智能机器人滚边系统技术研究及应用

熊利新，丁　华，王昱昕，唐慧芳，高文杰

（浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江 杭州311228）



专论与综述

智能机器人滚边系统技术研究及应用

熊利新，丁华，王昱昕，唐慧芳，高文杰

（浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江 杭州311228）

摘要：结合某车型开闭件滚边工装开发，研究了满足汽车研发试制工艺要求的机器人滚边技术方案，解决了要求汽车试制车间最大限度柔性化等一系列技术问题，并通过仿真技术，验证了该技术方案的可行性和可靠性，为机器人滚边方案技术研究和应用提供了参考。

关键词：开闭件；机器人；滚边；柔性化

随着世界汽车工业的快速发展，市场竞争日渐白热化，要求车型更新换代快速，产品开发周期极大缩短，开发成本不断降低，以高品质和高速度的新车型迅速响应市场。汽车白车身外覆盖件（发动机盖、行李箱盖、车侧门、天窗顶盖、轮罩等）作为其关键部件，其内外板的连接方式一般为包边工艺，包边尺寸和质量直接影响了白车身的制造装配精度。因此，在汽车开发制造过程中，广泛采用柔性化技术并能提高产品质量尤为重要，这样，机器人滚边技术应运而生。

机器人滚边压合技术作为一项新型的包边工艺技术，较传统包边方法，包括压机折边模具、Table Top包边、专机、液压站手工包边技术和纯手工包边等，具有技术成熟，易实现柔性化作业，成型美观，生产率较高，设备一次性投入和维护成本低，占地面积和操作空间小，包边质量稳定且调试周期短等许多显著特点，逐步得到越来越多的国内外汽车厂的青睐［1-2］。

汽车的试制试装过程作为其研发的关键一环，对产品设计、量产工艺、量产工装、控制计划和生产制造以及订单管理、供应商管理、生产管理和质量管理系统的全面充分模拟、测试和验证工作，起到了重要作用，因此，需要实现设备工装最大限度柔性化，保证满足现有和未来研发产品以及新材料、新工艺和新工装研究开发的需要。

本文结合某车型的开闭件滚边工装开发工作，研究满足汽车研发试制工艺要求的机器人滚边技术，通过解决相关技术问题，并使用仿真技术，验证该方案的可行性和可靠性。

1　机器人滚边工作岛布局

焊装车间包括主拼、小线、滚边和激光四大部分，机器人滚边工作区作为主线关键工作站之一，根据白车身试制整体装配制造工艺流程规划要求，布局在主线的090工位站，与激光工作站和外覆盖件装调线毗邻，如图1所示。

图1　焊装车间整体布局图

机器人滚边工作站必须能满足试制车间后期验证量产工艺要求，新开发车型共用一个滚边岛，实现左右前侧门、左右后侧门、发动机盖、行李箱盖和天窗顶盖的包边，主要任务是机器人自动涂胶和机器人滚边两大工艺作业。为满足以上要求，保证后期产品精度，经过反复讨论验证，机器人滚边系统决定采用如图2所示布局，根据厂房规划要求，滚边工作站平面尺寸为长×宽：26000 mm×10700 mm，使用一台机器人本体系统，预留一个机器人位置，保证能满足小批量生产要求，根据滚边负荷，决定选择型号为IRB6700的ABB机器人；机器人两边各安装一条FLEXTRACK系统，作为机器人第七轴，同时，也是滚边胎模和夹具的滑道和载体，每条FLEXTRACK两端各安装两个胎模基座，通过联接机构，固连在一起，滚边胎模由定位机构精确的安装在对应的基座上，FLEXTRACK系统把胎模从上、下件位置送到机器人工作区域涂胶和滚边，完成后返回到起始位置；滚边岛配置的自动涂胶系统由控制柜和涂胶枪组成，控制柜与PLC控制柜、机器人控制柜、FLEXTRACK控制柜一起布置在安全围栏一侧，涂胶枪和滚边头装置布置在机器人旁边，由换枪盘实现功能快速切换；安全系统由安全围栏、安全光栅、SCANER和安全门组成，安装在机器人工作范围和人工上、下件等工作范围处，安全设备通过PLC控制，用于保护设备和人身安全；零件修复检查台、资料架和零部件物料框布置在滚边岛四周，实现快速取件和放件；为保证不同车型快速切换，采用胎模切换系统，它由钢构、EMS和运输存放机构组成。

图2　机器人滚边岛布局图

2　机器人滚边岛工艺过程

汽车车身开发过程中，为保证外覆盖件外观美观平顺而广泛采用的包边技术是指薄板折边后包住另一薄板的成型工艺，如图3所示，外板完全包裹并固定住内板，使两零件不再产生相对移动［3］。

图3　包边过程图

滚边技术作为一种特殊的包边工艺技术，具有开发周期短，成本低廉，柔性化程度高，应用广泛等许多优点，适用于许多材料，包括现在研究较多的铝车身。如图4所示，机器人滚边技术是利用装在机器人第6轴上的滚边头装置上的滚轮，在胎模工装的作用下，以一定的压力和压合角，接触工件外板的翻边，使外板包住内板的工艺过程。根据滚轮型式的不同，可以形成各种不同型式的滚边，满足车身开闭件产品性能要求，如表1所示，普通滚边应用广泛，开闭件大部分部位采用普通滚边；翻转角度为180°滚边主要应用于天窗顶盖；水滴滚边对板材延展性要求低，主要应用在需要碰撞保护的发动机盖；直滚边和半滚边应用在一些拐角处，外板折弯一个角度，与内板无重叠；对于一些外观要求非常高的开闭件，可以采用V型滚边。

图4　滚边工艺图

表1　滚边类型表

根据以上要求和平面布置方案，焊装车间机器人滚边岛，满足试制车间最大限度柔性化要求，适用于现有和未来所有车型的开发工作，如图2所示，主要包括：机器人系统、滚边头装置系统、FLEXTRACK滑轨系统、胎模切换系统、安全系统、PLC控制系统和自动涂胶系统等主要设备。该滚边岛共有四个小工位组成，左后门和左前门；右后门和右前门；后背门1和后背门2；天窗顶盖和机盖，一个小工位的滚边胎模在运行工作过程中，并不影响其它小工位的上件和夹紧等准备工作的操作过程，极大提高了试制工作效率。该滚边岛主要操作工艺过程如下：首先把工件（侧门、机盖、后背门及天窗顶盖）外板放在滚边胎模上，进入机器人工作位置，机器人自动涂折边胶和减振膨胀胶，完成后，返回到起始位置；再把工件内板总成扣合在外板上，定位夹紧后，再次进入机器人工作区，完成机器人滚边，返回到起始位置，夹具打开，取下总成。

为保证两款车型的顺利切换，同时快速便利的实现不同车型的试制滚边，专门开发的胎模切换系统能精确的保证该功能的实现，首先用胎模运输存放机构把需要的胎模移动到切换区域，再把滑轨上的胎模气电快速接头断开，用EMS机构把胎模吊起，通过定位夹紧机构放在另一个胎模存放小车上，接着EMS把需要切换的胎模精确的放在滑轨基座上，定位夹紧后，气电快速接头连接，实现供气供电。

3　某新研发车型试制滚边工装开发和工艺分析

针对某新车型四门、两盖和天窗顶盖，所需要设计开发的工装，主要包括胎模、定位夹紧机构和附属联接机构，必须和滚边岛通用设备具有很好的可联接行和可拆卸性，满足很好的人机工程，保证最终的滚边质量和尺寸公差要求。

首先根据定位夹紧信息RPS（Reference Point System），设计胎模和定位夹紧工装，考虑到FLEXTRACK承重量和气缸重复性使用，要能最大限度满足柔性化需要，同时，必须压紧到机器人滚边施力区，保证滚压过程中，内外板之间不会发生任何形式的窜动，夹紧定位工装决定采用小气缸单独压紧，为保证支撑稳定性和耐磨性，滚边胎模采用整体铸造。

针对新车型开闭件数模，通过PD/PS（Process Designer/Process Simulate）工艺仿真软件，对产品数模进行仿真分析，通过反复仿真分析，反馈分析结果，对产品结构尤其是翻边长度和翻边角度，提出合理性修改建议，同时，不断完善工装夹具和胎模的设计。比如，通过仿真分析，后背门采用一套胎模不能完成全部滚边过程，决定开发两套胎模，如图5所示，胎模一用于上、下外板与内板总成的包边，胎模二用于上外板和下外板的包边。滚边头装置是滚边工艺的核心，综合考虑产品结构和生产节拍要求，在保证最终产品质量的前提下，要求减少更换滚头频率，采用三套滚边头装置，共六个滚轮。

图5　后背门工艺仿真

滚边工艺对产品翻边长度和翻边角度提出了更为严格的要求，通常要求工件外板翻边角度为90°到115°，当超过120°，需要进行预翻边；对于直线和拐弯半径大于800 mm，翻边长度取7 mm到9 mm，拐角半径小于10 mm，翻边长度取3.5 mm并且采取半包或者不包边的工艺。在保证最终产品质量的前提下，对于滚边压入角，可根据胎模边沿切角和滚边次数确定，如图6所示，CX11天窗顶盖滚边工艺为五次，从里到外分别是180°—135°—90°—60°—30°—0°.

图6　天窗顶盖滚边工艺

4　机器人滚边离线编程和调试

随着仿真技术的快速发展和广泛应用，通过仿真软件对机器人滚边进行离线编程，把离线程序导入机器人系统，再进行人工微调，可大大缩短滚边现场调试时间，减少人工调试成本，保证滚边质量，顺利推进项目进度等方面起到了重要作用。

该车型工装设计和机器人滚边岛通用设备确定后，根据工艺要求，进行工装带产品数模仿真，自动生成滚边离线程序，通过与PLC控制系统进行联调，保证自动化顺利实现，图7为人机交换操作界面。

图7　PLC人机交互界面

滚边调试主要以产品最终质量为标准，滚边后工件外表面平顺，不能因滚边后而出现褶皱、压痕、凹凸不平，划痕和压不实等质量缺陷；保证手摸无任何异常感觉；在光照条件下，外观反射平顺；周边边沿轮廓要求平顺光滑，无任何突出或者凹进现象，不涂折边胶的情况下，滚边后的总厚度不应大于2.3 mm（内、外板厚度均为0.7 mm）。究和应用，提供了参考。

5　结束语

本文研究规划了试制焊装车间机器人滚边系统技术方案，结合某新车型工艺要求，开发了机器人滚边岛所需的通用设备和该车型工件滚边专用工装，研究了满足汽车研发要求的试制机器人滚边工艺，并通过仿真技术，验证了该方案的可行性和可靠性，为机器人滚边技术在产品研发和制造过程的深入研

参考文献：

［1］张宏伟.机器人滚边技术在汽车制造中的应用［J］.机器人，2007，（10）:24～29.

［2］陈勇.机器人滚轮包边工艺及应用［J］.汽车工艺及材料，2011，（8）:50～58.

［3］孟繁秋.基于工业机器人控制的滚边压合技术研究［D］.长春：吉林大学，2008.

Intelligent Robot System Piping Technology Research and Application

XIONG Li-xin，DING Hua，WANG Yu-xin，TANG Hhi-fang，GAO Wen-jie
（Zhejiang Geely Automobile Research Institute，Hangzhou Zhejiang 311228，China）

Abstract：Combined with the roller hemming tooling development of closures for one vehicle type，this thesis studied the robot roller hemming technical proposal that could satisfy the requirement of automobile research and development and prototype process，and solved a series of technical problems which required the maximum flexibility in vehicle prototype workshop.Then the technical scheme verified is very feasible and reliable by simulation technology.At last，it provides a reference for robot roller hemming technical proposal research and application.

Key words：closure；robot；roller hemming；flexibility

中图分类号：TH165.2

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0080-04

收稿日期：2015-12-24

作者简介：熊利新（1986-）男，湖北黄冈人，硕士，工程师，研究方向：机械电子工程。