汽車(chē)焊裝生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)研究

段晨旭

摘 要： 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)中。本文以汽車(chē)制造業(yè)中柔性化程度最高的焊裝生產(chǎn)線(xiàn)為對(duì)象，通過(guò)研究焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法，希望能夠?yàn)楹秆b生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)提供一些新的思路。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；焊裝線(xiàn)；自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 焊裝生產(chǎn)線(xiàn)簡(jiǎn)介

焊裝生產(chǎn)線(xiàn)是將帶有焊槍和抓手的工業(yè)機(jī)器人、焊裝夾具、周邊管線(xiàn)設(shè)備、物流裝置和控制電路這幾部分集成起來(lái)所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。焊裝線(xiàn)上的工業(yè)機(jī)器人一般采用六軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人，每個(gè)軸上所安裝的伺服電機(jī)能夠保證工作范圍內(nèi)任意位姿的可達(dá)性，焊裝線(xiàn)上的抓取、焊接、涂膠等都能交給它完成。此外，工業(yè)機(jī)器人還具有編程靈活的特點(diǎn)，可根據(jù)工藝流程的不同來(lái)調(diào)用合適的工藝處理程序。選擇焊裝生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)代替工人手工焊接夠極大地提升生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化、柔性化和智能化程度，顯著提高焊接精度和質(zhì)量，同時(shí)能夠降低人工成本，縮短生產(chǎn)周期。

2 焊裝線(xiàn)的工藝規(guī)劃

焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的工藝規(guī)劃必須滿(mǎn)足產(chǎn)品各個(gè)部分的工藝要求，焊裝線(xiàn)上的工藝種類(lèi)眾多，其中自動(dòng)化程度和資金預(yù)期直接決定了工藝規(guī)劃的方向[1]。焊裝線(xiàn)工藝規(guī)劃首先需要確定產(chǎn)品各部分的上件工序，隨后進(jìn)行各工序的焊點(diǎn)分配，同時(shí)分析各工位的生產(chǎn)節(jié)拍、核算人機(jī)工效、整線(xiàn)物流分析等工作，最終得到相對(duì)合理的焊裝線(xiàn)初步規(guī)劃。

2.1 工藝規(guī)劃的意義

工藝規(guī)劃的合理程度決定了焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的可實(shí)現(xiàn)性，直接影響焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)發(fā)周期和成本。進(jìn)行焊裝線(xiàn)工藝規(guī)劃具有如下幾點(diǎn)好處：

（1） 優(yōu)化焊裝生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)方案，減少投資成本。

（2） 確定工藝流程，平衡生產(chǎn)節(jié)拍，盡量避免停機(jī)等待現(xiàn)象。

（3） 縮短焊裝線(xiàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，為仿真驗(yàn)證提供參考。

2.2 焊裝線(xiàn)的工藝規(guī)劃流程

焊裝線(xiàn)工藝規(guī)劃的流程包括：明確設(shè)計(jì)條件、生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算、焊接流程規(guī)劃、焊點(diǎn)規(guī)劃、撰寫(xiě)工藝規(guī)劃書(shū)、工位節(jié)拍分析、人機(jī)工效核算、物流分析這八個(gè)方面。

3仿真驗(yàn)證

3.1 三維仿真驗(yàn)證的意義

根據(jù)工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的焊裝線(xiàn)規(guī)劃只能從理論上實(shí)現(xiàn)焊裝線(xiàn)的工藝方案，不能反映焊裝線(xiàn)各設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，無(wú)法暴露工藝規(guī)劃方案中的問(wèn)題點(diǎn)，存在很大弊端，因而在實(shí)際安裝前應(yīng)該進(jìn)行三維仿真驗(yàn)證。

三維仿真驗(yàn)證是指依據(jù)工藝規(guī)劃方案，將焊裝線(xiàn)上所有對(duì)象（工業(yè)機(jī)器人、焊槍和抓手、焊裝夾具、圍欄、控制柜、輸送裝置、工藝設(shè)備等）的三維模型導(dǎo)入仿真軟件中，建立起焊裝線(xiàn)的虛擬三維數(shù)模，通過(guò)仿真軟件模擬運(yùn)行焊裝線(xiàn)工作內(nèi)容。通過(guò)動(dòng)態(tài)的數(shù)字化模擬仿真來(lái)檢查各工作對(duì)象間是否存在干涉等問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)化工藝布局方案，能夠在安裝前提前發(fā)現(xiàn)前期工藝規(guī)劃方案的問(wèn)題點(diǎn)[2]。在多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)工位，通過(guò)三維仿真還可得到最優(yōu)的機(jī)器人焊點(diǎn)分配，盡可能地避開(kāi)或減少干涉區(qū)，優(yōu)化工位的生產(chǎn)節(jié)拍。通過(guò)三維仿真可反饋工藝規(guī)劃方案的問(wèn)題點(diǎn)，規(guī)避方案設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化焊裝線(xiàn)結(jié)構(gòu)，縮短焊裝線(xiàn)開(kāi)發(fā)周期。

3.2 仿真驗(yàn)證流程

（1）根據(jù)前期焊裝線(xiàn)規(guī)劃將各個(gè)仿真對(duì)象導(dǎo)入仿真軟件中，初步建立它們的相對(duì)位置關(guān)系。

（2）對(duì)機(jī)器人的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行可達(dá)性驗(yàn)證，檢查機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中工藝設(shè)備間是否存在干涉，如干涉需要調(diào)整相對(duì)位置。

（3）根據(jù)工藝內(nèi)容規(guī)劃各個(gè)機(jī)器人的作業(yè)軌跡，對(duì)于多機(jī)器人作業(yè)工位還需要考慮如何避免干涉區(qū)出現(xiàn)，同時(shí)避免機(jī)器人等待的情況出現(xiàn)。

（4）輸出仿真驗(yàn)證報(bào)告，反饋工藝規(guī)劃方案的問(wèn)題點(diǎn)，不斷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最后輸出平面布局圖。

3.3 輸出平面布局圖

平面布局圖體現(xiàn)了焊裝線(xiàn)仿真驗(yàn)證的成果，將最終通過(guò)三維仿真驗(yàn)證的三維模型投影成二維圖像便可得到最終的平面布局圖，在圖上能夠反映焊裝生產(chǎn)線(xiàn)上所有組成對(duì)象的相對(duì)位置關(guān)系[3]。作為現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)生產(chǎn)線(xiàn)的依據(jù)，準(zhǔn)確合理的平面布局圖對(duì)于焊裝線(xiàn)工藝規(guī)劃方案的正確實(shí)施至關(guān)重要。

4焊裝生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)備數(shù)量眾多，工藝要求多樣，控制難度相對(duì)較大，一般情況下系統(tǒng)控制程序都是由PLC系統(tǒng)程序和機(jī)器人系統(tǒng)程序兩部分組成。焊裝線(xiàn)的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇的編程方法直接決定了系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行的難易程度和速度。本文采用面向?qū)ο骩4]的編程方式，把設(shè)備按照類(lèi)型劃分之后，將這些控制對(duì)象分為幾個(gè)不同類(lèi)型來(lái)處理。同種類(lèi)型的設(shè)備工作原理大體相同，控制邏輯相似，運(yùn)用面向?qū)ο蟮木幊谭椒▉?lái)抽象出控制對(duì)象類(lèi)型的控制邏輯能顯著提高編程效率，同時(shí)得到的程序可反復(fù)調(diào)用，便于程序的維護(hù)和擴(kuò)展。

4.1 PLC系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

PLC 作為焊接生產(chǎn)線(xiàn)的控制核心，主要任務(wù)是生產(chǎn)線(xiàn)的工藝流程控制、設(shè)備運(yùn)行控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制及其它周邊設(shè)備的控制。主要分為以下幾個(gè)模塊：

（1）系統(tǒng)模式選擇：焊接生產(chǎn)線(xiàn)的系統(tǒng)一般分為單任務(wù)模式、自動(dòng)模式和手動(dòng)模式三類(lèi)，可以由工人在外部操作生產(chǎn)線(xiàn)的系統(tǒng)模式。

（2）公共報(bào)警處理：有油壓不足、氣壓不足、穿越隔離光柵和機(jī)器人報(bào)警等情況都會(huì)觸發(fā)公共報(bào)警，一般通過(guò)一個(gè)報(bào)警功能塊來(lái)對(duì)這些信息進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和處理。

（3）故障安全處理： 根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，需要將急停按鈕被按下、機(jī)器人急停、安全門(mén)異常開(kāi)啟等信號(hào)放在安全功能塊中處理。

（4）工藝數(shù)據(jù)處理：主要是對(duì)焊裝線(xiàn)的工藝流程、生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行記錄，以確保發(fā)生故障時(shí)可以快速查找記錄。

（5）工藝設(shè)備控制：通過(guò)PLC系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)機(jī)器人上設(shè)備的使用和轉(zhuǎn)換。

（6）水氣單元控制：該模塊用于處理焊裝上設(shè)備的水氣供應(yīng)，把所有設(shè)備放在同一個(gè)模塊中處理，便于前期調(diào)試和后期維護(hù)。

（7）物流設(shè)備控制：將焊裝線(xiàn)物流設(shè)備的邏輯控制放在一個(gè)模塊中，便于設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)。

（8）工位控制程序：用于對(duì)各個(gè)工位的操作模式、焊裝夾具和機(jī)器人進(jìn)行控制。

通過(guò)模塊化的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將復(fù)雜的焊裝線(xiàn)控制任務(wù)細(xì)分為多個(gè)模塊來(lái)處理，使得控制程序設(shè)計(jì)直觀(guān)明了，便于程序的調(diào)試和維護(hù)。采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒▽?duì)焊裝線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備建立通用的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，可大大提高編程效率。

4.2 機(jī)器人系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人作為一個(gè)獨(dú)立的智能單元，由機(jī)器人解釋器和控制解釋器兩部分組成。機(jī)器人解釋器用于運(yùn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序，控制解釋器則用于運(yùn)行邏輯控制程序以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以運(yùn)用面向?qū)ο蟮木幊谭绞絹?lái)開(kāi)發(fā)各種工藝或邏輯處理庫(kù)函數(shù)，采用結(jié)構(gòu)化的編程思路來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)程序架構(gòu)設(shè)計(jì)。

運(yùn)用結(jié)構(gòu)化編程方法進(jìn)行機(jī)器人程序設(shè)計(jì)具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）根據(jù)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段編程，便于錯(cuò)誤程序診斷；

（2）以清晰易懂的方式來(lái)展示基本的控制方法；

（3）提高維護(hù)、修改和擴(kuò)展程序的效率；

（4）把復(fù)雜的控制程序劃分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的子程序；

（5）降低編程的耗時(shí)；

（6）相同性能的程序組成部分可以互換；

（7）可單獨(dú)開(kāi)發(fā)各工藝任務(wù)的庫(kù)函數(shù)，便于調(diào)用。

工業(yè)機(jī)器人大體上由主程序、后臺(tái)程序和中斷處理程序三部分組成。通過(guò)主程序的循環(huán)掃描來(lái)執(zhí)行PLC系統(tǒng)指定的工藝程序；后臺(tái)程序作為后臺(tái)并行的處理程序，可用來(lái)處理與PLC系統(tǒng)交互的一些需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的信號(hào)，如判斷電極是否需要修磨或更換；中斷處理程序一般用于對(duì)程序運(yùn)行錯(cuò)誤的信號(hào)進(jìn)行接收以觸發(fā)系統(tǒng)中斷。

5 總結(jié)與展望

本文對(duì)汽車(chē)焊裝生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的工藝規(guī)劃、仿真驗(yàn)證和系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)單的介紹，希望能夠?yàn)楹秆b生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)研究提供一些參考。目前在我國(guó)，自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)往往依托技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，仿真技術(shù)仍非常薄弱。機(jī)器人仿真技術(shù)的應(yīng)用，是加快我國(guó)汽車(chē)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)革新的重要方法，也是我國(guó)工業(yè)機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展方向。

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