往復(fù)桿機(jī)構(gòu)在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究

冀安 曹德嚴(yán)

摘要：隨著汽車(chē)制造行業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)白車(chē)身焊裝生產(chǎn)線向智能化、柔性化方向發(fā)展。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)是汽車(chē)白車(chē)身焊裝線輸送的關(guān)鍵設(shè)備，其自動(dòng)化程度決定著汽車(chē)焊接質(zhì)量和焊接效率。本文針對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的工作原理、輸送模式應(yīng)用進(jìn)行研究，利用PLC控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器提升往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度。采用往復(fù)桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)工件的自動(dòng)循環(huán)運(yùn)輸和柔性化生產(chǎn)，提升焊裝生產(chǎn)線的使用率，對(duì)焊裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)具有較好的實(shí)踐意義。

Abstract： With the rapid development of automobile manufacturing industry， automobile body in white welding production line is developing towards intelligence and flexibility. Reciprocating rod mechanism is the key equipment of automobile body in white welding line， and its automation determines the automobile welding quality and efficiency. Reciprocating rod mechanism is the key equipment of automobile body in white welding line， and its automation determines the automobile welding quality and efficiency. This paper studies the working principle and transportation mode application of the reciprocating rod mechanism， and uses PLC controller and servo driver to improve the repeated positioning accuracy， operation stability and automation of the reciprocating rod mechanism. The use of reciprocating rod mechanism can realize the automatic circular transportation and flexible production of workpieces， and improve the utilization rate of welding production line， which has good practical significance for the design of welding production line.

關(guān)鍵詞：往復(fù)桿機(jī)構(gòu);PLC;焊裝生產(chǎn)線;白車(chē)身

Key words： reciprocating rod mechanism;PLC;welding production line;body in white

中圖分類(lèi)號(hào)：TP278??? ???????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0214-03

0? 引言

隨著汽車(chē)制造業(yè)的快速發(fā)展，智能化、模塊化、集成化、無(wú)人化制造模式逐步成為發(fā)展主流。汽車(chē)制造設(shè)備投入和工藝布局優(yōu)化，為汽車(chē)制造企業(yè)后期可持續(xù)發(fā)展、精益發(fā)展奠定基礎(chǔ)和搶占高端市場(chǎng)輸入強(qiáng)勁動(dòng)力。汽車(chē)白車(chē)身焊接工序是保障汽車(chē)品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊接自動(dòng)化、智能化水平是汽車(chē)制造企業(yè)自動(dòng)化水平的集中體現(xiàn)。白車(chē)身焊接工藝流程復(fù)雜，需要模塊化的焊接線對(duì)焊接工件進(jìn)行輸送，不同線體之間按照工序步驟進(jìn)行交互式的組合，才能完成白車(chē)身焊接組裝工序。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)是用于汽車(chē)白車(chē)身焊裝線零部件運(yùn)輸?shù)某Ｓ迷O(shè)備，往復(fù)桿結(jié)構(gòu)與各類(lèi)工裝夾具組成焊裝生產(chǎn)線。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)具有機(jī)械化程度高、傳輸同步性好、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，相比高速輥床臺(tái)車(chē)系統(tǒng)和空中小車(chē)輸送具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、柔性生產(chǎn)較好的特點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的工作原理、往復(fù)桿汽車(chē)焊裝線的應(yīng)用及特點(diǎn)進(jìn)行論述，對(duì)白車(chē)身焊裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)有一定的實(shí)踐意義和指導(dǎo)意義。

1? 往復(fù)桿機(jī)構(gòu)工作原理

往復(fù)桿機(jī)構(gòu)主要由定位機(jī)構(gòu)、氣缸動(dòng)力裝置、伺服電機(jī)、垂直升降機(jī)構(gòu)、水平移動(dòng)裝置、PLC控制系統(tǒng)及限位機(jī)構(gòu)等相關(guān)附件組成[1-2]。PLC控制系統(tǒng)是焊裝生產(chǎn)線的控制核心，主要用于焊裝生產(chǎn)線工序流程、往復(fù)桿機(jī)構(gòu)設(shè)備輸送、焊接設(shè)備、輔助設(shè)備的邏輯控制和協(xié)調(diào)控制，采用PROFINET協(xié)議完成各控制站間的信息共享。定位裝置用于零件定位;垂直升降機(jī)構(gòu)以氣缸為動(dòng)力裝置，采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式，在氣缸的作用下，推動(dòng)水平齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪將力和運(yùn)動(dòng)方向傳遞給垂直齒條實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)的升降。水平運(yùn)動(dòng)裝置由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)往復(fù)軌道水平移動(dòng)方向和速度。限位機(jī)構(gòu)由行程開(kāi)關(guān)和PLC進(jìn)行控制，當(dāng)焊裝線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)碰撞到形成開(kāi)關(guān)，觸發(fā)形程開(kāi)關(guān)信號(hào)后，信號(hào)傳輸給PLC控制器，控制器終止動(dòng)力源并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

如圖1所示，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)焊裝線上白車(chē)身的運(yùn)輸。白車(chē)身在焊裝線工位完成相應(yīng)的焊接動(dòng)作后，PLC控制氣路系統(tǒng)及氣缸驅(qū)動(dòng)垂直升降機(jī)構(gòu)將零件總成升起，待所有工位完成升起任務(wù)后觸發(fā)感應(yīng)開(kāi)關(guān);PLC接收信號(hào)并判斷所有工位是否完成，若工位完成則PLC控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行水平移動(dòng)，進(jìn)入下個(gè)工位。通過(guò)伺服器驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位，具有較好的穩(wěn)定性和精確性。另外，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)相比滑橇輸送和臺(tái)車(chē)輸送是利用伺服器控制伺服電機(jī)編碼器進(jìn)行往復(fù)精確定位，可節(jié)約大量定位傳感器和光電開(kāi)關(guān)，具有零部件在焊裝線工位傳輸?shù)囊恢滦浴?/p>

2? 往復(fù)桿機(jī)構(gòu)輸送模式的應(yīng)用

往復(fù)桿機(jī)構(gòu)輸送模式主要應(yīng)用于焊裝線零件總成的定位和傳輸[3-4]。如圖2 HMI往復(fù)桿伺服控制界面所示，往復(fù)桿伺服控制可在HMI界面設(shè)定移動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)速度，PLC控制器接收焊裝線現(xiàn)場(chǎng)伺服電機(jī)編碼器信號(hào)，PLC對(duì)HMI界面設(shè)定值和現(xiàn)場(chǎng)反饋信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)值運(yùn)算對(duì)伺服器進(jìn)行閉環(huán)控制輸出，以實(shí)現(xiàn)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的位置和速度的精確控制。PLC控制器將控制量傳輸給伺服電機(jī)，對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，主要包括啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)、點(diǎn)動(dòng)后退、故障復(fù)位、參數(shù)組選擇、保持控制、停車(chē)等功能;伺服系統(tǒng)將傳感器、開(kāi)關(guān)信號(hào)等狀態(tài)量傳遞給PLC控制器，實(shí)現(xiàn)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，主要包括電機(jī)狀態(tài)、IPOS參考點(diǎn)、目標(biāo)位情況、CW限位開(kāi)關(guān)、CCW限位開(kāi)關(guān)、伺服器狀態(tài)、電機(jī)故障等信號(hào)。通過(guò)HMI界面可以查看現(xiàn)場(chǎng)往復(fù)桿是否超程，限位距離可在上位機(jī)畫(huà)面進(jìn)行設(shè)定，往復(fù)桿伺服界面人機(jī)優(yōu)化、監(jiān)控便捷。

通過(guò)HMI界面可對(duì)往復(fù)桿運(yùn)動(dòng)步序進(jìn)行查看，便于獲取白車(chē)身焊裝線實(shí)際生產(chǎn)工序位置。首先對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行初始化，包括：各個(gè)工位的往復(fù)桿進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，下一步循環(huán)停止、到達(dá)上件位置等;然后對(duì)本次焊裝生產(chǎn)的車(chē)型進(jìn)行判別和輸入。PLC控制往復(fù)桿機(jī)構(gòu)按照相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)步驟進(jìn)行進(jìn)行、后退、下降、升起等動(dòng)作，在執(zhí)行動(dòng)作過(guò)程中檢測(cè)工位是否有工件、是否有動(dòng)作請(qǐng)求和夾具步驟等。以50往復(fù)桿下降控制為例，當(dāng)PLC檢測(cè)到50往復(fù)桿下降請(qǐng)求后，控制相應(yīng)氣缸進(jìn)行50往復(fù)桿動(dòng)作，當(dāng)檢測(cè)到下降限位信號(hào)后，PLC可判斷50往復(fù)桿下降完成，同時(shí)輸出50工位往復(fù)桿狀態(tài)信號(hào)（HMI界面顯示綠色），同時(shí)滿足各工位信號(hào)不存在報(bào)錯(cuò)、故障、急停等信息的確認(rèn)。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作設(shè)定有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式2種。在手動(dòng)模式下，滿足動(dòng)作按鈕和工位號(hào)一致，焊裝傳送線的緊鎖氣缸加緊到位，伺服處于原位狀態(tài)，若垂直升降裝置機(jī)構(gòu)下降到位信號(hào)無(wú)法檢測(cè)，則需在下降允許條件是否滿足，然后手動(dòng)操作往復(fù)桿進(jìn)行下降。在自動(dòng)模式下，傳感器檢測(cè)是否處于伺服原位，加緊氣缸打開(kāi)、焊接裝置處于原位，然后PLC控制往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行下降動(dòng)作。

3? 白車(chē)身焊裝線往復(fù)桿機(jī)構(gòu)PLC程序

為提高白車(chē)身焊裝生產(chǎn)線PLC控制程序開(kāi)發(fā)效率，提高控制程序的可靠性和后期調(diào)試、維護(hù)、修改的便捷性。PLC控制程序采用模塊化思想進(jìn)行開(kāi)發(fā)，按照控制結(jié)構(gòu)對(duì)程序功能進(jìn)行劃分模塊，以減少程序開(kāi)發(fā)工作量。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)作為焊裝線獨(dú)立的工件輸送設(shè)備，所以單獨(dú)程序模塊編寫(xiě)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)PLC程序。焊裝線往復(fù)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作有上升、降落、前進(jìn)和后退四種，故需設(shè)置四種動(dòng)作到位狀態(tài)量，同時(shí)為保證往復(fù)桿傳輸精度和夾具定位重復(fù)精度，需控制夾緊機(jī)構(gòu)在往復(fù)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成后進(jìn)行夾緊，防止出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。在焊裝輸送線的兩端設(shè)計(jì)有緩沖裝置，減少往復(fù)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作慣性和設(shè)備沖擊。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)垂直升降有3個(gè)氣缸提供動(dòng)力，水平前進(jìn)、后退由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)精確定位和精確控速，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)控制I/O點(diǎn)如表1所示。

4? 往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

通4過(guò)往復(fù)桿在汽車(chē)白車(chē)身焊裝線的應(yīng)情況分析，可得往復(fù)桿機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①重復(fù)定位精度高。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的水平移動(dòng)裝置的電機(jī)采用SEW伺服驅(qū)動(dòng)器控制，伺服編碼器能夠精確控制往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)定位置和移動(dòng)速度，并且形成閉環(huán)控制，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)和設(shè)定信息對(duì)比在線調(diào)節(jié)控制精度，具有較好的重復(fù)定位精度，滿足汽車(chē)白車(chē)身焊裝工藝控制要求。②傳送速度快。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)相比空中小車(chē)輸送，明顯能夠?qū)⑤斔托侍嵘?0%，節(jié)約了焊裝生產(chǎn)線白車(chē)身焊裝時(shí)間[5]。③柔性化生產(chǎn)程度高。相比空中小車(chē)的輸送，車(chē)型托塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)調(diào)整托塊的長(zhǎng)度和位置即可實(shí)現(xiàn)多種車(chē)型的焊裝輸送需求，能夠提升焊裝生產(chǎn)線的使用效率。④自動(dòng)化程度高。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)由PLC控制，可工序步驟和工藝要求進(jìn)行PLC程序編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)各工位同步輸送和全自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行，且輸送運(yùn)行平穩(wěn)、工件碰撞風(fēng)險(xiǎn)小。

5? 分析與討論

汽車(chē)制造工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下，提升汽車(chē)生產(chǎn)線智能化、自動(dòng)化水平成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。汽車(chē)白車(chē)身焊裝線高自動(dòng)化水平有利于提升汽車(chē)制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文對(duì)白車(chē)身焊裝線往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，分別對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)工作原理、往復(fù)桿機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用和PLC程序控制進(jìn)行應(yīng)用研究，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)能夠具有重復(fù)定位精度高、柔性化生產(chǎn)好、設(shè)計(jì)成本低、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，能夠提升汽車(chē)白車(chē)身生產(chǎn)效率和保障汽車(chē)生產(chǎn)品質(zhì)。

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