李建收，汪 娟，倪 寶，陳榮國(guó)，薛盛智

(奇瑞汽車股份有限公司 規(guī)劃設(shè)計(jì)一院，安徽 蕪湖 241006)

0 前言

隨著汽車市場(chǎng)的發(fā)展，汽車的車型越來(lái)越多，更新?lián)Q代的周期越來(lái)越短，這些變化對(duì)汽車主機(jī)生產(chǎn)廠商提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，原來(lái)的車型規(guī)劃單一的生產(chǎn)方式不僅生產(chǎn)效率低，而且設(shè)備通用性低，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前汽車規(guī)劃的發(fā)展趨勢(shì)。面對(duì)新車型的生產(chǎn)規(guī)劃，主機(jī)生產(chǎn)廠家已經(jīng)摒棄了每種車型就要建一條焊裝線的方式，要求焊裝生產(chǎn)線能夠滿足多車型柔性混線的要求。而從投資效益最大化來(lái)講，新車型的規(guī)劃發(fā)展趨勢(shì)就是要求幾個(gè)車型共用一條焊裝生產(chǎn)線。

在奇瑞的焊裝線規(guī)劃中，整體思路就是多種車型共用一條焊裝主線。如M11/M12/A01三種車型共用一條焊裝主線，Q22/Q22B、S18C/S18D、B12/B23/B21等每條焊裝主線都是2～3種車型共用，并且在以前舊有的老焊裝主線改造中也在不斷嘗試規(guī)劃新的車型能共用舊的車型。

隨著奇瑞汽車股份有限公司的高速發(fā)展，新車型的規(guī)劃大部分實(shí)現(xiàn)了焊裝主線車型的多種混線生產(chǎn)，可是焊裝主線的多車型混線柔性化生產(chǎn)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題。根據(jù)原來(lái)的規(guī)劃，車型的二級(jí)總成焊接線一般不采用混線生產(chǎn)，而是分區(qū)域獨(dú)立布置在主線的兩側(cè)附近，這樣主線多車型柔性化生產(chǎn)工藝布局方式就給二級(jí)總成焊接線的布置帶來(lái)了復(fù)雜的問(wèn)題。如果按照原來(lái)的規(guī)劃思路，有幾種車型共線，就要規(guī)劃布置相應(yīng)車型的二級(jí)總成焊接線，這樣需要較大的廠房空間、更多的夾具焊接設(shè)備，車型銷售的冷熱不均又會(huì)造成部分焊接設(shè)備利用率的低下。故此焊裝主線柔性化生產(chǎn)和二級(jí)總成單一車型的生產(chǎn)成為一個(gè)新的矛盾。為了充分合理的利用廠房空間，解決焊裝主線柔性化生產(chǎn)和二級(jí)總成單一車型的生產(chǎn)前期規(guī)劃中的矛盾，奇瑞規(guī)劃設(shè)計(jì)一院在2010年后新規(guī)劃的A16項(xiàng)目、M16項(xiàng)目等焊裝二級(jí)總成生產(chǎn)線中，開拓出了柔性高速滾床臺(tái)車輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)總成焊接線多車型切換生產(chǎn)的目標(biāo)。

在二級(jí)總成焊裝線上實(shí)施的柔性高速輸送系統(tǒng)比現(xiàn)有的輸送系統(tǒng)具有以下較大的優(yōu)勢(shì)：（1）合理地利用廠房空間，多種車型共用輸送系統(tǒng)，減少設(shè)備布置空間。（2）設(shè)備利用率高，通用設(shè)備實(shí)現(xiàn)共用，避免設(shè)備數(shù)量過(guò)多，降低設(shè)備投資成本。（3）投資效益高。

目前奇瑞大連工廠A16項(xiàng)目的焊裝車間二級(jí)總成焊接線上，采用的就是由奇瑞規(guī)劃設(shè)計(jì)一院設(shè)備規(guī)劃部自主研發(fā)的柔性高速輸送系統(tǒng)。該輸送系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在A16項(xiàng)目焊裝工藝中的發(fā)艙、前地板、后地板等二級(jí)總成的焊接線上，如圖1～圖4所示，成功實(shí)現(xiàn)了四種車型快速切換高速輸送的目標(biāo)，提高了設(shè)備利用率和整體焊裝線的生產(chǎn)效率。

圖1 A16后地板二級(jí)總成焊接線

圖2 柔性高速輸送系統(tǒng)

圖3 正在夾具廠家調(diào)試的A16項(xiàng)目柔性高速輸送系統(tǒng)側(cè)圍滾床臺(tái)車系統(tǒng)

圖4 M16項(xiàng)目柔性高速輸送系統(tǒng)側(cè)圍滾床臺(tái)車系統(tǒng)三維布置圖

1 柔性高速輸送系統(tǒng)的原理

柔性高速滾床臺(tái)車輸送系統(tǒng)的原理是利用滾床臺(tái)車的高低不同的輸送面和齒輪齒條直線輸送的設(shè)備，按照一套完整的電氣控制程序，實(shí)現(xiàn)夾具臺(tái)車在x-y方向的高速切換、輸送等柔性化生產(chǎn)目標(biāo)的一套系統(tǒng)。

2 柔性高速輸送系統(tǒng)的組成

該輸送系統(tǒng)可以滿足多車型快速切換，混線生產(chǎn)的輸送目標(biāo)。整體為平面“十”字布置結(jié)構(gòu)，主要有上件工位、過(guò)渡工位、臺(tái)車存儲(chǔ)工位、切換工位、焊接工位等區(qū)域組成，具體如圖5所示。

上件工位是一臺(tái)升降滾床，上件時(shí)滾床下降到最低位，臺(tái)車降落到固定的臺(tái)車支撐機(jī)構(gòu)上，夾具通過(guò)氣電快速插頭連通打開，工人進(jìn)行上件操作；上件完成，滾床上升到最高位，等待輸送。

過(guò)渡工位是一臺(tái)不升降而只起直線輸送作用的滾床。

圖5 高速滾床輸送系統(tǒng)

夾具臺(tái)車存儲(chǔ)工位是存儲(chǔ)多車型焊接夾具臺(tái)車的區(qū)域，沒有生產(chǎn)任務(wù)的空夾具臺(tái)車就放置到該區(qū)域，或者空夾具臺(tái)車、帶件夾具臺(tái)車臨時(shí)存儲(chǔ)的工位。

轉(zhuǎn)接切換夾具工位是輸送的一個(gè)關(guān)鍵工位，由一臺(tái)升降滾床坐落在齒輪齒條輸送設(shè)備上。當(dāng)進(jìn)行一種車型生產(chǎn)時(shí)，升降滾床降落到最低點(diǎn)，起固定滾床直線輸送的作用；當(dāng)需要進(jìn)行車型切換時(shí)，升降滾床將從上件工位/焊接工位/存儲(chǔ)工位等其他工位輸送到該工位的夾具臺(tái)車頂?shù)阶罡唿c(diǎn)，此時(shí)齒輪齒條輸送設(shè)備沿y軸線平移，實(shí)現(xiàn)夾具臺(tái)車由x-y方向的互相轉(zhuǎn)變。

根據(jù)車型的數(shù)量，夾具臺(tái)車存儲(chǔ)工位、轉(zhuǎn)接切換夾具工位可以增加或減少，如圖5所示。當(dāng)只有5.1工位時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)兩種車型柔性生產(chǎn)，當(dāng)有5.1、5.2工位時(shí)，可實(shí)現(xiàn)四種車型的柔性高速輸送生產(chǎn)。

焊接工位就是進(jìn)行人工焊接或自動(dòng)化焊接工件以及把焊接完成的工件轉(zhuǎn)運(yùn)下一工位的區(qū)域。為了保證焊接過(guò)程焊接質(zhì)量的穩(wěn)定及較高的生產(chǎn)節(jié)拍，該工位由兩臺(tái)升降滾床坐落在一臺(tái)快速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，一臺(tái)焊接，另一臺(tái)等待；焊接時(shí)滾床下降到最低位，等待時(shí)滾床上升到最高位。

3 柔性高速輸送系統(tǒng)的實(shí)施說(shuō)明

如圖5所示，焊接工位A2夾具臺(tái)車進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，上件工位的夾具臺(tái)車A1就可以趁著A2焊接的時(shí)間進(jìn)行上件作業(yè)。

當(dāng)上件工位人工完成A1上件作業(yè)時(shí)，如果焊接運(yùn)轉(zhuǎn)工位A2焊接還沒有完成，則工位2的升降滾床就會(huì)頂升A1，A1脫離夾具固定機(jī)構(gòu)，把A1輸送到焊接運(yùn)轉(zhuǎn)工位6的等待焊接的升降滾床上面；當(dāng)A2焊接完成后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到位后，A1開始焊接，A2輸送到上件工位進(jìn)行上件，如圖6所示，從而實(shí)現(xiàn)了快速切換輸送生產(chǎn)的目標(biāo)。

圖6 A車型循環(huán)生產(chǎn)示意

如圖6所示，A1焊接完成，A2正在進(jìn)行上件作業(yè)，此時(shí)需要進(jìn)行A/B車型切換，則A1滾床上升從焊接工位旋轉(zhuǎn)180°到等待焊接工位，運(yùn)行到夾具轉(zhuǎn)接切換工位5.2，該工位的滾床上升齒輪齒條機(jī)構(gòu)沿y向平移到存儲(chǔ)工位，滾床下降把夾具臺(tái)車A1放置到存儲(chǔ)工位；齒輪齒條再回到轉(zhuǎn)接切換工位5.2等候帶件夾具臺(tái)車A2通過(guò)；當(dāng)上件工位2的A2上件作業(yè)完成后，工位2的升降滾床頂升；夾具臺(tái)車A2沿著x方向輸送到旋轉(zhuǎn)等待焊接工位6，工位6的升降滾床下降到最低點(diǎn)，A2脫離滾床被放置到夾具固定機(jī)構(gòu)上面，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)把A2旋轉(zhuǎn)到焊接工位開始焊接，如圖7所示。

圖7 B車型開始切換示意

在帶件臺(tái)車A2通過(guò)轉(zhuǎn)接切換工位5.1后，工位5.1的齒輪齒條平移機(jī)構(gòu)把滾床沿y向平移到車型夾具臺(tái)車B2存儲(chǔ)工位，滾床上升B2夾具臺(tái)車落到齒輪齒條升降滾床上，隨平移機(jī)構(gòu)一起回到工位5.1，滾床下降，然后沿x向把B2輸送到工位2進(jìn)行車型B的上件作業(yè)，如圖8所示；同理，充分利用焊接時(shí)間和上件時(shí)間不同的時(shí)間差，輪流完成A車型和B車型的不間斷切換生產(chǎn)，如圖9所示。

圖8 B車型開始上件示意

圖9 車型切換完成示意

4 柔性高速輸送系統(tǒng)的電氣控制

4.1 高速滾床輸送系統(tǒng)硬件組成

高速滾床系統(tǒng)采用變頻器獨(dú)立完成定位工作；變頻器組速度環(huán)、位置環(huán)，并且位置反饋由無(wú)到有的過(guò)程，速度控制到位置控制，控制模式的可靠切換均采用PLC判斷切換邏輯，發(fā)切換命令給變頻器的方式；采用SICK OLM100條碼尺作為臺(tái)車的位置反饋裝置，輸出信號(hào)格式SSI（格雷碼）；采用電機(jī)同軸安裝增量型編碼作為速度反饋裝置，增量編碼器單圈脈沖數(shù)大于等于1024，輸出信號(hào)格式12 V線性。

羅克韋爾PF755變頻器（見圖10）包含一個(gè)內(nèi)置以太網(wǎng)端口和五個(gè)可選插槽，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行定制。選件模塊包括I/O、反饋、安全、附加通信和輔助電源。通過(guò)便利的推拉式設(shè)計(jì)，輕松操作變頻器，實(shí)現(xiàn)快速安裝和維護(hù)。

4.2 高速滾床輸送系統(tǒng)軟件控制原理

圖10 Rockwell PF755變頻器

高速滾床輸送系統(tǒng)軟件控制采用的是PLC、變頻器的閉環(huán)控制，變頻器的起?？刂朴蒔LC發(fā)送信號(hào)控制，PLC與變頻器之間采用PROFIBUS DP總線控制方式。高速滾床的速度、位置控制采用變頻器閉環(huán)控制方式。檢測(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的編碼器和滾床位置的編碼器，直接接入變頻器的編碼器板卡，變頻器通過(guò)編碼器反饋數(shù)據(jù)，應(yīng)用變頻器內(nèi)部的閉環(huán)控制模型現(xiàn)了高速滾床速度、位置控制的功能。

要實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的控制，需要配置一些參數(shù)，如圖11所示。

4.3 變頻器軟件調(diào)試

（1）Download變頻器程序。

恢復(fù)變頻器參數(shù)到出廠默認(rèn)值，基于DriveTools軟件（版本DriveTools5.04），將交接程序下載到變頻器中。

圖11 高速滾床輸送系統(tǒng)軟件設(shè)置

（2）檢查變頻器旋轉(zhuǎn)方向。

在輥床上無(wú)滑撬的情況下，檢查變頻器的旋轉(zhuǎn)方向，可以通過(guò)變頻器“start up”向?qū)е械摹癟est”選項(xiàng)來(lái)完成。確保變頻器的正向與實(shí)際滑撬的正向運(yùn)動(dòng)相同。

（3）更改變頻器Profibus板卡的網(wǎng)絡(luò)地址。

更改DriveTools軟件Profibus-DeviceParameter-參數(shù)5 Net Addr Cfg，將同頁(yè)面參數(shù)7 Rest Module進(jìn)行Reset Module操作，方可生效。

（4）檢查DeviceLogix功能是否使能。

下載程序后，變頻器DeviceLogix中的參數(shù)53為L(zhǎng)ogixDisable狀態(tài)，改變其為L(zhǎng)ogixEnable狀態(tài)后可啟動(dòng)DeviceLogix功能，使其受PLC控制。

（5）觀察變頻器位置控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。

下載程序是與PLC完成聯(lián)調(diào)的變頻器程序，變頻器的預(yù)設(shè)位置值、位置環(huán)的速度值、啟動(dòng)信號(hào)等均由PLC控制。通過(guò)PLC給定相關(guān)參數(shù)，并觀察變頻器位置控制定位效果，如果定位效果不佳，可以從以下幾個(gè)方面考慮調(diào)整。

a.檢測(cè)位置編碼器的屏蔽線是否連接。

調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該屏蔽線對(duì)于動(dòng)態(tài)過(guò)程有一定的影響，將編碼器屏蔽線按照手冊(cè)進(jìn)行接線。

剛開始，我們還信心滿滿，搭得飛快，但每次我們連開頭的龍形都沒有搭完，骨牌就一連串地倒了。我們一次次地嘗試，發(fā)現(xiàn)龍形搭起來(lái)并不簡(jiǎn)單，特別是轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，兩塊骨牌不能平行，不然等下后面的牌會(huì)壓不住前面的牌。兩個(gè)人吃一塹長(zhǎng)一智，小心翼翼地合作，好不容易搭出了龍形最難的U字形部分，不禁長(zhǎng)長(zhǎng)地松了一口氣。誰(shuí)知道，氣松得太早了，我的手不小心帶倒了中間那塊骨牌，只聽“嘩啦啦”，搭好的“龍”向兩頭潮水般倒了下來(lái)?！鞍。歼@么長(zhǎng)了！太可惜了！”我們兩個(gè)都驚叫起來(lái)。

b.對(duì)變頻器進(jìn)行AUTOTUNE自整定。

在輥床上沒有滑撬的情況下（自整定過(guò)程電機(jī)需要運(yùn)行），對(duì)變頻器進(jìn)行自整定，包括動(dòng)態(tài)整定、慣量整定。整定方式通過(guò)DriveTools軟件或者是變頻器面板來(lái)完成。

c.調(diào)節(jié)變頻器位置環(huán)、速度環(huán)Kp，Ki參數(shù)值。

不同工位雖然電機(jī)、負(fù)載相同，但是由于機(jī)械安裝的不同也會(huì)造成電機(jī)負(fù)載不同，可以通過(guò)調(diào)節(jié)位置環(huán)、速度環(huán)的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般先調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)速度環(huán)，再調(diào)節(jié)外環(huán)速度環(huán)的方式。位置環(huán)參數(shù)：839—Psn Reg Kp，838—Psn Reg Ki；速度環(huán)參數(shù)：645—Speed Reg Kp；647—Psn Reg Ki。注意：速度環(huán)PI參數(shù)只有在參數(shù)639為0的情況可手動(dòng)變更，否則PI參數(shù)為根據(jù)639參數(shù)值自動(dòng)計(jì)算的方式獲取。

5 柔性高速輸送系統(tǒng)的到位精度控制

柔性高速輸送系統(tǒng)由于具有高速輸送、高速切換的特點(diǎn)，因此為了保證輸送切換到位的精度，應(yīng)力求在機(jī)械和電氣方面做到完美結(jié)合，達(dá)到到位準(zhǔn)確的目標(biāo)。

5.1 升降滾床的下部固定支座和上部活動(dòng)骨架之間的x-y定位控制

對(duì)于升降滾床上部活動(dòng)骨架在x-y方向的定位，采用軸承沿導(dǎo)向桿上下滾動(dòng)的方式如圖12所示。導(dǎo)向桿為四面體固定在下部支撐基座上，x向限位輪和y向限位輪固定在上部活動(dòng)骨架上，整套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前后四組布置，保證上部活動(dòng)骨架在x-y向的定位精度。

對(duì)于升降高度的控制通過(guò)前后四組擺臂凸輪同步驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在下降時(shí)上部活動(dòng)骨架落在四根支撐柱上保證上部活動(dòng)骨架的穩(wěn)定，如圖13所示。

5.2 臺(tái)車夾具的定位控制

臺(tái)車夾具運(yùn)行中在y方向的定位機(jī)構(gòu)是兩個(gè)導(dǎo)輪卡著一根軌道滾動(dòng)，兩組導(dǎo)輪放置在臺(tái)車的前后兩端，軌道固定在滾床上部，臺(tái)車高速運(yùn)行時(shí)導(dǎo)輪就沿著軌道滾動(dòng)，限制臺(tái)車在y方向的偏移，保證在y方向的定位精度。

圖12 升降滾床上部活動(dòng)骨架在x-y方向的定位

圖13 升降高度的控制

臺(tái)車夾具運(yùn)行中在x方向的定位機(jī)構(gòu)是讀碼器和抱緊機(jī)構(gòu)雙重控制（見圖14）。編碼尺固定在臺(tái)車上隨臺(tái)車移動(dòng)，讀碼器固定在滾床上部，抱緊機(jī)構(gòu)固定在滾床上部。當(dāng)臺(tái)車運(yùn)行到讀碼器一定距離開始減速，到位后電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，抱緊機(jī)構(gòu)抱緊臺(tái)車并糾正到位。

圖14 臺(tái)車夾具運(yùn)行中x方向的定位機(jī)構(gòu)

通過(guò)機(jī)械和電氣的控制，可以保證白車身和臺(tái)車夾具的配合精度為：x方向±0.1mm，y方向±0.1 mm。這樣的精度能保證白車身的焊接質(zhì)量。

通過(guò)奇瑞大連A16項(xiàng)目及五工廠M16項(xiàng)目在二級(jí)總成焊接線的應(yīng)用推廣，相信該柔性高速輸送系統(tǒng)必將應(yīng)用越來(lái)越廣。