柔性化高速輸送系統(tǒng)在焊裝生產(chǎn)的應(yīng)用

李建收，汪 娟，倪 寶，陳榮國，薛盛智

(奇瑞汽車股份有限公司 規(guī)劃設(shè)計一院，安徽 蕪湖 241006)

0 前言

隨著汽車市場的發(fā)展，汽車的車型越來越多，更新?lián)Q代的周期越來越短，這些變化對汽車主機(jī)生產(chǎn)廠商提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，原來的車型規(guī)劃單一的生產(chǎn)方式不僅生產(chǎn)效率低，而且設(shè)備通用性低，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前汽車規(guī)劃的發(fā)展趨勢。面對新車型的生產(chǎn)規(guī)劃，主機(jī)生產(chǎn)廠家已經(jīng)摒棄了每種車型就要建一條焊裝線的方式，要求焊裝生產(chǎn)線能夠滿足多車型柔性混線的要求。而從投資效益最大化來講，新車型的規(guī)劃發(fā)展趨勢就是要求幾個車型共用一條焊裝生產(chǎn)線。

在奇瑞的焊裝線規(guī)劃中，整體思路就是多種車型共用一條焊裝主線。如M11/M12/A01三種車型共用一條焊裝主線，Q22/Q22B、S18C/S18D、B12/B23/B21等每條焊裝主線都是2～3種車型共用，并且在以前舊有的老焊裝主線改造中也在不斷嘗試規(guī)劃新的車型能共用舊的車型。

隨著奇瑞汽車股份有限公司的高速發(fā)展，新車型的規(guī)劃大部分實(shí)現(xiàn)了焊裝主線車型的多種混線生產(chǎn)，可是焊裝主線的多車型混線柔性化生產(chǎn)帶來另一個問題。根據(jù)原來的規(guī)劃，車型的二級總成焊接線一般不采用混線生產(chǎn)，而是分區(qū)域獨(dú)立布置在主線的兩側(cè)附近，這樣主線多車型柔性化生產(chǎn)工藝布局方式就給二級總成焊接線的布置帶來了復(fù)雜的問題。如果按照原來的規(guī)劃思路，有幾種車型共線，就要規(guī)劃布置相應(yīng)車型的二級總成焊接線，這樣需要較大的廠房空間、更多的夾具焊接設(shè)備，車型銷售的冷熱不均又會造成部分焊接設(shè)備利用率的低下。故此焊裝主線柔性化生產(chǎn)和二級總成單一車型的生產(chǎn)成為一個新的矛盾。為了充分合理的利用廠房空間，解決焊裝主線柔性化生產(chǎn)和二級總成單一車型的生產(chǎn)前期規(guī)劃中的矛盾，奇瑞規(guī)劃設(shè)計一院在2010年后新規(guī)劃的A16項(xiàng)目、M16項(xiàng)目等焊裝二級總成生產(chǎn)線中，開拓出了柔性高速滾床臺車輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二級總成焊接線多車型切換生產(chǎn)的目標(biāo)。

在二級總成焊裝線上實(shí)施的柔性高速輸送系統(tǒng)比現(xiàn)有的輸送系統(tǒng)具有以下較大的優(yōu)勢：（1）合理地利用廠房空間，多種車型共用輸送系統(tǒng)，減少設(shè)備布置空間。（2）設(shè)備利用率高，通用設(shè)備實(shí)現(xiàn)共用，避免設(shè)備數(shù)量過多，降低設(shè)備投資成本。（3）投資效益高。

目前奇瑞大連工廠A16項(xiàng)目的焊裝車間二級總成焊接線上，采用的就是由奇瑞規(guī)劃設(shè)計一院設(shè)備規(guī)劃部自主研發(fā)的柔性高速輸送系統(tǒng)。該輸送系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在A16項(xiàng)目焊裝工藝中的發(fā)艙、前地板、后地板等二級總成的焊接線上，如圖1～圖4所示，成功實(shí)現(xiàn)了四種車型快速切換高速輸送的目標(biāo)，提高了設(shè)備利用率和整體焊裝線的生產(chǎn)效率。

圖1 A16后地板二級總成焊接線

圖2 柔性高速輸送系統(tǒng)

圖3 正在夾具廠家調(diào)試的A16項(xiàng)目柔性高速輸送系統(tǒng)側(cè)圍滾床臺車系統(tǒng)

圖4 M16項(xiàng)目柔性高速輸送系統(tǒng)側(cè)圍滾床臺車系統(tǒng)三維布置圖

1 柔性高速輸送系統(tǒng)的原理

柔性高速滾床臺車輸送系統(tǒng)的原理是利用滾床臺車的高低不同的輸送面和齒輪齒條直線輸送的設(shè)備，按照一套完整的電氣控制程序，實(shí)現(xiàn)夾具臺車在x-y方向的高速切換、輸送等柔性化生產(chǎn)目標(biāo)的一套系統(tǒng)。

2 柔性高速輸送系統(tǒng)的組成

該輸送系統(tǒng)可以滿足多車型快速切換，混線生產(chǎn)的輸送目標(biāo)。整體為平面“十”字布置結(jié)構(gòu)，主要有上件工位、過渡工位、臺車存儲工位、切換工位、焊接工位等區(qū)域組成，具體如圖5所示。

上件工位是一臺升降滾床，上件時滾床下降到最低位，臺車降落到固定的臺車支撐機(jī)構(gòu)上，夾具通過氣電快速插頭連通打開，工人進(jìn)行上件操作；上件完成，滾床上升到最高位，等待輸送。

過渡工位是一臺不升降而只起直線輸送作用的滾床。

圖5 高速滾床輸送系統(tǒng)

夾具臺車存儲工位是存儲多車型焊接夾具臺車的區(qū)域，沒有生產(chǎn)任務(wù)的空夾具臺車就放置到該區(qū)域，或者空夾具臺車、帶件夾具臺車臨時存儲的工位。

轉(zhuǎn)接切換夾具工位是輸送的一個關(guān)鍵工位，由一臺升降滾床坐落在齒輪齒條輸送設(shè)備上。當(dāng)進(jìn)行一種車型生產(chǎn)時，升降滾床降落到最低點(diǎn)，起固定滾床直線輸送的作用；當(dāng)需要進(jìn)行車型切換時，升降滾床將從上件工位/焊接工位/存儲工位等其他工位輸送到該工位的夾具臺車頂?shù)阶罡唿c(diǎn)，此時齒輪齒條輸送設(shè)備沿y軸線平移，實(shí)現(xiàn)夾具臺車由x-y方向的互相轉(zhuǎn)變。

根據(jù)車型的數(shù)量，夾具臺車存儲工位、轉(zhuǎn)接切換夾具工位可以增加或減少，如圖5所示。當(dāng)只有5.1工位時，可以實(shí)現(xiàn)兩種車型柔性生產(chǎn)，當(dāng)有5.1、5.2工位時，可實(shí)現(xiàn)四種車型的柔性高速輸送生產(chǎn)。

焊接工位就是進(jìn)行人工焊接或自動化焊接工件以及把焊接完成的工件轉(zhuǎn)運(yùn)下一工位的區(qū)域。為了保證焊接過程焊接質(zhì)量的穩(wěn)定及較高的生產(chǎn)節(jié)拍，該工位由兩臺升降滾床坐落在一臺快速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，一臺焊接，另一臺等待；焊接時滾床下降到最低位，等待時滾床上升到最高位。

3 柔性高速輸送系統(tǒng)的實(shí)施說明

如圖5所示，焊接工位A2夾具臺車進(jìn)行焊接作業(yè)時，上件工位的夾具臺車A1就可以趁著A2焊接的時間進(jìn)行上件作業(yè)。

當(dāng)上件工位人工完成A1上件作業(yè)時，如果焊接運(yùn)轉(zhuǎn)工位A2焊接還沒有完成，則工位2的升降滾床就會頂升A1，A1脫離夾具固定機(jī)構(gòu)，把A1輸送到焊接運(yùn)轉(zhuǎn)工位6的等待焊接的升降滾床上面；當(dāng)A2焊接完成后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到位后，A1開始焊接，A2輸送到上件工位進(jìn)行上件，如圖6所示，從而實(shí)現(xiàn)了快速切換輸送生產(chǎn)的目標(biāo)。

圖6 A車型循環(huán)生產(chǎn)示意

如圖6所示，A1焊接完成，A2正在進(jìn)行上件作業(yè)，此時需要進(jìn)行A/B車型切換，則A1滾床上升從焊接工位旋轉(zhuǎn)180°到等待焊接工位，運(yùn)行到夾具轉(zhuǎn)接切換工位5.2，該工位的滾床上升齒輪齒條機(jī)構(gòu)沿y向平移到存儲工位，滾床下降把夾具臺車A1放置到存儲工位；齒輪齒條再回到轉(zhuǎn)接切換工位5.2等候帶件夾具臺車A2通過；當(dāng)上件工位2的A2上件作業(yè)完成后，工位2的升降滾床頂升；夾具臺車A2沿著x方向輸送到旋轉(zhuǎn)等待焊接工位6，工位6的升降滾床下降到最低點(diǎn)，A2脫離滾床被放置到夾具固定機(jī)構(gòu)上面，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)把A2旋轉(zhuǎn)到焊接工位開始焊接，如圖7所示。

圖7 B車型開始切換示意

在帶件臺車A2通過轉(zhuǎn)接切換工位5.1后，工位5.1的齒輪齒條平移機(jī)構(gòu)把滾床沿y向平移到車型夾具臺車B2存儲工位，滾床上升B2夾具臺車落到齒輪齒條升降滾床上，隨平移機(jī)構(gòu)一起回到工位5.1，滾床下降，然后沿x向把B2輸送到工位2進(jìn)行車型B的上件作業(yè)，如圖8所示；同理，充分利用焊接時間和上件時間不同的時間差，輪流完成A車型和B車型的不間斷切換生產(chǎn)，如圖9所示。

圖8 B車型開始上件示意

圖9 車型切換完成示意

4 柔性高速輸送系統(tǒng)的電氣控制

4.1 高速滾床輸送系統(tǒng)硬件組成

高速滾床系統(tǒng)采用變頻器獨(dú)立完成定位工作；變頻器組速度環(huán)、位置環(huán)，并且位置反饋由無到有的過程，速度控制到位置控制，控制模式的可靠切換均采用PLC判斷切換邏輯，發(fā)切換命令給變頻器的方式；采用SICK OLM100條碼尺作為臺車的位置反饋裝置，輸出信號格式SSI（格雷碼）；采用電機(jī)同軸安裝增量型編碼作為速度反饋裝置，增量編碼器單圈脈沖數(shù)大于等于1024，輸出信號格式12 V線性。

羅克韋爾PF755變頻器（見圖10）包含一個內(nèi)置以太網(wǎng)端口和五個可選插槽，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行定制。選件模塊包括I/O、反饋、安全、附加通信和輔助電源。通過便利的推拉式設(shè)計，輕松操作變頻器，實(shí)現(xiàn)快速安裝和維護(hù)。

4.2 高速滾床輸送系統(tǒng)軟件控制原理

圖10 Rockwell PF755變頻器

高速滾床輸送系統(tǒng)軟件控制采用的是PLC、變頻器的閉環(huán)控制，變頻器的起停控制由PLC發(fā)送信號控制，PLC與變頻器之間采用PROFIBUS DP總線控制方式。高速滾床的速度、位置控制采用變頻器閉環(huán)控制方式。檢測馬達(dá)轉(zhuǎn)速的編碼器和滾床位置的編碼器，直接接入變頻器的編碼器板卡，變頻器通過編碼器反饋數(shù)據(jù)，應(yīng)用變頻器內(nèi)部的閉環(huán)控制模型現(xiàn)了高速滾床速度、位置控制的功能。

要實(shí)現(xiàn)PLC對變頻器的控制，需要配置一些參數(shù)，如圖11所示。

4.3 變頻器軟件調(diào)試

（1）Download變頻器程序。

恢復(fù)變頻器參數(shù)到出廠默認(rèn)值，基于DriveTools軟件（版本DriveTools5.04），將交接程序下載到變頻器中。

圖11 高速滾床輸送系統(tǒng)軟件設(shè)置

（2）檢查變頻器旋轉(zhuǎn)方向。

在輥床上無滑撬的情況下，檢查變頻器的旋轉(zhuǎn)方向，可以通過變頻器“start up”向?qū)е械摹癟est”選項(xiàng)來完成。確保變頻器的正向與實(shí)際滑撬的正向運(yùn)動相同。

（3）更改變頻器Profibus板卡的網(wǎng)絡(luò)地址。

更改DriveTools軟件Profibus-DeviceParameter-參數(shù)5 Net Addr Cfg，將同頁面參數(shù)7 Rest Module進(jìn)行Reset Module操作，方可生效。

（4）檢查DeviceLogix功能是否使能。

下載程序后，變頻器DeviceLogix中的參數(shù)53為LogixDisable狀態(tài)，改變其為LogixEnable狀態(tài)后可啟動DeviceLogix功能，使其受PLC控制。

（5）觀察變頻器位置控制動態(tài)響應(yīng)過程。

下載程序是與PLC完成聯(lián)調(diào)的變頻器程序，變頻器的預(yù)設(shè)位置值、位置環(huán)的速度值、啟動信號等均由PLC控制。通過PLC給定相關(guān)參數(shù)，并觀察變頻器位置控制定位效果，如果定位效果不佳，可以從以下幾個方面考慮調(diào)整。

a.檢測位置編碼器的屏蔽線是否連接。

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)該屏蔽線對于動態(tài)過程有一定的影響，將編碼器屏蔽線按照手冊進(jìn)行接線。

剛開始，我們還信心滿滿，搭得飛快，但每次我們連開頭的龍形都沒有搭完，骨牌就一連串地倒了。我們一次次地嘗試，發(fā)現(xiàn)龍形搭起來并不簡單，特別是轉(zhuǎn)彎的時候，兩塊骨牌不能平行，不然等下后面的牌會壓不住前面的牌。兩個人吃一塹長一智，小心翼翼地合作，好不容易搭出了龍形最難的U字形部分，不禁長長地松了一口氣。誰知道，氣松得太早了，我的手不小心帶倒了中間那塊骨牌，只聽“嘩啦啦”，搭好的“龍”向兩頭潮水般倒了下來?！鞍?，都這么長了！太可惜了！”我們兩個都驚叫起來。

b.對變頻器進(jìn)行AUTOTUNE自整定。

在輥床上沒有滑撬的情況下（自整定過程電機(jī)需要運(yùn)行），對變頻器進(jìn)行自整定，包括動態(tài)整定、慣量整定。整定方式通過DriveTools軟件或者是變頻器面板來完成。

c.調(diào)節(jié)變頻器位置環(huán)、速度環(huán)Kp，Ki參數(shù)值。

不同工位雖然電機(jī)、負(fù)載相同，但是由于機(jī)械安裝的不同也會造成電機(jī)負(fù)載不同，可以通過調(diào)節(jié)位置環(huán)、速度環(huán)的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般先調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)速度環(huán)，再調(diào)節(jié)外環(huán)速度環(huán)的方式。位置環(huán)參數(shù)：839—Psn Reg Kp，838—Psn Reg Ki；速度環(huán)參數(shù)：645—Speed Reg Kp；647—Psn Reg Ki。注意：速度環(huán)PI參數(shù)只有在參數(shù)639為0的情況可手動變更，否則PI參數(shù)為根據(jù)639參數(shù)值自動計算的方式獲取。

5 柔性高速輸送系統(tǒng)的到位精度控制

柔性高速輸送系統(tǒng)由于具有高速輸送、高速切換的特點(diǎn)，因此為了保證輸送切換到位的精度，應(yīng)力求在機(jī)械和電氣方面做到完美結(jié)合，達(dá)到到位準(zhǔn)確的目標(biāo)。

5.1 升降滾床的下部固定支座和上部活動骨架之間的x-y定位控制

對于升降滾床上部活動骨架在x-y方向的定位，采用軸承沿導(dǎo)向桿上下滾動的方式如圖12所示。導(dǎo)向桿為四面體固定在下部支撐基座上，x向限位輪和y向限位輪固定在上部活動骨架上，整套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前后四組布置，保證上部活動骨架在x-y向的定位精度。

對于升降高度的控制通過前后四組擺臂凸輪同步驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，在下降時上部活動骨架落在四根支撐柱上保證上部活動骨架的穩(wěn)定，如圖13所示。

5.2 臺車夾具的定位控制

臺車夾具運(yùn)行中在y方向的定位機(jī)構(gòu)是兩個導(dǎo)輪卡著一根軌道滾動，兩組導(dǎo)輪放置在臺車的前后兩端，軌道固定在滾床上部，臺車高速運(yùn)行時導(dǎo)輪就沿著軌道滾動，限制臺車在y方向的偏移，保證在y方向的定位精度。

圖12 升降滾床上部活動骨架在x-y方向的定位

圖13 升降高度的控制

臺車夾具運(yùn)行中在x方向的定位機(jī)構(gòu)是讀碼器和抱緊機(jī)構(gòu)雙重控制（見圖14）。編碼尺固定在臺車上隨臺車移動，讀碼器固定在滾床上部，抱緊機(jī)構(gòu)固定在滾床上部。當(dāng)臺車運(yùn)行到讀碼器一定距離開始減速，到位后電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，抱緊機(jī)構(gòu)抱緊臺車并糾正到位。

圖14 臺車夾具運(yùn)行中x方向的定位機(jī)構(gòu)

通過機(jī)械和電氣的控制，可以保證白車身和臺車夾具的配合精度為：x方向±0.1mm，y方向±0.1 mm。這樣的精度能保證白車身的焊接質(zhì)量。

通過奇瑞大連A16項(xiàng)目及五工廠M16項(xiàng)目在二級總成焊接線的應(yīng)用推廣，相信該柔性高速輸送系統(tǒng)必將應(yīng)用越來越廣。