全鋁白車身機器人弧焊系統(tǒng)解決方案技術(shù)應(yīng)用

胡建平 李海峰 梁 凱 孫成亮 張洋洋

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司,沈陽,110168）

0 引言

目前國內(nèi)乘用車白車身主要以碳鋼車身為主，部分為鋼鋁混合車身，乘用車白車身輕量化一直為技術(shù)前沿，俗話說“增加一馬力不如減重一公斤”，輕量化對于現(xiàn)代汽車的重要性早已不言而喻，尤其在新能源汽車領(lǐng)域，車身更輕意味著電池續(xù)航、操控更好、剎車距離更短、加速更短等優(yōu)勢。所以，各大汽車廠家在乘用車領(lǐng)域，使用最多的無疑是鋁制車身。

傳統(tǒng)車身焊接主要采用點焊工藝，輔助弧焊、激光焊等工藝方法，全鋁白車身采用的焊接工藝主要有鉚接、螺接、電阻焊、激光焊等。與鋼板相比，鋁板韌性差，較難沖壓。延展性差且加工困難，這造成鋁板的沖壓成型與鋼板相比，制造設(shè)備與工藝的精度要求更高，從而直接拉高了企業(yè)的制造成本。

對此，筆者團隊開發(fā)研制的全鋁白車身焊接方案主要采用弧焊工藝，輔助點焊、鉚接、膠結(jié)等工藝方法；采用擠壓鋁型材，輔助用穩(wěn)定、可靠、結(jié)構(gòu)簡單的鋁板沖壓件，為企業(yè)進一步降低原材料制造成本；再深入研究分析，通過智能控制實現(xiàn)全鋁白車身自動弧焊，形成全鋁白車身自動弧焊系統(tǒng)解決方案。

1 生產(chǎn)線設(shè)計

本文設(shè)計的全鋁白車身自動弧焊系統(tǒng)解決方案是新建一條焊接自動化率85%以上的車身焊接生產(chǎn)線，采用機器人自動焊接、自動輸送。主要工位包含有：駕駛室前圍總成工位，駕駛室左、右側(cè)圍總成工位，駕駛室前端模塊總成工位，駕駛室后圍總成工位，駕駛室頂蓋總成工位，車身總成焊接工位，人工單軸變位機補焊工位，人工打磨工位，人工拋光工位，自動檢測工位（含打標工位），返修工位，部件各工位的存放區(qū)，整線物流以及集中除塵等設(shè)備。

2 產(chǎn)能要求

本方案設(shè)計的汽車車身焊接生產(chǎn)線，按照下述要求設(shè)計：每年產(chǎn)能需求60000套；每天雙班生產(chǎn)制，每班生產(chǎn)8h，設(shè)備利用率85%；單套產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍215s。

3 工藝流程分析

工藝流程設(shè)計要考慮流程的合理性、經(jīng)濟性、可操作性、可控制等各個方面，國內(nèi)的工藝流程設(shè)計越來越注重以下幾個方面：

1）盡量采用成熟的、先進的技術(shù)和設(shè)備；

2）盡量減少三廢排放量，有完善的三廢治理措施，以減少或消除對環(huán)境的污染，并做好三廢的回收和綜合利用；

3）確保安全生產(chǎn)，一同保證人身和設(shè)備的安全；

4）盡量采用機械化和自動化，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

4 生產(chǎn)線系統(tǒng)方案

自動生產(chǎn)線是由自動化機器體系實現(xiàn)產(chǎn)品工藝過程的一種生產(chǎn)組織形式。它是在連續(xù)流水線的進一步發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的，特點是：加工對象自動地由一個工作站單元傳送到另一個工作站單元，并由工作站單元自動地進行加工、裝卸、檢驗等；工人的任務(wù)僅是調(diào)整、監(jiān)督和管理自動線，不參加直接操作;所有的機器設(shè)備都按統(tǒng)一的節(jié)拍運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)過程是高度連續(xù)的。本設(shè)計自動生產(chǎn)線系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)平面布局圖

4.1 系統(tǒng)三維平面布局

系統(tǒng)三維平面布局圖見圖2所示，其中：

1）三維布局長120m，寬48m，高10m；

2）共計五個單元：底架單元，車身總成單元，客艙單元，貨艙單元，機艙、車門、保險杠單元；

3）節(jié)拍 215s。

圖2 系統(tǒng)三維平面布局圖

4.2 系統(tǒng)物流路線

物流系統(tǒng)是為實現(xiàn)一定的目標而設(shè)計的由各相互作用、相互依賴的物流要素(或子系統(tǒng))所構(gòu)成的有機整體。要建立一個物流系統(tǒng)，就需要首先在物流系統(tǒng)規(guī)劃階段進行物流系統(tǒng)的分析、物流系統(tǒng)的建模和物流系統(tǒng)的評價，然后就此做出決策。物流系統(tǒng)中的決策是在充分的資料基礎(chǔ)上，根據(jù)物流系統(tǒng)的客觀環(huán)境，借助于經(jīng)驗、科學(xué)的理論和方法，在已提出的若干物流系統(tǒng)方案中，選擇一個合理的、滿意的方案的決斷行為。本系統(tǒng)物流路線見圖3所示。

物流系統(tǒng)設(shè)計需要堅持以下基本原則：

1）要堅持發(fā)揮優(yōu)勢、整合資源的系統(tǒng)性原則；

2）要堅持可行性原則；

3）要堅持高效率、低成本原則；

圖3 系統(tǒng)物流路線圖

4）物資流動順暢，柔性化，資源高利用率。

5 系統(tǒng)中的設(shè)備構(gòu)成

要設(shè)計一個合理的生產(chǎn)線系統(tǒng)，需要根據(jù)實際情況進行仔細分析，包括：

1）根據(jù)產(chǎn)能分析；

2）根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)要求分析；

3）根據(jù)合理的生產(chǎn)工藝流程分析；

4）根據(jù)實際提供場地分析；

5）根據(jù)生產(chǎn)物流分析。

綜合上述分析，在滿足產(chǎn)能和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計提供出所必需的、性價比高的設(shè)備配置。本設(shè)計提供的具體設(shè)備配置見表1。

表1 主要設(shè)備構(gòu)成

5.1 機器人以及焊接系統(tǒng)

在全鋁白車身機器人弧焊系統(tǒng)解決方案中，機器人以及焊接系統(tǒng)是最重要的，本設(shè)計其配置見表2。

表2 機器人以及焊接系統(tǒng)配置

表2 （續(xù)）

5.2 物流輸送設(shè)備

本系統(tǒng)設(shè)計中物流輸送設(shè)備的配置見表3所列。

表3 輸送系統(tǒng)配置

5.3 人工需求

目前全鋁白車身機器人弧焊系統(tǒng)解決方案還做不到完全無人化，在一些崗位上，還需要有人工配合工作。本系統(tǒng)設(shè)計中具體人員需求配置見表4。

5.4 系統(tǒng)機器人詳細配置

弧焊機器人主要應(yīng)用于各類汽車零部件的焊接生產(chǎn)。根據(jù)單元功能需求選用不同負荷的標準6軸工業(yè)機器人。

一般的弧焊機器人是由示教盒、控制盤、機器人本體及自動送絲裝置、焊接電源等部分組成，可以在計算機的控制下實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制和點位控制，還可以利用直線插補和圓弧插補功能焊接由直線及圓弧所組成的空間焊縫?；『笝C器人主要有熔化極焊接作業(yè)和非熔化極焊接作業(yè)兩種類型，具有可長期進行焊接作業(yè)、保證焊接作業(yè)的高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性等特點。隨著技術(shù)的發(fā)展，弧焊機器人正向著智能化的方向發(fā)展。

弧焊機器人系統(tǒng)優(yōu)化集成技術(shù)包括：弧焊機器人采用交流伺服驅(qū)動技術(shù)以及高精度、高剛性的RV減速機和諧波減速器，具有良好的低速穩(wěn)定性和高速動態(tài)響應(yīng)，并可實現(xiàn)免維護功能。

協(xié)調(diào)控制技術(shù)包括：控制多機器人及變位機協(xié)調(diào)運動，既能保持焊槍和工件的相對姿態(tài)以滿足焊接工藝的要求，又能避免焊槍和工件的碰撞。

精確焊縫軌跡跟蹤技術(shù)包括：結(jié)合激光傳感器和視覺傳感器離線工作方式的優(yōu)點，采用激光傳感器實現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤，提升焊接機器人對復(fù)雜工件進行焊接的柔性和適應(yīng)性，結(jié)合視覺傳感器離線觀察獲得焊縫跟蹤的殘余偏差，基于偏差統(tǒng)計獲得補償數(shù)據(jù)并進行機器人運動軌跡的修正，保證在各種工況下都能獲得最佳的焊接質(zhì)量。

5.5 焊接系統(tǒng)詳細配置

本方案設(shè)計的焊接系統(tǒng)詳細配置見表5所列。

表5 焊接系統(tǒng)詳細配置

6 控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)一般稱為電氣設(shè)備二次控制回路，不同的設(shè)備有著不同的控制回路，主要分高壓電氣設(shè)備與低壓電氣設(shè)備的控制方式。

6.1 硬件系統(tǒng)配置

本方案的控制系統(tǒng)采用PLC,觸摸屏采用10寸以上，具備10組以上配方功能?？刂瓶偩€采用Ethernet/IP總線，交換機采用Stratix系列交換機。

6.2 設(shè)計單元

電氣圖紙采用EPLAN繪制，控制系統(tǒng)供電采用交流380V，三相五線制，控制電壓直流24V。

安全回路設(shè)計要求符合ISO13849-1安全標準，柜內(nèi)左側(cè)強電，右側(cè)弱電分開走線，提高抗干擾能力。控制系統(tǒng)唯一接地，位于柜內(nèi)接地銅排。

驅(qū)動器位于控制柜下半部分，控制器及I/O模塊位于上半部分。

充分考慮EMC電磁干擾因素，采取必要措施提高抗干擾能力。

系統(tǒng)控制電纜進出電控柜采用重載插頭連接。控制系統(tǒng)24V供電采用電子保險向負載供電，以降低設(shè)備將來老化帶來短路風(fēng)險。

所有設(shè)備外殼必須可靠接地，所有金屬線槽連接處用接地金屬帶連接。

所有外部設(shè)備用電插座，必須通過合適漏電保護供電。

總線進出控制柜要求有屏蔽處理。

6.3 編程單元

編程語言不局限于梯形圖，主要流程采用順序流程圖（SFC）,其余功能塊可采用梯形圖。

焊接單元要實現(xiàn)不同夾具的快換更換。焊接單元要能手動操作夾具單個閥片動作，也能在手動模式下連續(xù)夾緊、松開。

觸摸屏要具備總線掉線診斷功能，存儲報警歷史記錄，統(tǒng)計產(chǎn)量節(jié)拍。

所有機器人采用統(tǒng)一的編程結(jié)構(gòu)，便于將來維修、診斷。

焊接機器人清槍數(shù)量可以在觸摸屏上設(shè)定。

6.4 觸摸屏

觸摸屏主界面見圖4所示。

觸摸屏實時顯示各個工作站的運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)、各接近開關(guān)及變頻器的工作狀態(tài)、各I/O點的信息、與其他工段的聯(lián)鎖信號狀態(tài)等，具有實時故障報警功能。

圖4 觸摸屏主界面

觸摸屏具有如下優(yōu)點：

1）簡便快捷的配方操作模式，可以提高生產(chǎn)換型的效率；

2）簡化狀態(tài)指示界面，次要狀態(tài)放到觸摸屏上，主要狀態(tài)在大顯示屏上被突出顯示。

觸摸屏單元界面如圖5所示。

圖5 觸摸屏單元界面

6.5 安全繼電器

在本方案設(shè)計中，對于系統(tǒng)中的安全光幕、安全門開關(guān)等安全設(shè)備，均通過安全繼電器接入系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的安全等級，保障操作人員的人身安全以及設(shè)備安全，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運行。

7 MES 系統(tǒng)

作為車間信息管理技術(shù)的載體，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）在實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方面發(fā)揮著巨大作用。MES處于企業(yè)級的資源計劃系統(tǒng)（ERP）和工廠底層的控制系統(tǒng)（SFC）之間，是提高企業(yè)制造能力和生產(chǎn)管理能力的重要手段。

7.1 追溯系統(tǒng)

在MES系統(tǒng)中，根據(jù)產(chǎn)品管理可形成產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7.2 數(shù)據(jù)存儲

焊接數(shù)據(jù)存儲過程是：

1)通過掃碼槍讀取批次號及零件數(shù)量等信息。

2)工序分總成生成工序流水號，含上工序分總成號和散件條碼信息。

3)機器人工作站在工作開始前，將需要存儲的焊接電流、電壓、送絲速度、弧長修正、電感修正等參數(shù)發(fā)送給PLC，PLC整合收到的焊接數(shù)據(jù)并發(fā)送焊接參數(shù)給顯示屏，顯示屏實時顯示焊接參數(shù)。

4)在工序焊接過程中，PLC實時將工序流水號、電流和電壓等參數(shù)發(fā)送給工控機記錄、保存及處理。

5)工控機通過上位機WinCC軟件和SQL數(shù)據(jù)庫處理和保存數(shù)據(jù)。

6)工控機SQL數(shù)據(jù)庫開放數(shù)據(jù)接口，以方便工廠MES或質(zhì)量追溯系統(tǒng)前往提取數(shù)據(jù)。

舉例。假設(shè)最終產(chǎn)品由5部分零件組成，分別定義每種零件批次A、B、C、D、E。

定義工位信息ST1（01）、ST2（02）、ST3（03）、ST4（04）。

定義流水號：N

定義焊縫參數(shù)：M1、M2、M3、M4、M5、M6...

定義焊接時間：T1、T2、T3、T4、T5、T6...

焊接是否合格：Y（1）/N（2）

定義追溯信息格式：

A B C D E STn N M1 T1 M2 T2 M3 T3 M4 T4 M5 T5 M6 T6 Y

第一工序上件就緒后已生成追溯信息

A B 0 0 0 01 001 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

第一工序焊接合格后生成追溯信息

A B 0 0 0 01 001 M1 T1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

以此類推，最后生成追溯信息

A B C D E 04 001 M1 T1 M2 T2 M3 T3 M4 T4 M5 T5 M6 T6 1

PLC把生成的最終信息傳遞給上位機數(shù)據(jù)庫進行保存，完成追溯功能。

本系統(tǒng)方案能兼容TCP/IP等標準通信協(xié)議，可與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、ERP、MRP、MES連接，交換具體信息；使用標準的通信接口以太網(wǎng)總線，對各焊接機器人系統(tǒng)實施數(shù)字化動態(tài)監(jiān)控；打標機、掃碼槍等使用標準的RS232串行通信協(xié)議，直接接入PLC中。

7.3 客戶端主要功能

7.3.1 產(chǎn)品管理

根據(jù)輸入的選擇信息，自動產(chǎn)生工件的上線編碼、生產(chǎn)過程身份識別信息和過程質(zhì)量追溯數(shù)據(jù)。

過程質(zhì)量信息包括：機器人名稱、工件名稱、焊絲種類、保護氣種類、焊接電流、電壓、焊接開始時間、持續(xù)時間等，可進行分類存儲和實時監(jiān)控；管理系統(tǒng)能夠據(jù)此查詢各工件或機器人的焊接情況，實現(xiàn)焊件的品質(zhì)管理，并具有報表打印功能。

可進行產(chǎn)品缺陷分析等。

7.3.2 設(shè)備管理

設(shè)備管理包括以下內(nèi)容：

1）設(shè)備生產(chǎn)統(tǒng)計，能實時查詢統(tǒng)計設(shè)備在查詢時段內(nèi)各型號工件的生產(chǎn)數(shù)量，焊接開始時間、結(jié)束時間，異常時間、設(shè)備使用率、電弧率等生產(chǎn)信息，并可生成和打印相應(yīng)報表。

2）設(shè)備維修保養(yǎng)提醒和保養(yǎng)規(guī)范，各工作站報警信息的匯總統(tǒng)計，機器人使用效率等設(shè)備信息的統(tǒng)計和管理。

3）故障原因的自動分析和排查功能，故障報警及解決方案的自動生成，并具備報警時間記錄功能，便于追溯。

例如，生產(chǎn)及數(shù)據(jù)查詢軟件功能如下。

登陸界面如圖7所示。

圖7 登陸界面

定制產(chǎn)品選擇如圖8所示。

圖8 定制產(chǎn)品選擇

訂單詳細情況如圖9所示。

圖9 訂單詳細情況

監(jiān)控畫面如圖10所示。

圖10 監(jiān)控畫面

基礎(chǔ)信息管理界面如圖11所示。

圖11 基礎(chǔ)信息管理界面

8 環(huán)保要求

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，生產(chǎn)線要求具備捕捉、處理焊接及打磨車身產(chǎn)生的焊接煙塵、粉塵的功能，保證排放符合國家安全環(huán)保標準，符合但不限于：

1）GBZ1-2010 《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標準》；

2）GBZ2-2007 《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》；

3）GB16194-1996《車間空氣中電焊煙塵衛(wèi)生標準》；

4）GB16297-1996 《大氣污染物綜合排放標準》；

5）GB50054-95 《低壓配電設(shè)計規(guī)范》；

6）GBZ159-2004 《工作場所空氣中有害物質(zhì)檢測的采樣規(guī)范》；

7）GBZ/T192.1-2007 《工作場所空氣中粉塵測定第1部分：總粉塵濃度》；

8）GBZ/T189.8-2007 《工作場所物理因素測量第8部分:噪聲》；

9）GB/T13201-91《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法》。

9 系統(tǒng)動畫仿真

圖12、圖13均為系統(tǒng)動畫仿真示例。

圖12 動畫仿真1

圖13 動畫仿真2

10 展望

《中國制造2025》由百余名院士專家著手制定，為中國制造業(yè)未來10年設(shè)計了頂層規(guī)劃和路線圖，要求實現(xiàn)中國制造向中國創(chuàng)造、中國速度向中國質(zhì)量、中國產(chǎn)品向中國品牌三大轉(zhuǎn)變，推動中國到2025年基本實現(xiàn)工業(yè)化，邁入制造強國行列。

目前，航空航天輕量化已經(jīng)邁出堅實一步，汽車輕量化材料的使用與汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計是密切結(jié)合在一起的，要求實現(xiàn)在整車剛度、性能不降低的前提下的輕量化。筆者相信，隨著智能制造2025技術(shù)不斷探索和發(fā)展，會有更多的技術(shù)突破，強國夢必將實現(xiàn)。