汽車部件焊接生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計

陳文雄

【摘?要】中國汽車市場競爭激烈，汽車企業(yè)對汽車部件質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求不斷提高，而汽車焊接技術(shù)水平的高低對整臺車的安全性、穩(wěn)定性都有著極大的影響。為滿足汽車企業(yè)的要求，汽車部件焊接生產(chǎn)線的自動控制水平也不斷提高。文章從整體設(shè)計思路、產(chǎn)品選型等角度設(shè)計了一種用于汽車部件焊接的智能生產(chǎn)線，生產(chǎn)線使用機(jī)器人提高焊接生產(chǎn)效率，并運(yùn)用中頻直流焊接技術(shù)高精度地控制焊接質(zhì)量。該生產(chǎn)線目前已應(yīng)用于國內(nèi)某車型后縱梁總成焊接實際生產(chǎn)，生產(chǎn)試運(yùn)行期間運(yùn)行穩(wěn)定且可靠。

【關(guān)鍵詞】中頻焊接;PLC;生產(chǎn)線設(shè)計

【中圖分類號】U463.82;TP391.9【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-0688（2022）04-0038-03

0?引言

在汽車制造沖壓、焊接、涂裝和總裝四大工藝流程中，焊接工藝對焊接質(zhì)量、焊接速度的要求非常嚴(yán)格，汽車零部件多，工藝流程復(fù)雜，焊接技術(shù)水平和焊接質(zhì)量的高低決定了整車質(zhì)量和生產(chǎn)效率。近年來，焊接線裝備的先進(jìn)性不斷提升，各種新裝備、新技術(shù)在生產(chǎn)中得到很好的運(yùn)用。通過對焊接生產(chǎn)線進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計，能夠較好地控制生產(chǎn)線裝備的總投入，滿足汽車部件生產(chǎn)的質(zhì)量和效率要求，還能降低維護(hù)費用。

1?生產(chǎn)線系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1?焊接生產(chǎn)線設(shè)計思路

焊接生產(chǎn)線設(shè)備眾多，工藝要求嚴(yán)格，需要考慮的因素、條件非常多，因此在設(shè)計時要有一個明確的設(shè)計思路。本生產(chǎn)線首先根據(jù)車間現(xiàn)場條件及生產(chǎn)流程、工藝要求等，設(shè)計焊接現(xiàn)場工位布局，然后在工位布局確定的情況下考慮實現(xiàn)各工位的功能所需的主要生產(chǎn)設(shè)備及選型，主要生產(chǎn)設(shè)備確定后，設(shè)計生產(chǎn)線支持系統(tǒng)如水路、氣路、安全防護(hù)、傳感器等。當(dāng)所有機(jī)械、電動設(shè)備定型后，統(tǒng)計所有設(shè)備的I/O數(shù)量，設(shè)計生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，對PLC進(jìn)行選型，設(shè)計生產(chǎn)線控制系統(tǒng)組網(wǎng)方式，包括電源電路系統(tǒng)設(shè)計、機(jī)柜、電纜等[1]。

1.2?生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計要考慮的主要因素

生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計要考慮的主要因素如下：工件、焊接工藝和質(zhì)量的要求。首批工件已確定為某型號小汽車的后縱梁總成2種零件。工件尺寸、重量、工件的生產(chǎn)流程及焊接工藝質(zhì)量要求，是生產(chǎn)線設(shè)計時要考慮的關(guān)鍵因素。生產(chǎn)產(chǎn)量的要求。確定生產(chǎn)綱領(lǐng)和年時基數(shù)。生產(chǎn)線場地限制。生產(chǎn)車間要預(yù)留人、物流通道，以及工件臨時倉儲等功能區(qū)，而實際焊接生產(chǎn)線的面積限制了焊機(jī)和焊接機(jī)器人的數(shù)量。投入成本的限制。大品牌設(shè)備價格昂貴，而小品牌設(shè)備成本低，但設(shè)備故障率較高，維護(hù)時間長，會影響生產(chǎn)進(jìn)度。生產(chǎn)線柔性化的要求。焊接生產(chǎn)線的剛性較強(qiáng)，不同車型的焊接線通用性差，每更新?lián)Q代一種車型，均需要更新大量專用設(shè)備和生產(chǎn)工藝?？紤]到加工多種不同類型的工件，焊接線必須具備一定的柔性，但要防止冗余量過大增加不必要的生產(chǎn)線成本。設(shè)備兼容性。系統(tǒng)是否開放，如焊接機(jī)器人與焊機(jī)的匹配度;對外設(shè)的兼容性如何，如控制系統(tǒng)的PLC與外設(shè)的通信是否要增加專用板卡?；A(chǔ)條件。廠房柱頂標(biāo)高、屋架承載能力、電力容量、通風(fēng)條件等。設(shè)備易維護(hù)性。選購設(shè)備時要考慮設(shè)備實際維護(hù)維修成本，以及外設(shè)擴(kuò)展時的配套成本。？讁？訛設(shè)備I/O數(shù)。設(shè)備I/O數(shù)及通信距離，是控制系統(tǒng)和通信方式的主要決定因素。

1.3?生產(chǎn)線系統(tǒng)的總規(guī)劃

設(shè)備有效利用率設(shè)定為85%，規(guī)劃采用14套焊機(jī)和14臺機(jī)器人，經(jīng)過綜合計算及模擬，生產(chǎn)節(jié)拍滿足要求。

1.4?生產(chǎn)線系統(tǒng)的組成

經(jīng)整體規(guī)劃設(shè)計，焊接生產(chǎn)線主要由以下幾個部分組成：機(jī)器人系統(tǒng)，包括底座、主體、控制柜、示教器、通信板等。機(jī)器人切換盤，包括換槍架、氣動系統(tǒng)等。機(jī)器人抓手系統(tǒng)，包括抓手、抓手氣缸、抓手支架等。焊接系統(tǒng)，包括焊鉗、焊接變壓器、焊接控制器、伺服電機(jī)等?？刂葡到y(tǒng)，包括PLC、主從站等。修磨機(jī)，包括固定式和翻轉(zhuǎn)式修磨器等。夾具系統(tǒng)，包括各種夾具、閥島、焊接拼臺等。電氣控制柜，主要包括MCP柜、PDP柜、WDP柜。？讁？訛通信系統(tǒng)，包括PC、HMI、通信板卡、通信纜線等。？輥？輮？訛氣路系統(tǒng)，包括空壓機(jī)、控制柜、氣罐、氣缸、管線等。？輥？輯？訛冷卻循環(huán)水路系統(tǒng)，包括水泵、閥門、控制柜、管線等。？輥？輰？訛除生產(chǎn)線外，還包括車間抽排風(fēng)、生產(chǎn)線鋼結(jié)構(gòu)、物流小車、叉車、貨架、生產(chǎn)監(jiān)控ANDON系統(tǒng)、圍欄、安全門、光幕等外圍支持設(shè)備。

焊接生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備種類非常多，涉及機(jī)械、電氣、電子、通信、自動控制、工藝等多方面的技術(shù)、設(shè)備和參數(shù)，而整個生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)是焊接控制系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，本文重點就這3個控制系統(tǒng)展開闡述。

2?焊接控制系統(tǒng)

2.1?焊接設(shè)備選型方案

對汽車行業(yè)而言，點焊工藝的可靠性和高精度至關(guān)重要。電阻焊的過程復(fù)雜，包含多種影響焊接質(zhì)量的因素，如被焊材料、焊接電流、焊接時間、設(shè)備冷卻、電極壓力、電極材料、電極形狀、工件表面狀態(tài)等，其中最重要的影響因素為焊接電流、焊接壓力和焊接時間。焊接壓力受到氣路系統(tǒng)的影響，而焊接電流和焊接時間可以通過焊接控制器控制。電阻焊的焊接系統(tǒng)目前主要分為單相交流阻焊機(jī)、中頻逆變焊機(jī)、二級整流焊機(jī)、三相低頻焊機(jī)4類，其中頻逆變焊接是目前較為先進(jìn)的電阻焊焊接技術(shù)[2]。中頻逆變技術(shù)具有幾大優(yōu)點：一是負(fù)荷均衡，降低峰值電流，減少電網(wǎng)沖擊，避免電網(wǎng)電壓波動較大。二是次級電流輸出能力強(qiáng)，波形平直，焊接時不會產(chǎn)生飛濺，焊點表面光滑不易變色，焊點強(qiáng)度高，焊接質(zhì)量較高，對鍍鋅板和普通多層鋼板的焊接，其焊接質(zhì)量也遠(yuǎn)高于交流焊機(jī)。三是功率因素在0.9以上，相比普通的交流焊機(jī)節(jié)能，降低了無功電流損耗。四是焊接回路無阻抗，增大電極臂拓展空間并提高了電極的使用壽命。五是適用于多種材料的焊接，如鋁金屬等導(dǎo)熱快、焊接性差的材料也能很好地焊接?；谝陨蟽?yōu)點，焊接生產(chǎn)線根據(jù)被焊零部件材料及焊接工藝要求，采用中頻逆變焊技術(shù)，選擇中頻焊機(jī)設(shè)備，中頻焊機(jī)設(shè)備主要包括中頻控制器、焊接變壓器和焊鉗，附屬設(shè)備包括冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、修磨器等。

2.2?中頻焊接控制器選型

焊接系統(tǒng)控制的核心在于中頻焊接控制器，焊接控制器選用MedWeld6000中頻控制器，MedWeld6000輸出方波頻率可調(diào)范圍為400～50?000?Hz，輸出最大功率為260?kVA，空載功耗為70?VA，次級電流精度達(dá)±2%，電流上升時間<4?ms;控制器內(nèi)可儲存255個焊接程序及設(shè)置32個電流遞增器，每個遞增器有5個階梯，編程方式比較簡單，內(nèi)置Ethernet/IP和DeviceNet接口，能滿足生產(chǎn)設(shè)計要求[3]。MedWeld6000采用中頻逆變技術(shù)，其基本工作原理是三相電源輸入中頻控制器后，三相交流電經(jīng)橋式整流電路整流，再經(jīng)電容濾波后成為電壓約514?V的單相直流電，直流電傳送到功率開關(guān)器件IGBT組成的逆變電路，轉(zhuǎn)變成單相的PWM中頻方波，中頻方波從中頻控制器中輸出到焊接變壓器，經(jīng)變壓器降壓后形成穩(wěn)定的方波電流，供給焊鉗電極，對工件進(jìn)行焊接。

3?焊接機(jī)器人系統(tǒng)

焊接機(jī)器人選型設(shè)計要考慮的因素如下：①自由度數(shù)，這是反映機(jī)器人靈活性的重要指標(biāo)，對點焊生產(chǎn)線的工件焊點較多，因此機(jī)器人需要6個自由度。②負(fù)載，是指機(jī)器人末端能承受的額定負(fù)載，如焊鉗、電纜和焊鉗冷卻水管等都是機(jī)器人負(fù)載范圍。③作業(yè)空間，機(jī)器人參數(shù)的作業(yè)距離是指未裝末端操作器的情況下的參數(shù)指標(biāo)，而實際作業(yè)空間要考慮裝上焊鉗后能保證焊接時焊鉗的姿態(tài)，以及生產(chǎn)線柔性化的規(guī)劃，因而作業(yè)空間指標(biāo)要留有一定冗余。④最大速度，機(jī)器人手腕末端的最大線速度是影響生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)，由于焊接過程中空行程的時間占比很高，因此速度選型決定生產(chǎn)節(jié)拍。⑤精度，焊接工藝要求機(jī)器人點對點的重復(fù)精度要達(dá)到焊鉗電極直徑的1/2以下，即1～2?mm。⑥可靠性，機(jī)器人發(fā)生故障會造成整個生產(chǎn)線的停滯，而機(jī)器人的維修時間通常較長，因此要在可靠性和價格之間進(jìn)行平衡，一般情況下優(yōu)先選擇技術(shù)成熟可靠的機(jī)器人品牌。⑦兼容性，部分焊接機(jī)器人品牌如OTC性能很好，但焊接系統(tǒng)不開放，兼容性不強(qiáng)，外部設(shè)備一般不適配，而原廠配套設(shè)備的價格不便宜，后期升級改造成本較高。

經(jīng)過綜合考慮，焊接生產(chǎn)線最后選擇“庫卡”機(jī)器人。

4?生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

4.1?控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

焊接生產(chǎn)線的特點是設(shè)備種類和數(shù)量較多，設(shè)備分布較遠(yuǎn)，通信距離較長，通信電纜易受干擾，因此選擇合適的控制系統(tǒng)是保障生產(chǎn)控制和產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。本焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計時要考慮的因素如下：要控制的主要設(shè)備有14臺機(jī)器人、14個焊接控制器，平均分布在左縱梁線和右縱梁線。要控制的各種氣動元件，如夾具平臺的閥島等。要控制的其他設(shè)備電機(jī)，如修磨器的電機(jī)、焊槍的伺服電機(jī)等。要接收的信號，如夾具平臺等各種設(shè)備上的傳感器、位置開關(guān)、操作按鈕及安全回路信號。監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)備的距離：生產(chǎn)線長度約100?m。工藝過程和控制要求。電磁抗干擾性。

PLC在整個生產(chǎn)線中處于核心地位，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)機(jī)器人和夾具、機(jī)器人與焊接控制器，并對現(xiàn)場按鈕與顯示燈進(jìn)行控制。PLC軟件的模塊化編程對系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了重要的作用，也極大地方便了對系統(tǒng)的調(diào)試和檢測。PLC要控制14臺機(jī)器人和14個焊接控制器，以及各種氣缸、電機(jī)等大量的設(shè)備，設(shè)備之間分布不集中;PLC還要接收處理傳感、安全、反饋等多種信號且生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境通常比較差，而生產(chǎn)要求控制系統(tǒng)具備反應(yīng)速度快、可靠性高及抗干擾性較強(qiáng)等能力?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計有兩種控制方案：一是選擇多個PLC分段控制，PLC之間通過通信協(xié)調(diào)控制動作;二是選擇一個主PLC，通過分布式I/O方案，即增加I/O處理模塊解決距離長帶來的信號衰減及I/O數(shù)量較多的難題。本焊接生產(chǎn)線采用第二種方案即主從站控制方式，在每條線設(shè)一個主站，生產(chǎn)線中的每個工位設(shè)置一個通信從站。

4.2?控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

焊接生產(chǎn)線的系統(tǒng)控制采用4重結(jié)構(gòu)，PC為第一層，PLC為第二層，從站通信模塊、“庫卡”機(jī)器人控制器、HMI、工控機(jī)或PC、ANDON系統(tǒng)等為第三層，第四層為梅達(dá)中頻控制器和其他底層設(shè)備層，包括各類傳感器、各類按鈕開關(guān)、行程限位開關(guān)、安全開關(guān)、信號燈、氣動元件的電磁閥、變頻器、伺服電機(jī)等，不同層級采用不同的通信協(xié)議，其具體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

4.3?PLC的選型

在確定控制方案后，對PLC及I/O模塊進(jìn)行選型。

主站PLC選用“西門子”S7-150，中央處理器為CPU1515F-2?PN。S7-1500性能強(qiáng)大，位指令的處理時間最低至1?ns，浮點運(yùn)算的指令處理時間最低至10?ns，背板總線的速度是S7-400PLC的40倍，每個CPU都配有一個PROFINET?IO（2端口交換機(jī)）標(biāo)準(zhǔn)接口，CPU?1516-3PN/DP還具有一個集成PROFINET的基本接口。除集成接口外，每個SIMATIC?S7-1500控制器還可通過通信模塊或通信處理器進(jìn)行擴(kuò)展。S7-1500還無縫集成到TIA博途中，極大地提高了組態(tài)的效率[4]。

從站選用“西門子”ET200SP通信模塊，接口模塊為IM?155-6PNST。ET200SP是一種模塊化、可擴(kuò)展和通用的分布式I/O系統(tǒng)，可通過現(xiàn)場總線，將過程信號連接到中央控制器，支持Profinet?IO和ProfibusDP通信標(biāo)準(zhǔn)，具有集成的組態(tài)控制功能。

5?控制系統(tǒng)通信

5.1?控制系統(tǒng)通信方案設(shè)計

焊接生產(chǎn)線設(shè)備種類復(fù)雜，體現(xiàn)在I/O通信上，設(shè)備之間的協(xié)議沒有一個統(tǒng)一的協(xié)議?，F(xiàn)場總線的協(xié)議很多，需要根據(jù)PLC支持通信類型、設(shè)備分布和數(shù)量選擇通信方案[5]。PLCS7-1500不但支持多種以太網(wǎng)通信，還支持串口通信、OPC通信、Web訪問等，為通信協(xié)議的選擇提供了極大的靈活性。本控制系統(tǒng)的通信采取以下方案：S7-1500與ET200SP、庫卡機(jī)器人控制柜、HMI、工控機(jī)、ANDON等設(shè)備的通信采用Profinet協(xié)議。庫卡機(jī)器人與中頻控制器之間的通信由于協(xié)議不同，所以需通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，即Profinet轉(zhuǎn)Ethernet。網(wǎng)關(guān)到中頻控制器的通信采用Ethernet協(xié)議。ET200SP與底層設(shè)備即傳感器、閥島、各類開關(guān)按鈕、安全門信號等之間通信采用Profinet協(xié)議。S7-1500網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過交換機(jī)與各設(shè)備相連;每個ET200SP與同工位底層設(shè)備的I/O連接使用Profinet總線，采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

5.2?控制系統(tǒng)通信設(shè)備選型

在通信方式確定后，根據(jù)主PLC的I/O數(shù)量，以及每個工位的I/O數(shù)量，可為S7-1500和ET200SP選配相應(yīng)通信接口模塊、安全模塊：在主PLC上配置DI?16×24VDC/DQ輸入模塊，在每個ET200SP上配置2個F-DI?8×24VDC故障安全數(shù)字量輸入模塊、4個DI?8×24VDC數(shù)字量輸入模塊、2個DQ?8×24VDC/0.5ABA數(shù)字量輸出模塊和1個服務(wù)器模塊。

6?結(jié)束語

此焊接生產(chǎn)線是柳州市職業(yè)技能公共實訓(xùn)中心與某汽車配件生產(chǎn)廠家合作開發(fā)，經(jīng)過需求分析、系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)備選型、控制系統(tǒng)及水電氣路設(shè)計、PLC程序設(shè)計，再經(jīng)過現(xiàn)場設(shè)備安裝調(diào)試，以及2個月的試運(yùn)行。在試運(yùn)行期間，現(xiàn)場出現(xiàn)的問題得到逐項解決，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)節(jié)拍在不斷優(yōu)化提升后也達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，試品質(zhì)量符合工藝要求，整個生產(chǎn)線即將投入正式生產(chǎn)。

參?考?文?獻(xiàn)

[1]韋紅光.某汽車焊接線電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[2]盧寶石.梅達(dá)焊接控制器的自動化控制分析[J].北京：工業(yè)技術(shù)，2013（19）：84.

[3]上海梅達(dá)公司.MedWeld6000中頻控制器說明書[Z].2017.

[4]西門子中國公司.SIMATICS7-1500，ET200MP手冊集[Z].2021.

[5]蔡冠軍.基于PROFINET的汽車前后梁焊接控制系統(tǒng)設(shè)計[D].長春：長春理工大學(xué)，2017.