汽車白車身激光焊接生產線自動化系統(tǒng)的研究

李鵬

摘 要：本文簡述了汽車白身激光焊接系統(tǒng)具體構成，并分別從硬件回路、軟件安全及總線網絡結構等方面，闡述了汽車白車身激光焊接生產線自動化系統(tǒng)詳細功能架構以及系統(tǒng)功能模塊的實施。

關鍵詞：汽車；白車身；激光焊接；生產線；自動化系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.114

隨著汽車工業(yè)日益進步，為提高汽車品質，降低汽車生產成本，各大汽車生產商尋求更好的加工手段及制造生產工藝，以降低成本，節(jié)能增效。目前，傳統(tǒng)的電阻點焊方式已逐漸被現代化的激光焊接取代，其越來越多地被應用于汽車白車身焊接生產工藝中。本文結合某汽車項目實例，對白車身激光焊接生產線自動化系統(tǒng)展開設計分析。

1 汽車白車身激光焊接生產線自動化系統(tǒng)架構

汽車白車身激光焊接生產線自動化系統(tǒng)主要由自動化控制柜、機器人電柜、穩(wěn)壓電源及機器人本體、除塵器、焊接頭總成、光纖、光源、水冷機、激光防護房等模塊構成[1]。

其中，自動化控制柜又包括觸摸屏控制系統(tǒng)與PLC控制器，其主要用于控制系統(tǒng)除塵器、通道門、工裝夾具、防護房及焊接頭等外圍設備，使它們按照相關控制時序完成操作。機器人電柜與自動化控制柜聯動實時通訊，以對機器人本體進行運行控制。穩(wěn)壓電源主要為激光焊接設備提供配電保護裝置與穩(wěn)定動力電源。送絲機和機器人本體分別為焊接提供填充填料及負責焊接工藝參數的調用、焊接移動，以此提高焊縫質量。而除塵器能夠及時過濾并清除有害煙霧，工裝夾具主要確保車身精度以及對焊接車身進行準確定位。焊接頭總成集焊縫跟蹤、激光焊接、車身識別等功能為一體；光纖及光源可為激光焊接提供穩(wěn)定激光能量。水冷機能夠為光纖和焊接頭、激光器等提供恒溫循環(huán)水，激光防護房為激光焊接人員提供了一個安全操作環(huán)境。

2 汽車白車身激光焊接生產線自動化系統(tǒng)安全及網絡結構

2.1 硬件回路

系統(tǒng)硬件安全回路主要包括激光、維修門及急?；芈返龋ㄟ^硬件線路串連，使維修門與急停安全回路串連接入安全PLC輸入接口。通過硬件線路使激光安全回路分別連入激光器與機器人安全回路。

2.2 軟件安全

安全信號主要通過PLC安全程序以及硬件回路進行連接處理，以提高系統(tǒng)設備安全等級。

2.3 總線網絡結構

系統(tǒng)外圍設備均通過PROFIBUS現場總線實現連接，如遠程站、送絲機、機器人、觸摸屏及PLC控制器、激光器等，兩個PLC的CPU主要通過總線耦合器進行通訊隔離，系統(tǒng)通過以太網連接機器人控制柜與焊縫跟蹤裝置。

3 汽車白車身激光焊接生產線自動化系統(tǒng)設計與功能分析

3.1 PLC控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用兩套觸摸屏與PLC控制裝置為激光焊接提供控制操作系統(tǒng)，觸摸屏主要負責信息輸入與監(jiān)控，其實時與焊接頭、送絲機、光纖激光器、焊接機器人以及滾壓輪等進行通信，同時還與光柵、通道門、安全門等安全設備進行連接，通過與主線系統(tǒng)控制構成結構清晰、操作便捷以及性能安全的整條生產線自動化控制系統(tǒng)。

3.2 設備工作與工藝模式

本系統(tǒng)主要有自動和手動兩種工作模式，其中手動模式下可實現對各設備進行單獨操作，而自動控制模式下，主要通過生產線自動生產，分別在正常、空運與排空三種模式下運行。具體工藝控制模式包括兩種，一種是用于設備正常焊接的帶激光模式，另一種是用于設備調試及程序演示的不帶激光模式。

3.3 PLC集成系統(tǒng)安全功能

帶安全功能的PLC集成系統(tǒng)其主要用于控制系統(tǒng)安全狀態(tài)，本系統(tǒng)均采用安全程序分別對維修門開光信號、急停信號及光柵信號等進行處理，其能夠用于故障檢測以及本地操作中斷后快速恢復生產。安全功能程序設計大大提高了系統(tǒng)安全設備等級，使激光器激光發(fā)射更為安全。

3.4 焊縫三維視覺系統(tǒng)

焊縫三維視覺系統(tǒng)能夠提高激光焊對車身的定位精度，通過對焊縫進行預處理，可借助機器人軌跡對車身精度進行調整，只需將激光三維視覺系統(tǒng)安裝于第六軸上，即可進行三維圖像處理，識別焊縫準確幾何位置，同時還可通過總線將坐標值傳輸給機器人進行控制，機器人通過計算實際位置偏差，可自動校正焊接運動軌跡，由此實現對焊縫實時跟蹤。

3.5 車型識別系統(tǒng)

為了安全，車型識別系統(tǒng)能夠用于檢驗和判斷主線給定的車型碼，由此可防止碰撞事故發(fā)生。系統(tǒng)在工作時主要通過激光測距，判斷不同車型信號，然后將其反饋給自動化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)經過判斷，若車型與車型碼一致，則按照對應循環(huán)程序進行焊接，若二者不一致，則返回原位跳出循環(huán)，同時系統(tǒng)報錯等待操作人員干預。

3.6 維修門門禁系統(tǒng)

為保證設備可靠與穩(wěn)定，整個激光焊接都在密閉激光防護房中進行，焊接過程中為防止維修門打開中斷焊接過程，系統(tǒng)采用電磁鎖門禁系統(tǒng)控制激光防護房外圍的操作盒，由此保證焊接操作人員安全。

3.7 通訊控制系統(tǒng)

系統(tǒng)自動化控制與除塵系統(tǒng)、光纖控制系統(tǒng)均通過主控制柜PLC控制器和工藝控制柜PLC控制器工作，采用PROFIBUSA總線可將不同控制系統(tǒng)連接在一起，信號交換主要通過無源觸點方式來實現，電氣之間通過DP/DP耦合器隔離，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。在除塵控制中，系統(tǒng)采用高負壓真空吸附除塵，為降低設備投入成本，自動化控制系統(tǒng)基于雙通道光纖控制方案，根據機器人焊接實際情況，分別對功率等參數、兩個光路進行切換與控制。

4 結束語

綜上所言，本文依次對系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)設計、設備工作模式、工藝模式設置及帶安全功能的PLC集成系統(tǒng)、車型識別系統(tǒng)、維修門門禁系統(tǒng)、焊縫跟蹤（三維視覺）系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、自動除塵系統(tǒng)進行了詳細分析，以通過雙通道光纖控制及自動化系統(tǒng)控制，實現汽車白車身激光焊接自動化。

參考文獻：

[1]楊晨，黃建根，壽顏波，蔣宇鵬，王志家，徐銳.薄板焊接自動化技術研究[J].工程建設與設計，2017（23）：190-191.

[2] 耿澤中，王慶.羅克韋爾自動化中型控制系統(tǒng)助力金剛石激光焊接[J].自動化博覽，2015（07）：30-31.