汽车零部件产品可靠性试验的研究——基于开发和优化工业机器人操作程序

文 /徐 霖 陈 诚 任浩源

目前，汽车行业主要将机器人用于生产线上的装配、焊接和涂装等，在汽车零部件产品检测方面，机器人的使用率并不高。在国外，已有测试机构开始应用机器人来进行一些多动作的可靠性试验，如手套箱的开闭耐久试验、方向盘的调节操作耐久试验等。在国内，对机器人的扩展性能、测试和控制系统的二次开发研究不够深入，现阶段仅在模拟人体进出座椅试验上使用成套的机器人测试装置，而对于其他汽车零部件的可靠性测试，主要还是用气缸、电缸或油缸来进行。

一、基于工业机器人开发汽车产品的可靠性试验

1.汽车产品的可靠性试验的发展趋势

目前,汽车部件的可靠性试验主要是用气缸、油缸和电缸来执行，可以对加载点进行独立的往复或者旋转运动，但在一般情况下，很难在加载点上实现复合运动。近几年，汽车主机厂对于可靠性试验的要求越来越高，制定的标准也尽可能地模拟乘员对汽车产品的实际使用情况。从中可以看出，如果试验室仅仅只有单自由度的执行装置，已经不能覆盖汽车主机厂的试验要求，而拥有六个自由度的工业机器人就能够完全模拟乘员的动作，基于工业机器人开发试验系统就能实现加载点上的复合运动（见图1）。

图1 六自由度复合运动图

2.机器人测试系统的构成

本研究的目的是利用机器人平台可以精确模拟人体运动轨迹的特性，结合传感器、数据采集、可编程逻辑控制器（PLC）、气动装置、电动装置、摄像装置和夹具执行装置等，开发出一套可实现复杂运动轨迹的机器人测试系统（见图2）。

图2 机器人测试系统的构成图

3.可靠性试验台架研发

本研究要解决的首要问题是如何对工业机器人进行试验室环境下的二次开发，在原有的汽车座椅进出模拟试验系统（KUKA Occubot）功能下，开发出满足客户（汽车主机厂）要求的试验台架，并且能够实现多自由度协同控制的试验要求，以替代单自由度的液压缸、电动缸和气缸组合，通过复杂台架的搭建，实现多通道闭环控制试验。

奥迪的转向管柱耐久试验是一个模拟驾驶员按住方向盘左右打方向的试验，需要进行60万次同时控制左右旋转力矩和下压力的可靠性试验。一般情况下，至少需要使用一个闭环控制的旋转缸加上一个闭环控制的直线缸，通过复杂的夹具设计才能够既满足旋转力矩的要求又满足下压力的要求。由于是两个独立的激励组成的闭环控制系统，难免会产生相互干扰和相位不易控制的情况。图3为客户提供的试验曲线示例。

图3 客户试验曲线示例图

通过对该耐久试验要求的分析，本研究重新设计了与机器人匹配的试验台架和夹具（见图4）。经过多次尝试，完成了对机器人软件的编程调教。其间解决了双重激励的输入方式、双闭环系统误差补偿比例的设定、最小修正因子和最大修正量的确定以及相位差的设定等问题，最终实现双闭环控制的可靠性试验。力值反馈试验曲线见图5。

图4 试验台架图

图5 力值反馈曲线

二、各加载头汽车内饰件可靠性试验的研究

汽车上的零部件和乘员身体接触的部位往往是不同的，导致汽车主机厂在制定标准时会有各式各样的加载头（见图6），来对相关部件进行按压耐久试验。当前，座椅相关疲劳耐久试验中，针对不同位置的加载需要更换加载头且更换通常由人工完成，而市场上的机器人快换装置成本高，结构复杂。本研究通过与市场上多种不同产品的比对，设计出了一种与工业机器人配套使用的简易气动快换装置。该装置采用气动插销式结构，具有结构简单，维护保养方便等特点，同时具有安全自锁机构，保证在压缩空气阻断情况下依旧保持主盘与工具盘连接。

图6 耐久性试验加载头

图7 快换装置工作部分现场机器人操作示意图

快换装置工作方式主要步骤如下：

初始状态下，工具盘与气缸插销脱离，与加载头一同放置在支架的加载头放置底座上，工具盘侧边三个平面与定位块接触。机器人连接座固定在机器人工作法兰盘上，连接气缸的控制电磁阀信号线及磁性开关信号线连接至机器人控制器。

试验开始后，机器人带着连接气缸移动至支架上方，控制器发出控制信号，连接气缸活塞杆缩回。活塞杆缩回位置磁性开关有信号，说明此时插销处于解锁位置并与工具盘无接触。接着，缓慢下降直至连接气缸固定座与工具盘接触，此时机器人处于锁定位置。连接气缸活塞杆伸出，活塞杆伸出位置磁性开关有信号，说明插销已经插入销孔中，此时处于锁定状态。机器人带动加载头移动至试验工作位置开始试验。

一段试验完成后，需要更换加载头。机器人带着连接气缸移动至支架上方，缓慢下降，直至工具盘与加载头放置底座接触。控制器发出控制信号，连接气缸活塞杆缩回。工具盘与机器人连接座脱离。机器人带着连接气缸移动至另一个工具盘上方，缓慢下降至锁定位置，重复动作（见图 7）。

三、结 论

本研究依托试验室实际情况和试验能力，着眼于常见的试验形式，基于工业机器人开发出了可以满足主机厂要求的汽车零部件产品可靠性试验系统，并解决了座椅疲劳耐久试验中更换加载头需要停止试验并人工更换的情况。本研究积累了工业机器人的二次开发经验，实现了复杂运动轨迹的可靠性试验和不同加载头的自动更换，不仅能够满足将来汽车主机厂越来越复杂的试验要求，还提高了试验效率，降低了技师的工作强度。同时通过用工业机器人来进行可靠性试验能够更真实地模拟乘员操作，有助于汽车零部件厂家有针对性地提升产品质量。