汽车空调组件安装中前围机械手轨迹控制与安装调试
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摘 要：以上汽大众宁波工厂二期前围机械手的安装调试为例，针对前围机械手轨迹控制与安装调试需求，制定了详细的安装计划，着重对汽车空调组件安装中前围机械手轨迹控制与安装调试的相关内容作一分析阐述。安装工作完成后极大地提升了汽车空调组件的组装效率。期望本文的撰写可以为相似项目提供参考。
关键词：汽车空调系统;机械手;气动机械臂;轨迹控制
汽车工业是我国支柱型产业，是经济发展的增长点，从1960年第一台空调装配在一汽红旗轿车上开始，汽车便迎来了空调装置。机械手优点众多，主要由机械部分、传感部分和控制部分组成。本项目的机械手分为五大部分，即行走轨道、行走电机部分、气动手臂、机械夹具和电器柜控制。鉴于汽车前围在整个流水线安装中至关重要，因而做好轨道安装是关键环节，本次项目轨道安装过程中特别对每块钢板质量进行了现场检测，确保轨道误差小于0.2mm。等待吊装工作完成后，在安装轨道导向轨时要严格将平行误差控制在2mm以内，且需要对轨道平整度进行二次检测，保证轨道安装质量。
1 项目概况
2017年2月上海维荻机电技术有限公司承接上汽大众宁波工厂二期前围机械手的安装调试，项目地点位于浙江省宁波市慈溪市海滨路258号，本项目的设计安装工作均由上海维荻机电技术有限公司负责。具体的安装内容包括机械手驱动安装、行走轨道安装、气动机械臂安装与轨迹控制等内容。计划在第一周内完成机械设备的安装工作，第二周开展电气安装调试，积极控制好整体工程工期和质量，对每天的施工情况加以汇总，争取在提前2天内完成调试工作。
2 机械手结构与自由度选取
2.1 机械手结构
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三部分组成，手部的作用是抓持工件，按照结构可以分为夹持型、吸附型和托持型。运动机构的升降、伸缩及旋转等运动方式统称为机械手的自由度，当自由度越大，机械手的灵活性也会越强，一般来说，机械手的自由度有2～3个。从我国当前机械手应用情况来看，如果按照驱动方式的不同，可以将机械手分为液压式、电动式、气动式和机械式机械手这四种;如果按照适用范围来分类，可以将机械手分为专用机械手和通用机械手两种形式;按照运动轨迹控制方式的不同可以将机械手分为连续性控制机械手和点位控制机械手两种[1]。
机械手的结构由气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构及旋转基座组成，具体的结构如图1所示。图中的“1”是机械手的气控机械手，“2”是机械手的XY轴丝杠组，“3”是机械手的转盘机构，“4”是机械手的旋转基座。机械手的夹紧装置采用关节结构，旋转基座的作用是支撑气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构三部分。
2.2 坐标形式与自由度
汽车空调组件安装中常见的机械手按照坐标形式的不同大致可以分为4种：直角坐标型机械手、球坐标型机械手（极坐标型机械手）、圆柱坐标型机械手以及多關节型机械手。此次项目所采用的机械手坐标形式为圆柱坐标型机械手，因圆柱坐标型机械手结构相比于其他三种，更加简单紧凑，定位精度也高于其他三种，占地面积较小。坐标形式确定之后，按照本次项目的实际安装需求，机械手的自由度有3个，即手臂伸缩、手臂升降与手臂回转。
2.3 机械手驱动方案
作为机械手的重要组成部分，驱动结构在机械手中发挥着重要的作用，机械手的工作性能很大程度上取决于驱动设计方案。按照动力源的不同，机械手的驱动机构大致可以分为四种，即液压驱动、电动驱动、气动驱动及机械驱动。因为实际安装需求，所设计的三自由度机械手是一种混合式的机械手，拥有电动式驱动和气动式驱动两者共同的优点，在节省行程开关与PLC的I/O端口方面发挥着重要的作用，具有操作简单和精准定位的优势[2]。
3 机械手控制系统工作原理
通过应用机械手控制系统可以实现对机械手工作顺序、运动轨迹、运动时间和速度等的控制，可以帮助机械手按照作业要求完成各项工作任务。机械手控制系统工作原理是通过机械手对每一个自由度电机加以控制，进而完成特定工作，同时接收来自传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编写程序实现所要功能。
4 机械手安装技术探究
4.1 动作流程规划
此次机械手动作规划方案的具体内容是：当汽车空调组件到达时机械手系统即开始动作步进，促使电机驱动纵轴上升，而另一个步进电机驱动横轴会按照预先设置好的流程向前走，此时转盘直流电机的转动作用可以让机械手整体运动，进而转到汽车空调组件实际的安装部位。然后，步进电机可以再次驱动纵轴发生下降，到达指定位置时可以气阀放气，松开组件，此时一个动作流程完成，系统回位后继续开始下一波动作。
4.2 行走轨道安装
两根行走轨轨道由3cm钢板拼成，表面经过热处理可以保证硬度和耐磨损度，要求轨道整体高低差不能超过2mm，尤其是拼接接头处不得出现高低不平。另外，因为电机小车是靠硬质轴承轮运动，轨道接头有高低，会在使用过程中产生跳动和声响，如果情况严重会导致小车偏转造成停车挤住。因此，鉴于行走轨道安装极易受到其他因素的影响，为了充分保证行走轨道安装的安全性与顺利性，此次安装首先对用在安装中的每块钢板质量进行了现场检测，保证轨道误差不高于0.2mm，采用的检测工具以电子数显卡尺为主;而后对安装作业面进行现场实地测量，明确钢构的水平情况，一般水平高低相差5cm是可以通过后期安装调节轨道吊脚板找回;最后在现场标记激光打线并拉线标记便于安装，此过程需要注意的一点是，拉线必须固定在现场，安装轨道吊脚板后要再次测量水平高低，进而完成轨道板的铺设。移动小车安装较为简单，等待吊装工作完成后，轨道导向轨的安装要特别注意平行误差，需要将平行误差控制在2mm以内，切记不可以紧靠轨道板。如果安装过程中发现导向轮靠轨道板太紧，则要立即进行调整，保证两者之间保留1～2mm间隙。另外，还需要对轨道平整度进行二次检测。 4.3 气动机械臂安装与轨迹控制
气动机械臂是自动机械化发展过程中形成的一种新型装置，可以按照既定程序自动控制手臂实现工具的操作。另外，气动机械臂避免了工作人员接触危险性工作，比如组件安装过程中所处的高温、高压及放射性环境等。鉴于气动臂的重量约为200kg重，实际安装过程中存在很大的难度，最后决定采用手拉葫芦进行吊装工作。安装工作完成后要及时安排接线和气管供气，最后需要做的工作是联接机械夹具，在此过程中务必要在机械臂安装后通气再安装。
从当前气动机械臂轨迹控制应用来看，主要的控制方法有FID控制、神经网络自适应控制、模糊自适应控制、滑模变结构控制这四种。FID控制方法是一种基于过程的控制方法，应用最大的优势是不需要系统建模，控制率高，但这种方式存在难以处理系统模型中的不确定性问题，不宜用于气动机械臂高速运动的控制。神经网络自适应控制在气动机械臂轨迹控制中应用广泛，根本原因是这种控制方式具有很强的学习能力，并利用并行分布式结构充分逼近任意复杂的非线性关系，能够保证气动机械臂轨迹稳定，在控制气动机械臂关节位置和速度误差中具有显著的成效。模糊自适应控制也不需要构建数学模型，可以利用控制知识，消除轨迹与理想值之间的误差，直接调整控制器的参数，保证气动机械臂轨迹控制效果。本项目气动机械臂轨迹控制采用神经网络自适应控制，实际控制效果显著。
4.4 控制电器柜安装
控制电器柜安装时要先对主电路进行查看，确定主电路需要的功能，而后对控制电路进行分析，通过控制电路确认主电路，并注意控制电路有无特殊情况。在配线时，要将所有元器件的接地线全部接好，同种电压的一起连接。電器柜的上方或者下方需要按照需求开穿线孔，孔的口径和数量需要严格按照穿线数量和防水接头的型号来确定，一般来说，穿线孔位置设置时要保证控中心到电器柜后板的距离为50mm，开孔孔径控制为70mm。
5 系统调试
系统调试方案包括机械设备和电气设备两方面。机械设备的调试方案内容是水平度调节依中间下沉处为准两边调节螺栓增大夹板间隙，左右调节时一边高低相差5mm。电气设备的调试方案内容是安装全部电器设备，检查主电路，电动检查接触器控制电路，由技术人员现场模拟动作检查机械手动作的连贯性和准确度，用上汽大众车底盘检测设备在工作环境的稳定性，配合上汽大众生产速度调节机械手的夹取速度。调试方案验收依据大众生产加工合同中的相关规范要求，以满足工厂生产要求为准。经过现场测试与生产对比，本项目设备完全满足设计要求，符合大众下达的生产设计要求，圆满完成项目。
6 结论
汽车空调组件安装中前围机械手轨迹控制与安装调试中涉及的知识点和技术内容较多，本项目实际进行过程中所面临的困难主要来自于机械手轨道控制方面，重点体现在行走轨道安装与气动机械臂轨迹控制两方面。通过分析研究，主要通过规划动作流程、安装行走轨道及轨迹控制等技术完成机械手安装工作，而后重点从机械设备和电气设备两方面开展了系统调试工作。经过现场测试与生产对比，生产成果满足设计要求。
参考文献：
[1]张文嵘，刘丽娜，钱程.热泵型纯电动汽车空调系统特性[J].制冷学报，2018，39（06）：109-114.
[2]范希营，曹艳丽，郭永环，等.小型汽车空调器支架注塑模具的设计与分析[J].制造技术与机床，2019，681（03）：158-161.
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