2021年第2期
2021No.2
汽车工艺与材料
Automobile Technology &Material
罗维
（广汽乘用车有限公司，广州511434）
摘要：主要研究整车总装车间设备的柔性自动化。从零件柔性自动化装配实现思路、零件柔性自动化装配在总装的应用2方面阐述广汽总装零件的柔性自动化装配应用，并从方案概要、设备构成、关键部件以及功能等进行了详细的说明，为将来需要导入该柔性自动化设备的人员提供参考。 关键词：自动化装配
总装车间
柔性化中图分类号：TP29；U468.2+2
文献标识码：B
DOI:10.19710/Jki.1003-8817.20200309
Research and Application on Flexible Automated Assembly of
Vehicle Parts
Luo Wei
（GAC Motor Co.,Ltd.,Guangzhou 511434）
Abstract ：This paper mainly studies the flexible automation of equipment in vehicle assembly workshop,elaborates the application on flexible automatic assembly of final assembly parts from the realization of the idea of flexible automatic assembly of parts and its application on final assembly,then gives a detailed description of the scheme outline,equipment composition,key components and functions,which provides a reference for the personnel who need to introduce the flexible automatic equipment in the future.
Key words:Automated assembly,Assembly plant,Flexibility
作者简介：罗维（1988—），男，助理工程师，学士学位，研究方向为总装工艺规划、物流规划、智能制造。参考文献引用格式参考文献引用格式：：
罗维.整车零件柔性自动化装配研究应用[J].汽车工艺与材料,2021（2）：54-62.
LUO W.Research and Application on Flexible Automated Assembly of Vehicle Parts [J].Automobile Technology &Material,2021(2):54-62.
1前言
总装车间的特点是工艺多样化，零件多样化，
线体多样化。为实现总装车间零件装配技术条件复杂多样的要求，必须使用机器人感知技术对装配过程及结果进行检测。早期的机器人只能根据设定的程序或是根据示教轨迹进行动作的循环重复。而通过机器人传感器，感知各种自身内部状态，并把状态从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息，从而使机器人具备感知能力，能够感知与自身工作状态相关的机械量，如角度、位移、速度、加速度、力和力矩等。随后，机器人就能够根据实时感知的信息对自身的动作进行及时调整，对出现的偏差进行及 时修正，实现机器人动作过程的闭环控制，实现零件的自动化装配。
2零件柔性自动化装配实现思路
射线灯要实现零件的柔性自动化装配，首先要有机
械结构保证设备能够适应不同的产品结构，实现多平台多车型的零件抓取装配；其次通过生产监控系统提供的车型派生信息以及传感器检测双重判断车型信息。通过工装上的检测传感器对零件进行车型派生识别；再次通过工装上的对中夹紧机构保证每个零件在机器人抓取前的坐标点一致；然后通过附带在机器人抓手上或者固定于生产线边的视觉相机、激光头对车身装配点进行定位识别并引导机器人抓取零件进行精确装配；最 生产装备罗维：整车零件柔性自动化装配研究应用
后通过设计故障备用方案实现故障快速解决，整个系统由PLC系统、机器人视觉系统控制。
2.1机械结构兼容技术
目前汽车厂1条生产线规划共线至少3～4款车型，部分线体可能还要兼容多个平台的车型共线生产。多平台多车型共线生产将会产生多种产品尺寸以及产品结构，设备为实现多平台多车型的兼容，必须
在机械方面适应产品结构以及产品尺寸，而零件的原点定位以及零件的结构兼容需重点实现，本系统从对中夹紧机构以及夹具变距切换结构2方面进行解决。
2.1.1对中夹紧结构
机器人抓取零件实现高精度装配的1个很重要的前提是机器人抓取零件的原点位置精度高，而现有的零件为人工上线方式，同时不同车型零件造型尺寸不一致，因此零件通过输送线到达机器人抓取的等待点时，不同车型派生以及每台车零件到达机器人抓取的原点位置都会不相同，为实现零件原点位置高精度定位，本系统设计了零件对中夹紧机械机构。主要通过在设置零件对中台或者在输送线零件停止位增加对中夹紧机构方式实现每1个零件的相对位置一致。该方式可在风挡玻璃、轮胎零件上体现，以风挡玻璃为例，如图1所示，设置风挡玻璃夹紧对中台，对中台设置5个滑柱，底部2个滑柱保持不动，1号、2号、3号滑柱通过气缸对中夹紧与释放，可实现多车型不同尺寸的风挡玻璃对中定位。
2.1.2夹具变距切换结构
实现多车型柔性化装配首先需要产品方面的一致性尽可能高，我们可以输出一些工艺约束给设计，确保设备夹具可以兼容多车型的产品。但是由于市场以及设计的需要，类似一些产品造型尺寸方面无法实现工艺约束设计，因此我们需要在夹具上设计变距可切换结构来实现多车型抓取兼容。以轮胎为例，
不同平台车型轮胎拧紧螺栓分度圆不一致，A平台车型轮胎分度圆为108mm，B平台车型轮胎分度圆为120mm，有些平台差异还比较大，不同平台车型还有5轴拧紧与4轴拧紧的区分。为实现切换平台车型无需切换抓手，因此在抓手设计上增加拧紧轴对应的伸缩气缸，可实现拧紧轴的自动变距功能，如图2所示。
2.2车型派生识别防错技术
对于1套智能设备，不但要考虑多车型共线的设备机械结构兼容，还要考虑如何实现车型派生的防错。对于总装车间而言，随着车型容纳数越来越多，1条生产线需要兼容3～4款车型，而每款车型根据顾客的需求设计多种派生，比如同一款车型至少有3个尺寸规格的轮胎，而4款车型共线生产则会有12种规格的轮胎，由于派生太多，以往通过人工装配也会有错装的风险。有些派生的零件由于识别错误甚至导致装配的产品以及设备本身出现损坏，因此采用自动化的设备装配更是要实现车型派生的识别防错功能。本系统车身派生识别防错主要通过气路手段、电气手段、视觉识别手段以及智能监控系统手段。
2.2.1气路手段
气路手段主要针对可以通过气杆定位夹紧且不同车型派生尺寸不一致的零件，比如风挡玻璃、轮胎，通过在气缸上增加位移传感器，对零件尺寸进行测量，并通过与开始设定的位移量进行对比防错。如
图3所示为直线式位移传感器，通过输出直流电压信号，将位移、尺寸等物理量转换为容易计量的电信号。
图1风挡玻璃对中夹紧台3号滑柱
1号滑柱2号滑柱
图2
轮胎自动变距抓手
图3位移传感器
滑动触点
接线端子
微型轴承
外壳
导电塑料
滑动触点
电压引出轨道
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第2期
汽车工艺与材料
2.2.2
电气手段
电气手段主要针对有特征的车型或者零件，
通过特定的传感器对车型或者派生零件的差异点进行检测，传感器将信号输送给PLC ，PLC 程序对信号进行辨别，一旦出错则进行报警。如图4所示，当PLC 收到上位系统发来的车型信息时，自动启用该车型识别传感器进行识别，传感器检测到有信号则进行下一步动作，否则停线并报警等待人工确认。
2.2.3
视觉识别手段
视觉识别主要是针对不能通过气路手段以及
电气手段满足的零件，比如通过输送线输送而来的座椅、有不同花纹的轮胎。这些零件在机器人取件前相对位置比较固定，可以通过相机对目标零件的孔、边缘等进行拍照，获取图像后与数据库里面的派生图像进行比对得出派生后再与上位系统提供的车型派生进行比对，如图5所示，当两者信息对比一致时则进行下一步动作，否则停线并报警等待人工确认。
2.2.4
智能监控系统手段
为了实现车身信息对智能设备的准确传达及
监控，导入智能监控系统，线体关键工位采用超高频RFID 的方式，RFID 的芯片放置在车身顶部，芯片上的信息包含了车辆基本的车身号（VIN 码）以
dr探测器
及车辆配置信息（MTOC ）。从线体第一工位AF-ON 开始放置一直流动至车辆下线AF-OFF 处，中间无RFID 形式变化，无芯片变化。当车辆逐辆经过每一条线的线首时，线首的RFID 硬件读取芯片上的
信息并形成当前线体的车辆队列，保存在监控系统PLC ，保证队列稳定性和实时性。通过以上流程，监控系统PLC 存储车间在线流动车辆队列，并经监控层网上传至监控层，实现总装车间在线车身流动自动化监控。
通过形成的线体车辆队列，系统根据工位信息将其发送给智能设备，智能设备根据VIN 码及MTOC 进行校验、程序识别，最终实现车型、派生防错，特别是为了加强校验效果，在智能设备处，如风挡机器人、轮胎机器人、座椅机器人工作站布置了RFID 读写头，用于专用设备的车型派生识别，并将识别获得的车型信息与MES 队列进行校验，
如判断不一致则将发送信号给设备停止生产。2.3
视觉检测引导技术
由于零件要求的装配精度非常高，比如风挡玻璃装配精度高达±1mm 。受限于设备的精度差异远远不能满足装配的高精度，因此，除了通过设置快速进入、快速移出的车位设置，在连续流动的生产线节拍中，抢出部分时间，让在快进、快出车位中间的少数车位静止，从而实现少数车位固定式装配方式，形成静止作业区[1]，以便于装配车体的定位之外对车身吊具滑板进行定点定位，更重要的是导入视觉系统对定位情况进行实际测量，得出偏差值进行修正，提高定位精度。视觉引导系统就像给机器人装上了一对“眼睛”，在机器人精度高、重复性好的特点上，增加了整体系统的柔性，恰好可以解决
总装自动化应用需求的问题[2]。
摄像头根据节拍或者精度要求可以选择固定在地面或者固定在机器人抓手上，如图6所示。
视觉引导系统根据测得的零件相对于零位状
图4
传感器检测车型示意
红车识别传感器蓝车识别传感器黄车识别传感器
图5视觉识别对比
拍摄实物图像
数据库图像
视觉判断车型派生
交互式拼接屏上位系统发送信息
A35：OA2
A35：OA5
A35：OA8
A35：OA2A35：OA2
对比一致
图6
摄像头装配位置示意
固定在地面
固定在机器人抓手
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生产装备态下位置及姿态的偏差来修正机器人运动轨迹，因此在初始调试机器人取件轨迹时，需要对零件进行零位测量建模，以记录零件在零位状态下的位置及姿态。零位测量与正常测量一样，通过视觉传感器对零件进行拍照，即可测得的零件的位置及姿态。但是零位测量时机器人不抓取零件，只进行测量。如图7所示，正常生产过程中，视觉传感器对零件进行拍照，得到实际的零件位置和姿态，并与零位位姿进行对比，通过一系列计算后得到机器人offset 值，并基于此偏置信息调整机器人运动轨迹。
视觉系统通常要获取目标物的3D 坐标，常规技术有的双目视觉技术以及激光点云成像技术2种方式。双目视觉技术是基于视差原理，如图8所示，2个相机在同一时刻同时观看空间物体的同一特征P 点，左右2个相机获取了P 点的平面图像，而不能获取空间坐标，通过与开始标定的坐标进行值对比，得到视差图像之后便可以确定深度图像，并恢复场景3D 信息。
激光点云成像技术就是镜头将可见激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD 线性相机接受，根据不同的距离，CCD 线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。
根据这个角度已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。通过不断发射激光并回收信号便可生成无数的点云，利用这些点云进行深度成像，并恢复3D 场景，如图9所示。
2.4PPA 预案
在实施智能化、自动化设备方案后，不可避免
的会出现设备故障，而一旦出现设备故障将会造成生产线的暂停，严重影响生产的效率。因此在设计自动化设备时也应该考虑设备出现异常时候需要应对的方案，尽可能的避免对生产造成的影响。故障智能应对主要有2点对应思路：
a.通过设计相关的硬件以及程序，在工作站内相关的设备可以互为备用，从而保证在某一台设备故障时，另外一台设备可以调用备用程序继续完成故障设备的作业内容。
b.设计相关的硬件或者程序，保证在设备故障时候可以将装配的零件快速输出人工补充装配，
图7视觉系统引导原理
测量位置处的工件坐标系
零位处的工件坐标系
测量零点时确定的零件姿态
参考坐标系
测量结果=相对于其零位的偏差和旋转
图8双目视觉引导原理
左像机光轴
左图像
右图像
右像机光轴
基线距B P （x ,y ,z ）
研磨粉
Y Y
X X 图9
防水摄像头激光视觉引导原理
（c ）风挡玻璃胶型激光检测成像
（b ）风挡玻璃胶型检测区域
（a ）激光三角成像原理
CCD 相机
长度已知
角度已知
激光
轮廓线
聚光镜
激光器
接收透镜
光电探测器
参考位置
P P
x β
α
a
o o y
b
风挡玻璃胶型激光检测
罗维：整车零件柔性自动化装配研究应用
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第2期
汽车工艺与材料3.2.1
风挡玻璃自动装配工作站
广汽风挡玻璃自动装配流程主要包含上件底
涂、输送、对中夹紧、涂胶、视觉检测、自动装配6个方面，如图11，机器人夹持玻璃涂胶、胶固定安装，涂胶完成后机器人自动安装玻璃。依靠集成在夹具上的激光扫描仪自动检测安装位置，安装精度可达±1mm [3]。
IT维保整个工作站核心配置4大系统，机器人系统，包含4套机器人、机器人底座和夹具；输送系统，包含2套皮带线、对中台和翻转机；视觉系统，包含2套车身双目视觉、车身激光扫描仪和胶型激光扫
描仪；涂胶系统，包含2套涂胶泵、定量机和胶。整个布局如图12所示，滑板输送线中间布置，南侧为2台前后挡视觉机器人，负责对车身进行视觉扫描。北侧为2台前后挡涂胶机器人，负责对玻璃进行抓取涂胶以及装配。2台涂胶机器人中间为集成双涂胶塔，涂胶固定在涂胶塔上。前后挡输送线对称布置在涂胶机器人两侧，主要是输送定位玻璃作用。
为实现风挡玻璃柔性自动化装配，机械结构上，首先设置了风挡玻璃对中台，实现了1个对中
台可兼容所有车型风挡玻璃尺寸以及纠正由于上件导致的玻璃定位误差。其次为了兼容不同车型的风挡玻璃尺寸，在机器人抓手上设计兼容。如图13所示，后挡玻璃机器人抓手设置了6个红可移动顶杆，这些顶杆通过气杆驱动位移，当生产
从而降低生产停线的时间。3零件柔性自动化装配在总装的应用
随着汽车市场竞争日益激烈，各汽车品牌不
断向市场投放新车型，一方面生产线对于车型的容纳数有限，另一方面为了降低生产成本，柔性自动化装配成为了迫切需要解决的问题，当前国内外已经出现了部分零件自动装配案例，但是应用不够深入，推广不够全面。3.1
零件自动化装配在汽车总装的应用发展历程中国汽车工业起步较晚，自动化在总装的应用在上世纪80年代才兴起，但是也仅限于对风挡玻璃的自动涂胶，在零件自动装配工艺上还没有案例，如图10，直到2012年，长安福特才与ATN 合
作完成了国内首套风挡玻璃自动装配工作站。自主品牌广汽传祺在2016年也实现了上件、涂胶、装配全自动的风挡玻璃装配站，随后的几年时间里，广汽传祺快速完成了座椅自动投放、轮胎自动装配、
车门自动随行涂胶、前端模块自动装配等自动装配。3.2
零件柔性自动化装配在广汽传祺的应用案例广汽传祺近年来大范围的推广应用了风挡玻璃自动装配、座椅自动投放以及轮胎自动装配工作站。以最新应用工厂广汽宜昌为例，对于工作站的生产节拍要求为48s ，设备开动率≥99.8%。而工作站对于车间要求地面载荷为≥3t/m 2，电压为3×380V±10%三相四线制，机器人功率为30kW/单台，压缩空气压力为0.4～0.7MPa 。
图11风挡玻璃装配工艺流程
86420
自动化程度/%
二十世纪80年代2012年
2014年2020年——
时间
探索期
（1980~2012）
启动期
（2012~2014）高速发展期（2014~2020）成熟期/创新期（2020——）风挡玻璃、侧窗自动涂胶
国内开始尝试使用机器人对风挡玻璃自动涂胶
风挡玻璃自动装配
长安福特与ATN 合作率先对风挡玻璃进行自动涂胶并自动装配
轮胎自动装配座椅自动投入
天窗自动涂胶装配仪表自动装配
前端模块自动装配车门自动涂胶
质量自动检测工件随行装配机器人协同作业
广汽与ABB 合作对风挡玻璃、轮胎、座椅实现自动装配
ABB 、FANUC 等传统机器人企业提出协同机器人，将实现机器人与人共同作业
图10中国工业机器人在汽车厂总装的应用发展历程
上件、涂底涂
输送等待
对中夹紧
玻璃涂胶
视觉检测
机器人自动安装
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