現代化的柔性化車身裝焊製造模式，是伴隨著機器人、全新制造技術、工業控制網路和資訊化互動控制系統的組合應用，實現高自動化率、高度柔性化、高生產效率和閉環系統控制的先進製造過程。在這其中，機器人是生產線的驅動和執行機構，全新制造技術在白車身製造上的應用，是以高速發展的機器人驅動技術作為載體來實現的。
北京賓士N車型裝焊生產線，集成了賓士製造體系先進的熱連線技術、冷連線技術、塗膠連線技術、自檢測輔助加工技術和自動質量監控系統。為實現上述先進的技術和系統，該生產線納入了數百套KUKA機器人和KR C4機器人控制系統組合，以實現定位、焊接/連線、加工、檢測/監控和輸送等功能。本文介紹了基於KUKA機器人驅動的全新車身製造技術在北京賓士N車型裝焊生產線上的應用。
KUKA機器人及機器人控制系統
KUKA機器人系統由機器人本體、控制櫃和示教器三部分組成（見圖1）。在N車型裝焊生產線上，基於應用需求，根據負載能力、臂展長度等引數及特殊指標，共選用了15種型號的KUKA機器人。
KUKA機器人本體由機器人底座、機器人轉盤、機器人氣液平衡缸、機器人連桿臂、機器人手臂和機器人中心手等部分組成（見圖2）。機器人驅動系統採用機電一體化設計，所有軸都是由數字化交流伺服電動機驅動，交流伺服驅動系統有過載、過流、缺相和超差等各種保護，效能安全可靠。先進的設計令機器人能夠高速、精確和穩定地執行，並易於維護。機器人運動的軌跡十分精確，重複定位精度小於±0。06 mm。機身的主要移動部件（除臂部外）由碳酸纖維鑄成，重量輕、扭力大且韌性強，具有較高的機械效能和較強的抗振動能力。上述特點為KUKA機器人在裝焊生產線上實現精確、高效和穩定的帶負載按程式執行提供了基礎保證。
KR C4機器人控制系統是一個結構清晰且注重使用開放、高效資料標準的系統架構。這個系統架構中整合的所有安全控制、機器人控制、運動控制、邏輯控制及工藝過程控制，均擁有相同的資料基礎和基礎設施，並可以對其進行智慧化使用和分享，使系統具有最高效能、可升級性和靈活性。
機器人驅動全新制造技術的應用
作為自動化裝焊生產線的驅動和執行機構，機器人控制系統從工業網路控制系統獲取資訊，驅動機器人，同時調動技術控制系統，按照預先編制的機器人程式，執行預定運動軌跡，並整合工具執行專項技術包程式。在N車型裝焊生產過程中，以下幾種製造技術透過機器人驅動實現製造過程。
1。機器人伺服點焊技術
電阻點焊是裝焊生產線上應用最為廣泛的熱連線技術。N車型裝焊生產線，應用了360餘臺ARO中頻伺服點焊鉗和BOSCH RexrothPSI6000型中頻焊接控制器，輔以自動電極修磨/更換系統。在焊接機器人系統中，機器人伺服控制器控制伺服焊鉗的伺服電動機，相當於機器人的一個附加工裝軸，透過伺服電動機編碼器的反饋資料準確控制電極的移動量，使焊鉗移動側電極的行程運動處於機器人控制當中。與傳統的氣動焊鉗相比，伺服焊鉗有以下優點：
（1）焊接質量更高焊鉗伺服電動機輸出轉矩可以透過控制伺服控制器輸出來控制，故可按需設定每一焊點的焊接電極壓力；焊鉗閉合加壓時，上下電極軟接觸控制逐漸加壓，減少衝擊，提高焊點質量。
（2）生產成本更低伺服焊鉗可透過伺服電動機控制及編碼器反饋，計算兩電極接觸位置，從而計算出電極磨損量，進而對電極執行長度進行補償，確保正常加壓，提高焊接質量；同時提高電極使用率，降低生產成本。
（3）加工效率更高伺服焊鉗可在機器人控制下，實現移動和電極夾緊/張開同時動作，減少單點焊接迴圈時間；焊鉗張開度也可根據工件情況調整，在避免碰撞/干涉的前提下，節省焊鉗過量開合所佔時間。
2。機器人鐳射焊技術
在N車型裝焊生產線上，鐳射焊技術得到了全面應用。鐳射遠端掃描焊、鐳射填絲熔焊和鐳射釺焊3種鐳射焊接技術，基於位置、強度和外觀需求，分別應用在車身的不同位置。基於鐳射焊的安全性要求和技術特點，必須在機器人驅動下實施自動焊接。
（1）鐳射遠端掃描焊接（RobScan）技術
鐳射遠端掃描焊接技術是戴姆勒集團自主研發的全新鐳射焊接技術。RobScan使用相對較長的聚焦光纖和掃描鏡，以控制工件上的聚焦光束；同時，由於採用較輕重量和高度動態的掃描振鏡，可實現快速移動焊接，減少了非焊接的移動、等待或過渡時間，提高了交付能力。與普通鐳射焊接技術相比，RobScan具備焊接速度更快、更精確、可達性好、維護成本低、機器人運動軌跡更簡單、更柔性化以及鐳射到達性更好等特點。在N車型白車身上，RobScan主要應用於車門、後圍板等零件的焊接。
（2）鐳射釺焊技術
鐳射釺焊技術，是透過聚焦光束照射在焊絲表面，使焊絲受熱充分熔化形成高溫金屬熔體，在自適應振鏡組自由擺動焊縫牽引模式下，利用液體對固體的潤溼以及釺縫間隙毛細作用完成連線。該技術的主要特點，是鐳射光束只熔化銅基焊絲而不熔化板材，從而保證了板材不會受熱變形，適用於對密封性和外表美觀/平整度有較高要求、對強度無過高要求的焊縫位置。在N車型車身上，鐳射釺焊主要應用於後備箱外露面上下板拼接。
（3）鐳射填絲熔焊技術
鐳射填絲熔焊技術，是透過自適應式鐳射振鏡組結合送絲系統實現焊接的焊接技術。該技術結合了鐳射焊接技術擁有的高效精密、成形美觀、易於自控和填絲焊接技術焊縫強度高等優點。與前面兩種鐳射焊接技術相比，鐳射填絲熔焊可實現更高強度的焊縫。在N車型車身上，該技術應用於車身前端縱梁區域板件搭接。
3。機器人冷連線技術
隨著汽車輕量化需求的不斷提升，鑄鋁結構件和薄板鋁基衝壓件在N車型車身上得到了大量應用，同步帶來了多種應用於鋁-鋼和鋁-鋁連線的冷連線技術，包括半空心自衝鉚技術、高速射釘鉚技術、流鑽螺釘技術和壓鉚技術。基於壓鉚、半空心自衝鉚連線點數量大的需求，以及高速射釘鉚、流鑽螺釘對驅動系統衝擊力和速度的需求，這幾種技術均需要透過機器人系統來實現自動連線。
（1）半空心自衝鉚技術是特製鉚釘在撞針推動下穿透鉚釘端板材之後，在鉚模的作用下鉚釘尾部的中空結構擴張刺入鉚模端板材，產生咬邊效果，從而形成牢固的鉚接點。鉚接過程發熱極小，不會導致板材受熱變形，適用於各種不同板材間連線及多層板連線。半空心自衝鉚工藝過程如圖3所示。
（2）高速射釘鉚技術是戴姆勒與Boellhoff共同開發的技術，目前只在賓士品牌的部分車型上使用。該技術是一種單向高速的連線技術，使用帶倒鉤螺紋的釘子。在釘子敲入板材時，螺紋尖端與鐵板發生尖端熔化產生焊接效果；若連線的是鋁板，則材料鋁會填充到螺紋的倒鉤中，形成金屬張力，保證連線點質量。高速射釘鉚技術工藝過程如圖4所示。高速射釘鉚技術可以以60顆/min的速度進行連線，加工效率僅次於鐳射焊。由於是單向連線，可以最佳化許多工藝流程，使得過去一些複雜的分裝工作得以替代，最大化地優化了節拍；同時裝置相對簡單，單純使用氣路進行驅動，系統中採用模糊控制自補償系統，能在工作中自我調節工藝引數，使裝置始終保持最佳狀態。
（3）流鑽螺釘技術是一種使高速旋轉的鑽尾螺釘施加壓力後轉入板材、使兩塊板材緊密貼合的技術。鑽尾螺釘的旋轉速度約為5 000 r/min，施加力達到1。5 kN，可有效地在鑽頭尖端與應用面之間透過摩擦力產生區域性熱量集中，當熱量足夠大時，螺釘透過金屬表面塑性變形而穿透形成擠壓。在螺釘安裝過程中，材料隨螺釘尖端在螺紋軋製過程中進入而形成一個狹長表面，形成比傳統緊韌體更強的連線。在混合材料新型連線工藝中，流鑽螺釘技術連線強度最高，因此全部應用於定位連線點。流鑽螺釘工藝過程如圖5所示。
4。機器人塗膠連線技術及自動塗膠監控系統
塗膠技術的廣泛應用是賓士車身製造工藝的特點之一。在N車型白車身上，總塗膠長度超過170 m，塗膠量顯著大於其他競品車型的塗膠長度（50～80 m）。有研究者對後端防撞鋼樑定位區域分別採用僅焊點連線、僅塗膠（結構膠）連線以及“焊點+塗膠”連線3種連線的樣件展開重錘對比試驗。試驗結果如圖6所示。結果表明，僅焊點連線的總成件被壓潰；而僅塗膠連線的總成件和“焊點+塗膠”連線的總成件，衝擊能量得到了良好的吸收，總成件仍保持正常高度。
可見塗膠連線為車身碰撞安全性提供了更加可靠的保障。車身塗膠類別，主要包含點焊結構膠、密封膠、減振發泡膠和折邊膠等幾大類別，實現加強結構、密封防水防塵、降低噪聲和防腐蝕等功能。在N車型裝焊生產線上，機器人自動塗膠系統按照預設軌跡，對車身各區域實施塗膠操作。與人工塗膠相比較，機器人塗膠提供了更為精確的工藝符合性和更高的加工效率。
質量控制方面，早期自動化塗膠透過膠機來控制質量，質量控制效果存在缺陷。隨著機器人塗膠的大量應用，ISRA自動塗膠監控系統被引入，用於機器人塗膠質量線上監控。ISRA自動塗膠監控系統是一種線上影象監測系統，主要部件為帶有攝像頭、LED燈區及保護罩的影象感測器和控制櫃，是整個系統機器人的一個子站。機器人塗膠過程中，ISRA系統啟用獲取影象資訊功能。每隔固定的距離，系統自動將獲取的一張監控影象與標準影象做對照，監控塗膠寬度、塗膠長度及是否斷膠，並將比較結果反饋給機器人，進而反饋給PLC。ISRA自動塗膠監控系統工作原理如圖7所示。
5。STFP機器人自檢測輔助加工技術
為提升成車尾燈裝配精度，北京賓士裝焊生產線引入了將戴姆勒開發的Best Fit“最佳匹配”檢測系統與ECKOLD成形衝孔機完美結合的STFP（Soft Touch Form & Pierce，即軟接觸成形衝孔）尾燈定位區域自檢測輔助加工系統。STFP系統由機器人、Best Fit鐳射檢測系統和塑形衝孔機組成。透過Best Fit系統，線上檢測白車身尾燈裝配輪廓定位精度，擬合出尾燈裝配的理論定位系統，進而確定實現尾燈裝配的“最佳定位”。透過成形衝孔機，塑形出X向定位面位置，衝出確定Y/Z向的定位孔。此技術的應用，幫助每一輛白車身加工出“個性化”最佳定位基準，將因白車身尺寸波動/偏差造成的潛在尾燈裝配波動降至最低，保證了量產成車的裝配精度穩定性。STFP系統工作過程如圖8所示。
結語
在賓士N車型車身裝焊生產線上，基於全新一代KUKA機器人系統的驅動，並伴隨著新型鋁基車身材料的應用，機器人伺服點焊技術、機器人鐳射焊技術、機器人冷連線技術、機器人塗膠技術及自動塗膠監控系統和STFP機器人自檢測輔助加工技術等得到了全面的應用，為車身製造實現高生產效率、高工藝精度和系統質量控制提供了參照方案。
