基于機器人自適應滾邊技術的滾邊工藝驗證

謝躍文 郝俊偉 陳志偉 李金寶 楊廣新 周林柱

摘要：為解決傳統工業機器人滾邊方法依賴大量手動調整，調試效率低且質量控制困難的問題，探討了工業機器人自適應滾邊工具在滾邊壓合工藝中的應用及其對滾邊質量的提升效果，通過試驗驗證了工業機器人自適應滾邊工具在自適應調節滾邊壓力方面的有效性，能夠顯著提高生產調試效率，探討了速度和壓力對滾邊質量的影響以及如何通過監控報警確保設備運行的安全性。結果表明，自適應滾邊系統能夠顯著改善滾邊壓合表面質量。

關鍵詞：滾邊壓合 自適應滾邊系統 表面質量

中圖分類號：TH165+.2；U466?? 文獻標志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230232

Verification of Rolling Process Based on Robot Adaptive Rolling Technology

Xie Yuewen， Hao Junwei， Chen Zhiwei， Li Jinbao， Yang Guangxin， Zhou Linzhu

（China FAW Group Co.， Ltd.， Changchun 130000）

Abstract： The traditional industrial robot rolling method relies heavily on manual adjustment， resulting in low debugging efficiency and difficult quality control. To address this issue， this article explored the application of industrial robot adaptive edge rolling tools in edge rolling pressing process and its effect on improving edge rolling quality. The effectiveness of industrial robot adaptive rolling tools in adaptively adjusting rolling pressure was verified through experiments， which can significantly improve production debugging efficiency. In addition， the article also discussed the effects of speed and pressure on the rolling quality， as well as how to ensure the safety of equipment operation through monitoring alarms. Research has shown that adaptive rolling systems can significantly improve the surface quality of rolling and pressing.

Key words： Rolling pressing， Adaptive rolling system， Surface quality

作者簡介：謝躍文（1989—），男，工程師，學士學位，研究方向為白車身覆蓋件包邊工藝。

參考文獻引用格式：

謝躍文， 郝俊偉， 陳志偉， 等. 基于機器人自適應滾邊技術的滾邊工藝驗證[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 67-72.

XIE Y W， HAO J W， CHEN Z W， et al. Verification of Rolling Process Based on Robot Adaptive Rolling Technology[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 67-72.

1 前言

滾邊工藝是車身制造過程中的重要工藝之一，傳統的滾邊工藝通常需要大量人工調試，速度較慢且質量難以控制。近年來，隨著機器人技術的發展，越來越多的研究關注如何利用力控傳感器實現滾邊工藝的自動化和精度控制?；诹貍鞲衅髦圃斓臋C器人自適應滾邊工具為解決滾邊工藝中的人工操作帶來的速度低和質量難以控制的問題提供了新的思路和方法。

機器人自適應滾邊工具在汽車制造方面有著廣泛的應用前景，可以提高制造效率、降低成本、提升汽車品質[1]。國內外研究者在機器人自適應滾邊工具領域已經取得了一定的研究成果，如ABB公司的機器人自適應滾邊工具，利用氣缸平衡機構實現Z軸方向上的壓力自適應等，但對于滾邊質量的驗證和改進還存在很大的提升空間。

當前行業內工業機器人滾邊壓合工藝設備對壓合力度的控制大多依靠工業機器人運動軌跡進行調整，無法將參數量化，對調試人員的經驗水平要求極高，耗時耗力。一般汽車前蓋滾邊壓合工序的調試周期在一周以上，產品工藝質量隨著零件批次的變化而變化，因此，為提高生產效率，調試一直是產品生產加工過程中難以擺脫的環節[2]。少數帶有單維力度檢測調整的滾邊壓合工具，由于其受力結構的原因難以滿足多個滾輪的力度檢測與調整。

本研究旨在探究基于機器人自適應滾邊工具的滾邊質量驗證方法，具體內容包括機器人自適應滾邊技術原理分析、滾邊質量及其影響因素分析、機器人自適應滾邊工具的滾邊質量驗證試驗、驗證結果分析和結論與展望，研究方法主要包括文獻研究、試驗驗證和數據分析。

2 機器人自適應滾邊技術

2.1 機器人自適應滾邊技術原理

機器人自適應滾邊工具是基于ABB機器人技術和ATI六維力矩傳感器技術，運用結構性設計方法將工業機器人、六維力矩傳感器、滾邊工具結合起來，把滾邊工具中滾輪與工件表面的接觸壓力傳遞到力控傳感器，力控傳感器將物理量轉化為電信號傳遞至機器人控制器，實時監測滾邊壓合過程中的力與力矩，通過算法程序調整機器人的工作位置和壓力，使得滾邊過程更加柔性、精準和高效。圖1為本文采用的自適應滾邊工具設計形式，圖2為控制原理。

2.2 自適應滾邊系統的優化設計

自適應滾邊系統的優化設計主要包括選取合適的工業機器人型號、力與力矩傳感器型號、滾邊壓合工具和滾邊壓合參數等。通過優化可進一步提高滾邊的質量和效率。本文驗證試驗主要部件型號選擇如表1所示。

3 滾邊質量及其影響因素

3.1 滾邊質量指標及評價方法

滾邊質量指標主要包括滾邊凸緣高度、滾邊寬度和滾邊角度、表面波浪、堆料等[3]。評價方法主要包括外觀檢查、尺寸檢查和強度檢查等。

3.2 滾邊質量的影響因素

滾邊質量的影響因素主要包括工業機器人的速度、壓力、沖壓件的翻邊角度等[4]。其中，壓力與速度控制在滾邊工藝中起著非常重要的作用，采集并分析滾邊壓力及速度，有助于優化滾邊工藝效率和提高滾邊工藝質量。本文著重對滾邊過程中的壓力與速度數據進行分析，并予以驗證。

4 基于自適應滾邊技術的滾邊工藝驗證

4.1 試驗設計及方法

本文所用設備集成了自適應滾邊工具（包含ATI六維力與力矩傳感器）、ABB工業機器人和汽車前蓋滾邊夾具，通過此平臺設備對滾邊工藝質量進行驗證試驗，仿真效果如圖3所示。圖4中該平臺通過ATI六維力與力矩傳感器完成力矩數據采集，運用采集到的壓力數據對滾邊工藝中的速度和壓力進行優化和控制以改進滾邊質量。

4.2 自適應滾邊工具的主動調整效果分析

設置2組對比試驗，每組執行多次滾邊試驗，其中，第1組保證前蓋外板與胎膜夾具之間保持完全貼合，第2組試驗在前蓋外板與胎膜夾具之間增加厚度為0.3 mm的墊片，模擬零件匹配不良的生產狀態（缺口、突起等），滾邊過程中機器人的運行速度、壓力設置一致，采集壓力曲線進行觀察分析，以探究零件間隙對滾邊過程的影響。

4.3 自適應滾邊過程速度對質量的影響

將機器人滾邊的速度分別設置為不同的值，并保證壓力恒定，工件表面無異常凸起狀態，采集壓力曲線進行觀察分析，以探究速度對滾邊過程的影響。

4.4 自適應滾邊過程壓力對質量的影響

將機器人滾邊的壓力分別設置為不同的值，并保證速度設置恒定，采集壓力曲線進行觀察分析，以探究壓力對滾邊質量的影響。

4.5 自適應滾邊調節過程中的壓力位置及速度監控報警測試

將機器人的運行速度或壓力設置為超出上限狀態，觀察機器人運行狀態，監控機器人運行日志信息。

5 試驗驗證及結果分析

5.1 試驗驗證

根據前文分析的影響因素，分別設置了不同的滾邊參數進行試驗，包括機器人的速度、壓力、工件表面貼合狀態等。

5.2 試驗結果分析

通過試驗采集到了大量關于滾邊質量的數據，并進行了分析和統計，結果表明：機器人自適應滾邊工具的自適應效果對滾邊質量的改進非常顯著。

a. 設置機器人速度V恒定為100 mm/s，滾邊壓力Fz恒定為1 250 N，制造異常凸起狀態和完全貼合狀態，如圖5a所示，壓力曲線如圖5b所示。

對比圖5b與圖6b曲線可知：在零件貼合出現異常凸起時，自適應滾邊工具依然能夠通過主動調整保持滾邊壓合過程中的壓力恒定。

b. 設置機器人壓力Fz恒定為1 250 N，通過更改機器人速度進行試驗，采集壓力曲線。

由圖7中各曲線對比分析試驗結果可知：當機器人運行速度小于150 mm/s時，自適應滾邊工具能較好地保持恒壓狀態，隨著速度的提高，滾邊壓合力的波動變大，對質量影響較大。

c. 機器人速度V恒定為100 mm/s，通過更改壓力進行試驗，采集壓力曲線。該試驗中，每段曲線對應設置的壓力值如圖8所示。

對比試驗結果可知：當1 100 N

d. 機器人速度V恒定為100 mm/s，更改滾邊恒力值進行試驗，采集壓力曲線。

由圖10可知：自適應滾邊工具可以很好地適應現場壓力數值的調整，因此，可根據不同工件設置不同的壓力參數以改善滾邊質量。

e. 當機器人工具中心點（Tool Center Point，TCP）速度或壓力超出上限時，工業機器人停止運行并產生如圖11、圖12所示的報警日志信息。本文中TCP速度與參數限制如表2所示。

5.3 滾邊質量優化效果分析

分析試驗結果可知：在實際生產中，通過改變滾邊參數，自適應滾邊系統能夠有效保持滾邊壓力穩定，前蓋風窗波浪缺陷由C1改善為C，實現滾邊壓合表面質量提升。

6 結束語

本研究基于機器人自適應滾邊工具的滾邊質量驗證試驗，證明了機器人自適應滾邊工具通過滾邊壓力的自適應調節有效提高了生產調試效率，滾邊壓合過程可量化調整，無需對工業機器人進行繁瑣復雜的軌跡示教工作，同時也保證了在加工過程中的壓力控制。但如何進一步提高滾邊工藝的自動化程度和精度控制需要繼續探索。

參考文獻：

[1] 張云， 農明滿， 雷志華. 機器人滾邊技術淺析[J].汽車工藝與材料， 2016（1）： 1-5+10.

[2] 孟繁秋. 基于工業機器人控制的滾邊壓合技術研究[D].長春： 吉林大學， 2010.

[3] 張寶紅. 汽車車門常用包邊工藝比較及技術難點分析[J]. 汽車實用技術， 2019（12）： 162-163+182.

[4] 石雄， 范懿， 黃祥， 等. 機器人滾邊質量缺陷及改善方法[J]. 汽車工藝與材料， 2018（3）： 40-42.