董 豪，孫英培，李永聰，孟憲樂，關(guān)玉明

(1.天津福臻工業(yè)裝備有限公司，天津 300350； 2.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300130)

一種用于汽車白車身焊接的高精度輥床設(shè)計研究*

董 豪1，孫英培2，李永聰2，孟憲樂2，關(guān)玉明2

(1.天津福臻工業(yè)裝備有限公司，天津 300350； 2.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300130)

當今汽車制造業(yè)向著高精、多品種、多元化的方向發(fā)展，在汽車白車身的焊接過程中，為了實現(xiàn)焊接工藝的完整性，提高焊接的精度和效率，需要多組高速高精度輥床來與焊接機器人高效配合。介紹了一種高速高精度的輥床結(jié)構(gòu)以及其控制系統(tǒng)，使用三菱PLC作為其主控制器實現(xiàn)輥床的控制工藝。該輥床裝備具有高精度，速度快，穩(wěn)定性強，可靠性高，運行方便等優(yōu)點。對我國汽車制造業(yè)向著高水平的方向發(fā)展具有重要的指導意義。

高速；高精度； 輥床；研究應用

Abstract: Automobile manufacture-industry is focusing on the high precision, varieties and diversified development recently. The welding process needs efficient worked multiple sets of roller bed to make the integrity of the welding technology and the improvement of welding efficiency realized. In this paper, a kind of high speed and accurate roller bed structure and its control system are introduced, which employs Mitsubishi PLC as major controller to make control process of rolling bed come true. This roller bed equipment has the advantages of higher precision, higher speed, higher stability, reliability and convenient operation, which is significant to the high-level development of motor industry in China.

Key words: high speed; high precision; roller bed; control study

0 引 言

隨著我國汽車生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，汽車工業(yè)在國民生產(chǎn)中占有越來越重要的地位，我國的汽車裝備制造業(yè)正在朝著柔性、高效、高精、智能的主流方向發(fā)展。為了適應市場競爭全球化，顧客和市場需求多樣化、個性化發(fā)展，汽車業(yè)由傳統(tǒng)的單品種、大批量生產(chǎn)方式向多品種、中小批量及“變種變量”的生產(chǎn)方式過渡，以生產(chǎn)者為主導的生產(chǎn)方式逐步向以消費者為主導的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，因此開發(fā)和推廣能夠大幅降低投資成本，提高生產(chǎn)效率的柔性生產(chǎn)方案顯得尤為重要[1]。對于大批量自動化汽車生產(chǎn)線，在汽車白車身焊接過程中，往往采用大量的機器人和自動化設(shè)備來實現(xiàn)整個生產(chǎn)線的自動化運行。為了提高效率，保證生產(chǎn)線的連續(xù)運行，提出一種高速高精度輥床的結(jié)構(gòu)，多組這樣的輥床能夠?qū)崿F(xiàn)高效高精度地與焊接機器人完成汽車白車身的焊接工藝。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

高速高精度輥床的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。示意圖如圖2所示。

圖1 高速高精度輥床的基本機構(gòu)圖

在結(jié)構(gòu)設(shè)計當中，其中升降輥床25個，普通輥床2個。升降：電機減速機SEW型K87DRS132M4/BE11/HF/TF/ABB8-2，i=49.16，P=7.5 kW。制動電壓380V(變頻調(diào)速)丹佛斯變頻器型號：FC-302P5K5T5E66H2BGC1XXSXXXXALBXC4XXXDX。行走：電機減速機：SEW型號：K47DRS100M4/BE5/HF/TF/ABB8-X，i=9.1，P=3 kW。制動電壓380V(變頻調(diào)速)丹佛斯變頻器型號：FC-302P11KT5E66H2BGC1XXSXXXXALBXC4XXXDX。行程開關(guān)2個，接近開關(guān)共11個，(其中2個普通輥床只有接近開關(guān)7個)。兩位三通電磁閥(常通)，以上電器即減速機，制動電阻，變頻器和感應開關(guān)均按照功能匹配購買。

節(jié)拍:行走5.5 m，節(jié)距5.5 s；行走6 m，節(jié)距6 s。升降：上升2.8 s；下降2.8 s。所以總過程：5.5 m，節(jié)距11.1 s；6 m，節(jié)距11.6 s。其速度時間圖如圖3所示。

圖2 高速高精度輥床 圖3 高速高精度輥床的節(jié) 的示意圖 拍速度時間圖

2 工作過程

輥床等待工作狀態(tài)(即待機位)：輥床處于高位上升占位開關(guān)CX7a， 定位低位開關(guān)CX8有信號。如果本工位上部無滑撬即停止開關(guān)CX2、減速開關(guān)CX3和占位開關(guān)CX4均無信號，則上一工位行走電機啟動時，本工位行走M1電機同時啟動；

如果本工位上部有滑撬即停止開關(guān)CX2、減速開關(guān)CX3和占位開關(guān)CX4均有信號，則本工位滑撬開始行走后(本工位占位信號CX4消失并且本工位前安全開關(guān)CX1有信號后，上一工位行走電機啟動滑撬可以進入。

滑撬開進本工位后，碰到減速開關(guān)CX3有信號后,行走電機M1開始減速，同時電磁閥HFX1得電換向，氣缸迅速伸出。碰到停止開關(guān)CX2，行走電機M1停止。

滑撬行走到位時，停止開關(guān)CX2、減速開關(guān)CX3、占位開關(guān)CX4和定位高位開關(guān)CX9均有信號(此處可能增加有車無車信號，無車不下降)，此時升降電機M2可以下降，下降時碰到下降占位開關(guān)CX6a不停止，一直降到下降停止開關(guān)CX6b有信號，升降電機M2停止。等待焊接完成信號(外部信號)，得到焊接完成信號后，升降電機M2啟動，同時定位氣缸縮回，輥床升起碰到上升占位開關(guān)CX7a不停止，一直到碰到上升停止開關(guān)CX7b輥床停止升降并且做50ms防顫處理。下一個工位滿足待機條件，則本工位行走電機啟動，滑撬行走。重新滿足待機條件，進行下一次循環(huán)。第一個輥床升起后滿足待機條件(即本工位沒有滑撬或本工位滑撬已經(jīng)行走至前保護開關(guān))需要給對方信號后，升降機上滑撬方可開進。最后一個輥床，等待焊接完成后升起，需對方升降機給可前進信號后方可輸送。

連鎖條件：維修開關(guān)CX10a、b串聯(lián)用常閉點，任何一個無信號時做斷電保護，即全線電機不可開動 ?；诵凶邥r，經(jīng)過前后保護開關(guān)時，不報警?；送Ｖ箷r前后保護開關(guān)起作用。

3 控制系統(tǒng)

核心控制器的選擇：本研究內(nèi)容涉及到模擬量的輸入和輸出問題，所以需要選擇具有通信功能的PLC[2]。這里選擇具有強大擴展性功效的三菱FX3U-48MR/ES-A可編程控制器，其帶有模擬量輸入、輸出適配器、24路數(shù)字輸入量以及24路數(shù)字輸出量。這里選擇與PLC配套的FX3U-4AD-ADP (4通道模擬量輸入)模塊，其模擬量參數(shù)的輸入范圍：電壓輸入范圍：DC 0V～10V；電流輸入范圍：DC 4mA～20mA。PLC I/O分配表見表1所列。

表1 PLC I/O分配表

濾波器的選擇：選擇應用上海安州電子EMI濾波器AN-3A2DW。因為PLC起到非常重要的控制作用，所以在現(xiàn)場環(huán)境非常惡略的環(huán)境下，需要給PLC提供可靠安全的電源。單相交流電源濾波器對于差模和共模的干擾，具有非常好的抑制作用。

應用三菱PLC對高速高精度輥床進行程序的編制，其工藝框圖如圖4。

圖4 高速高精度輥床的控制工藝框圖

4 運行相關(guān)要求[3-4]

(1) 往復升降。

(2) 上升到位后必須做50ms延遲防顫處理， 下降到位可以不做。

(3) 上升、下降占位信號不負責停止，上升、下降停止信號不負責占位，停止信號發(fā)出后即不再起作用，安全防護：升降占位信號失效：升降停止有信號后無占位信號則報警；升降停止信號失效：升降占位信號有后過0.2 s后消失，報警。

(4) 維修開關(guān)CX10a、b串聯(lián)用常閉點，電常通。

(5) 下降時定位裝置高位開關(guān)CX9有信號。

(6) 上升時定位裝置氣缸同時下降。

(7) 行走所有輥床基本同時運行(滿足條件時)。

(8) 本工位輥床可以前進的條件：①下一個工位輥床已經(jīng)前進，其占位開關(guān)信號CX4變無且前安全開關(guān)CX1有信號；②下一工位無滑撬 即下一工位停止開關(guān)CX2、減速開關(guān)CX3和占位開關(guān)CX4均無信號，同時啟動兩個工位行走電機M1。

(9) 定位裝置，定位低位開關(guān)CX8有信號為初始點，輥床行走時，滑撬到達減速開關(guān)，氣缸上升-被滑撬壓下-到位氣缸上升，定位高位開關(guān)CX9有信號

時表明行走已經(jīng)到位，且已經(jīng)停止。

(10) 占位，停止、減速、定位高位都有信號表明滑撬行走到位，行走到位不做防顫處理也不延時。

(11) 行走安全：①滑撬行走到位時，前后安全開關(guān)如果有信號則報警；②占位開關(guān)如果失效，停止、減速、定位高位開關(guān)有信號，前后安全開關(guān)無信號，則報警；③如果減速開關(guān)失效，無減速信號直接有停止信號，緊急制動，此時占位、定位高位、減速和后安全開關(guān)都無信號，前安全開關(guān)有信號則報警；④如果停止開關(guān)失效 減速、定位高位和占位開關(guān)有信號，前后安全開關(guān)無信號，則報警；⑤前安全開關(guān)如果失效，占位失去信號0.2 s后前安全開關(guān)仍無信號，則報警；⑥如果后安全開關(guān)失效：上一工位前安全開關(guān)有信號1s后此工位后安全開關(guān)仍無信號，則報警。

升降變頻器設(shè)置：變頻器40 Hz運行；啟動時間0.1 s；停止做50 ms防顫處理；速度：電機轉(zhuǎn)速1 160 r/min。

行走變頻器設(shè)置：啟動0.75 s，a=2 m/s，S=500 mm；停止1.2 s，a=1.2 m/s，S=700 mm；速度：電機轉(zhuǎn)速1 400 r/min，線速度：1.45 m/s。

5 總 結(jié)

在汽車白車身焊接過程中，為了能夠配合焊接機器人高效地工作，設(shè)計應用了一種高速高精度輥床的結(jié)構(gòu)，并應用三菱可編程控制器完成對其的控制功能。實踐證明多套這樣的輥床結(jié)合起來能夠很好地發(fā)揮焊接機器人在汽車白車身焊接過程當中的作用，對我國汽車制造業(yè)向著高水平的方向發(fā)展具有重要的指導意義。

需要注意：第一個輥床升起后滿足待機條件(即本工位沒有滑撬或本工位滑撬已經(jīng)行走至前保護開關(guān))需要給對方信號后，升降機上滑撬方可開進。最后一個輥床，等待焊接完成后升起，需對方升降機給可前進信號后方可輸送。

[1] 晁永生，劉海江. 白車身焊接機器人加工路徑優(yōu)化和仿真[J].中國機械工程，2010(4): 442-445.

[2] 石亞茹，孫英培，李永聰，等. 基于CC-Link總線的懸臂式堆取料機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2013(15): 125-128.

[3] 劉海江，張春偉，姜冬冬. 白車身焊接機器人干涉問題研究[J].機械設(shè)計，2011(3): 41-43.

[4] 趙 寧，李小川. 汽車白車身焊接工藝性評審典型問題淺析[J].焊接技術(shù)，2014(1): 52-55.

Research and Application of a High Speed and High Precision Roller Bed for Car Bady in White Welding

DONG Hao1, SUN Ying-pei2, LI Yong-cong2, MENG Xian-le2, GUAN Yu-ming2

(1.TianjinAssetIndustrialEquipmentCo.，Ltd，Tianjin300350，China； 2.HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300130，China)

2014-07-03

董 豪(1978-)，男，山東乳山人，助工，主要從事技術(shù)管理，生產(chǎn)線設(shè)備的方案規(guī)劃，審核等整體管理工作。

TG51

A

1007-4414(2014)04-0037-03