器人在線(xiàn)啟動(dòng)偏差補償功能，自動(dòng)進(jìn)行車(chē)體的位置偏差修正，實(shí)現精確密封，同時(shí)也避免了花大量的資金對輸送線(xiàn)改造實(shí)現定位準確，減少了投資成本。
1 機器人視覺(jué)導引技術(shù)應用于車(chē)體位置偏差補償
機器人視覺(jué)系統的基本原理：機器視覺(jué)首先采用CCD照相機或者其他傳感器將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進(jìn)行各種運算來(lái)抽取目標的特征，如：面積、長(cháng)度、數量、位置等；最后，根據預設的容許度和其他條件輸出結果，如尺寸、角度、偏移量、個(gè)數、合格/不合格、有/無(wú)等。輸出結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(dòng)執行機器人軌跡修正程序，然后按補償后的軌跡運行，實(shí)現精確工作。
目前，機器人視覺(jué)系統有來(lái)自機器人公司自身如ABB的TrueView，也有來(lái)自第三方的專(zhuān)業(yè)視覺(jué)系統公司如美國的COGNEX、德國的VMT及ISRA等。按系統測量的自由度數量通?？煞譃?D及3D系統，目前還有特殊應用的2.5D系統。從運行環(huán)境的角度，機器視覺(jué)系統可分為PC-BASED系統和PLC-BASED系統?；赑C的系統利用了其開(kāi)放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時(shí)系統總體成本較低。視覺(jué)數據采集傳感器常用有多種類(lèi)型：攝像頭、激光傳感及掃描儀等，由于攝像頭的成本較低，得到了更廣泛的應用。視覺(jué)系統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(chē)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據采集。
判斷機器人視覺(jué)系統的標準有三個(gè)要素：視覺(jué)精度、視覺(jué)處理時(shí)間以及視覺(jué)處理的零件運動(dòng)范圍。視覺(jué)精度的高低決定視覺(jué)系統的應用范圍，直接影響機器人的補償精度，目前大多數視覺(jué)系統的視覺(jué)精度為±1～2mm，ABB的TrueView系統可達±0.5mm。視覺(jué)處理時(shí)間直接關(guān)系到生產(chǎn)節拍，所以其越快越好，大多數為2～3秒鐘，而ABB的TrueView系統更高為0.5～1.5秒鐘，大大提高生產(chǎn)效率。視覺(jué)處理的零件運動(dòng)范圍，及視覺(jué)系統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(chē)體位置偏差是6自由度，而且車(chē)體尺寸較大，需要多視角攝像采集數據，所以采用固定式安裝的多攝像頭3D視覺(jué)系統，如圖1所示。視覺(jué)系統利用4個(gè)已標定的攝像頭從4個(gè)角度采集車(chē)體的4個(gè)部位的圖像，并從這些圖像中搜索車(chē)體上的固有特征標記點(diǎn)（理想的標記點(diǎn)是孔，但是角、邊沿等其它特征標記也可以利用）的二維圖像坐標；同時(shí)根據各個(gè)攝像頭之間的方位關(guān)系以及標記點(diǎn)在車(chē)體坐標系下的坐標，這樣在數學(xué)上就確定一個(gè)最佳的車(chē)體方位，并計算出當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收到數據報包后分析標志位，如果是錯誤結果，進(jìn)行出錯處理，如重新觸發(fā)測量等；如果是正確結果，給機器人送出矯正矢量，機器人就能夠調整其工作應用軌跡，并啟動(dòng)涂膠應用。
圖1 采用固定式安裝的多攝像頭3D視覺(jué)系統
通過(guò)該機器人視覺(jué)系統的使用，完全解決了車(chē)體的位置偏差問(wèn)題，保證機器人接收到精確的補償數據，并自動(dòng)修正工作軌跡，然后按新的軌跡執行正確的工作。而且還可以適應多品種的車(chē)體應用，柔性高，擴展性強。
2 工具快換技術(shù)可實(shí)現多種工藝生產(chǎn)
為減小PVC密封生產(chǎn)線(xiàn)的占地面積，通常把焊縫的密封、車(chē)身底部及輪罩以及門(mén)檻裙邊的密封都集中在一個(gè)工位完成，另外，一個(gè)車(chē)身平臺上通常都有多種車(chē)型同時(shí)生產(chǎn)，PVC密封工位就要同時(shí)適應多種車(chē)體的混線(xiàn)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(chē)工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上，工具快換系統已經(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：工具快換機構及多工具一體化，前者由專(zhuān)門(mén)的快換機構公司提供標準化模塊，可快速（約1～2秒內）進(jìn)行水電氣的快速脫離，釋放工具1，然后再快速進(jìn)行水電氣的快速連接，抓取工具2，實(shí)現工具切換；后者是將多種工具進(jìn)行一體化設計，集成安裝在機器人端部。前者適應于中大型工具及多種應用工具的切換，但是切換時(shí)間較長(cháng)，犧牲了生產(chǎn)節拍；后者適用于中小型工具連接，切換時(shí)間很快，可提高生產(chǎn)節拍。
焊縫密封，車(chē)身底部工藝都存在較大的區別，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(mén)檻裙邊的密封層厚度都不一樣，而這些差異無(wú)法用單一的流量控制系統及噴膠工具實(shí)現，必須使用多種工具，并且該工位的節拍要求很高，所以把多種工具集成一體實(shí)現切換控制，就很好的解決了該系統對多種工藝要求的適應。在該方案實(shí)施的過(guò)程中，關(guān)鍵要對多種工具下的工藝參數調整，以及工藝參數的快速切換，經(jīng)過(guò)工藝特殊處理確保切換后的密封工藝順利過(guò)渡，保證了后續密封的理想效果及質(zhì)量。
3 新一代運動(dòng)控制技術(shù)在密封領(lǐng)域的應用
從工業(yè)機器人進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域以來(lái)，其代替人工操作或者專(zhuān)機系統，應用的范圍正越來(lái)越廣，特別是在汽車(chē)生產(chǎn)中的一些特殊應用領(lǐng)域，對工業(yè)機器人的運動(dòng)性能要求（例如軌跡精度、運行速度等）更高，如激光焊接、切割、涂膠等應用場(chǎng)合。
PVC密封應用也是一個(gè)對機器人要求很高的應用場(chǎng)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(mén)檻裙邊區域的涂膠需要高度精確的涂膠軌跡，以免PVC過(guò)涂污染車(chē)身上的油漆表面等不可接受的缺陷，導致產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)，而且該工位的節拍非常緊張，所以機器人的工作速度也不能過(guò)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(dòng)性能來(lái)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，而且每家公司的機器人本體、驅動(dòng)系統都大同小異，其間差異最大的就是控制系統，而控制系統中最核心技術(shù)就是運動(dòng)控制技術(shù)，運動(dòng)控制技術(shù)是指對工業(yè)機器人末端執行器的位置、速度、加速度等項的控制。運動(dòng)控制技術(shù)的先進(jìn)與否，是否穩定可靠，根本上決定了該機器人系統的運動(dòng)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搭載的運動(dòng)控制技術(shù)，是目前市場(chǎng)上運動(dòng)控制最先進(jìn)的技術(shù)，正是這種技術(shù)，使得工業(yè)機器人越來(lái)越廣泛的應用于高精行業(yè)，并大量的替代高精密的專(zhuān)機系統，同時(shí)也使傳統應用的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到極大的改善。
a）傳統控制方式：工藝速度500mm/sec b）ABB的TrueMove 控制：工藝速度800mm/sec
圖2 傳統控制方式與ABB TrueMove控制在PVC密封系統中應用對比
在PVC密封系統中使用由ABB第五代控制系統控制的工業(yè)機器人作業(yè)，從圖2傳統控制方式與ABB TrueMove控制在PVC密封系統中應用對比中可以看出，傳統控制方式在相對較低的速度下仍然容易出現波紋及過(guò)涂現象，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(guò)渡處的精度，這是因為ABB獨特的動(dòng)態(tài)自?xún)?yōu)化技術(shù)使運動(dòng)精度獨立于運動(dòng)速度，從而可以大幅縮短生產(chǎn)節拍，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(chǎng)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，而且對設備的防護也提出了更高的要求，所以利用遠程監控系統對設備及工作數據自動(dòng)進(jìn)行采集并實(shí)現遠程管理的就顯得尤為重要。系統數據采集和管理系統軟件的主要功能是對密封生產(chǎn)工藝數據的采集和生產(chǎn)過(guò)程的監控。
ABB的WebWare軟件可協(xié)助用戶(hù)提高機器人系統的生產(chǎn)效率，延長(cháng)其正常的運行時(shí)間，促進(jìn)產(chǎn)品的自動(dòng)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，為機器人系統提供備份保護，還可用于查看某一時(shí)間段的生產(chǎn)狀態(tài)趨勢。
Webware軟件是100%基于Web方式，能通過(guò)標準IE瀏覽器本地或遠程訪(fǎng)問(wèn)整線(xiàn)或整廠(chǎng)的產(chǎn)品訊息，WebWare可真正的滿(mǎn)足用戶(hù)即時(shí)操作過(guò)程監視，檔案管理和遠程支援。WebWare通過(guò)集合數據來(lái)幫助客戶(hù)對ABB機器人控制器生產(chǎn)資源的記錄，PLC還有其他工廠(chǎng)設備。通過(guò)微軟IE，WebWare很容易獲得這些數據。
通過(guò)Webware實(shí)現上位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(xiě)機器人的I/O及RAPID變量；
·啟動(dòng)停止機器人運行；
·從機器人接收信息及事件；
·讀取機器人當前位置。
通過(guò)Webware系統，管理人員可以在遠離生產(chǎn)現場(chǎng)的辦公室PC機上，可視化監控現場(chǎng)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備的運行情況，并能夠進(jìn)行生產(chǎn)數據的統計分析，其中目視管理及操作顯示可以圖表形式，反映設備的工藝流程及相應的功能。最終使用戶(hù)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)品監視的空前水平。
5 結語(yǔ)
結合了工業(yè)機器人的多種新技術(shù)及新產(chǎn)品，汽車(chē)底部PVC密封的工藝得到了很大的優(yōu)化，系統解決方案變得更加成熟，尤其是系統的柔性及擴展性，生產(chǎn)的效率及產(chǎn)品質(zhì)量，都得到了極大的提升。
——轉自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號