田 勇，周偉麗

（上汽通用五菱汽車有限公司，廣西 柳州545007）

伺服自動焊接控制技術(shù)是國內(nèi)焊接設(shè)備自動化水平提高的瓶頸因素，目前國內(nèi)焊接設(shè)備存在的自動化程度相對較低，焊接位置誤差較大，以及復(fù)雜工位難以企及等特點(diǎn)，本研究課題主要針對汽車廠的白車身的裙邊及輪罩區(qū)域設(shè)計出一套自動化程度較高，焊接位置較為精確，能實(shí)現(xiàn)多軸控制的伺服控制系統(tǒng)。

首先以實(shí)現(xiàn)裙邊區(qū)域的精確焊接及輪罩區(qū)域的多軸轉(zhuǎn)動為目的，研制開發(fā)了一臺三軸聯(lián)動的自動焊接機(jī)床，重點(diǎn)設(shè)計制造了焊槍姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，并確立了以PLC控制器結(jié)合E網(wǎng)遠(yuǎn)程控制設(shè)備IO實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)進(jìn)行精確控制的高自動化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由控制器對自動焊的焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)的閉環(huán)精確控制。本文首先根據(jù)車身焊點(diǎn)要求設(shè)計出自動焊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)焊點(diǎn)位置確定軌道、軸向、焊鉗規(guī)格，估算整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量。其次，在生產(chǎn)線的工藝及節(jié)拍的要求下，依據(jù)Motion Analyzer分析軟件對裙邊及輪罩自動焊的選型進(jìn)行分析，以計算在規(guī)定的時間內(nèi)能否將設(shè)計的焊點(diǎn)按時完成，選擇合適的伺服電機(jī)及控制器，并設(shè)計出伺服控制電機(jī)的整套控制系統(tǒng)。最后，該伺服自動焊的操作由控制臺完成，根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)計出該伺服控制系統(tǒng)的控制面板，包括各個軸向的選擇，前進(jìn)、后退等操作以及故障指示，焊接及復(fù)位等。

最后，對所設(shè)計閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)可能存在的誤差以及系統(tǒng)精度進(jìn)行了分析、改善，并對伺服自動焊控制系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試，完成了初步的試驗(yàn)分析，并投入生產(chǎn)。本文所設(shè)計的自動焊接機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，位置精確，控制系統(tǒng)可靠，成本低，維修方便，且系統(tǒng)界面友好、操作簡單，基本能完成預(yù)定功能，為進(jìn)一步自動焊接技術(shù)試驗(yàn)以及高水平自動焊接設(shè)備的開發(fā)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)及組成

伺服自動焊系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由焊接框架、焊鉗、滾珠絲杠構(gòu)成。

1.1 焊接框架結(jié)構(gòu)

焊接的機(jī)械結(jié)構(gòu)由焊點(diǎn)的工藝確定，焊接的軌道需基于預(yù)定的焊點(diǎn)軌跡進(jìn)行設(shè)計，以方便可達(dá)為目的。焊接框架機(jī)構(gòu)是主體，材料要求—Q235A，包括型鋼及板材，板材厚度不得低于16 mm，型號符合GB要求；焊接牢固可靠，直線導(dǎo)軌安裝面加工精度滿足所選用的直線導(dǎo)軌技術(shù)要求；精度要求高的固定安裝面粗糙度≤3.2；設(shè)計出的裙邊自動焊機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 自動焊框架結(jié)構(gòu)

1.2 焊鉗

焊鉗的設(shè)計是焊點(diǎn)可達(dá)的關(guān)鍵因素，焊鉗的設(shè)計可以根據(jù)焊點(diǎn)的要求設(shè)計成多維空間，例如在輪罩區(qū)域，需采用X、Y、Z三軸聯(lián)動的方式，選用合適長度的焊鉗配合軌道結(jié)構(gòu)，在控制器的驅(qū)動下可以實(shí)現(xiàn)焊鉗的焊接操作。本文中采用焊機(jī)和焊鉗一體式焊鉗，變壓器采用獨(dú)立循環(huán)水冷卻，焊機(jī)動力線接入處增加方便維護(hù)的空開，并考慮焊接有效接地，焊接開關(guān)和安全關(guān)斷開關(guān)引入操作盒，與其他結(jié)構(gòu)有效絕緣，圖2中顯示為焊鉗的不同規(guī)格。

圖2 自動焊焊鉗

1.3 滾珠絲杠

什么樣的驅(qū)動方式?jīng)Q定了電機(jī)的選型，如滾珠絲杠或者齒輪驅(qū)動，本文中滾珠絲杠的驅(qū)動方式，更有利于電機(jī)的精度控制，絲杠的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，滿足軸向剛度最大，位移精度控制在0.5mm以內(nèi)。本文中的滾珠絲杠采用兩端固定式，若長度較長則需要在中間增加支撐，以防在后期的運(yùn)行中變形導(dǎo)致電機(jī)過載報警。圖3為滾珠絲杠的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 絲杠的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 伺服電機(jī)和控制器的選型

根據(jù)工藝要求完成如上的機(jī)械設(shè)計后，就可以進(jìn)行伺服電機(jī)及控制器的選型了。伺服自動焊能否滿足生產(chǎn)要求，電機(jī)和控制器的選型非常關(guān)鍵，影響選型的因素有：驅(qū)動軸、節(jié)拍、焊點(diǎn)、負(fù)載、路徑、慣量、驅(qū)動方式、運(yùn)動方向等等，通常這些參數(shù)在進(jìn)行完第一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計之后就可以獲得。搞清楚所有的工藝類別后，再選擇所需要的電壓等級及電流等級，在本文所談及的伺服自動焊設(shè)計中，選擇了AB的Motion Analyze電機(jī)選型分析軟件進(jìn)行伺服自動焊選型和焊點(diǎn)路徑設(shè)計分析。本文以門檻裙邊與輪罩區(qū)域焊接區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行分析。

工藝要求如下：單邊焊接點(diǎn)數(shù)越35點(diǎn)，單邊使用兩把焊鉗，采用75 KVA變壓器，假設(shè)變壓器不隨驅(qū)動臺運(yùn)動；直線X軸、Y軸、Z軸方式為滾珠絲杠式+滑軌。X軸左右各一套，重量480 kg；Y軸左右各兩套，重量220 kg；Z軸左右各一套，重量約120 kg.

整個周期設(shè)計T=90 s，以X軸為例：X軸移動軌跡：焊點(diǎn)距離Lx=50~60 mm，Tx=0.8 s，焊接時間1.2 s/點(diǎn)，總焊接時間 2 s×20=40；速度 =75 mm/s;運(yùn)行距離L=1 200mm，運(yùn)行時間15 s.在軟件中輸入我們需要的焊點(diǎn)的軌跡，如圖4的示例。

圖4 自動焊焊點(diǎn)軌跡的設(shè)計示例

滿足條件的電機(jī)和驅(qū)動器的選型示例，如圖5所示。

圖5 自動焊電機(jī)及驅(qū)動器選型示例

根據(jù)擇優(yōu)選擇的原則，從Motion Analyze的推薦選型中選擇AB的MPL-A1530U-EJ74AA低慣量伺服驅(qū)動電機(jī)搭配Kinetix350的伺服驅(qū)動器。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試

3.1 控制系統(tǒng)模型設(shè)計

伺服自動焊的位置控制是由該伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動器結(jié)合上位PLC來完成，本次PLC設(shè)計采用的是AB的GUARDLOGIX500系列。伺服電機(jī)及驅(qū)動器在本設(shè)計中的控制模型為星網(wǎng)的通訊結(jié)構(gòu)，如圖6.整個系統(tǒng)由中樞系統(tǒng)PLC控制器為中心，通過交換機(jī)連接伺服驅(qū)動器連接伺服電機(jī)。外圍的安全設(shè)備如光柵，急停等，應(yīng)該確保該工位運(yùn)動的時候不會有人誤闖造成意外傷害，上位系統(tǒng)由維護(hù)工程師站，人機(jī)界面和ANDON呼叫構(gòu)成，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，能夠迅速鎖定故障，進(jìn)行生產(chǎn)恢復(fù)。

圖6 控制系統(tǒng)布局

3.2 伺服自動焊電纜安裝

伺服驅(qū)動電機(jī)連接在在伺服驅(qū)動器Kinetix 350的下面，PLC和電機(jī)的數(shù)據(jù)交換由伺服驅(qū)動器來完成，如圖7所示。伺服電動機(jī)和伺服驅(qū)動器的連線由兩根預(yù)制高柔性電纜進(jìn)行連接—電機(jī)反饋電纜和電機(jī)電源電纜，伺服電機(jī)自帶的智能電機(jī)技術(shù)可以提供自動識別電動機(jī)到驅(qū)動器的連接是否正確，減少了調(diào)試時間，它的高精度性能可以達(dá)到電動機(jī)每轉(zhuǎn)超過2 000 000個位置計數(shù)。

伺服驅(qū)動器的電源為三相輸入或單相輸入電源，在接收PLC的信號后可對電機(jī)的啟停進(jìn)行控制，外圍的安全信號可通過接入安全關(guān)斷扭矩達(dá)到緊急停機(jī)的目的。伺服驅(qū)動器還將電動機(jī)、絲杠執(zhí)行器和高分辨率絕對值反饋元件集成在一個單元內(nèi)，以減少機(jī)械的復(fù)雜程度和組裝需求。

當(dāng)伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器全部集成到圖7所示的自動化控制系統(tǒng)之后，可以實(shí)現(xiàn)在Rslogix5000的軟件環(huán)境進(jìn)行精確定位，速度控制以及負(fù)載運(yùn)動。

圖7 電機(jī)驅(qū)動器的電纜及連接方式

3.3 伺服自動焊動作邏輯

當(dāng)設(shè)備組成一個完整的閉環(huán)控制體系后，我們就可以對伺服自動焊的動作進(jìn)行調(diào)試及邏輯驗(yàn)證了。

在本次的研究中，伺服自動焊接系統(tǒng)是與往復(fù)桿輸送的邏輯配合，其自動循環(huán)工藝如下：

（1）往復(fù)桿輸送線下降到位并后退到位后，若當(dāng)前工位和輸送線體控制無急停等安全信號，車身零件落到定位銷中后，主定位開始關(guān)夾并判斷索要焊接的車型；

（2）等主定位夾緊到位后，PLC給伺服自動焊使能啟動信號和車型信息，伺服自動焊檢測焊接條件是否滿足；

（3）若條件無異常，則根據(jù)本工位的車型信息，調(diào)用對應(yīng)車型的伺服控制程序進(jìn)行焊點(diǎn)位置移動；

（4）伺服自動焊按照規(guī)定的焊點(diǎn)軌跡開始運(yùn)行，運(yùn)行至每一個焊點(diǎn)的位置時，PLC都會對伺服控制器編碼器反饋值和焊點(diǎn)位移設(shè)定值進(jìn)行匹配比較，若差距過大，伺服自動焊停止，并報警。若在正常范圍內(nèi)，則焊鉗夾緊，自動焊的伺服控制器通過以太網(wǎng)IO方式發(fā)出焊接命令；

（5）焊接控制器接收焊接命令，焊接完成后反饋給自動焊伺服控制器焊接完成信號；

（6）自動焊伺服控制器收到焊接完成信號后，命令焊鉗打開；

（7）焊鉗打開后，伺服自動焊繼續(xù)移動到下一個位置，則執(zhí)行下一個焊點(diǎn)焊接，以此類推，待所有的焊點(diǎn)焊接完成時，伺服自動焊回初始位置；

（8）輸送線上升并向下一個工位移動車體，清除伺服自動焊的焊接完成信號及位置信息；

（9）下一臺車體到達(dá)，循環(huán)繼續(xù)。至此完成伺服自動焊的全部動作設(shè)計。

3.4 伺服自動焊的改善

3.4.1 伺解決回零點(diǎn)、限位過位的問題

在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，該伺服自動焊系統(tǒng)存在著零位漂移及限位過位現(xiàn)象。為解決零位的漂移問題，設(shè)計了一個回零點(diǎn)檢測開關(guān)和伺服控制系統(tǒng)零位相互校驗(yàn)，為了控制位置精度，回零點(diǎn)的開關(guān)的直徑會比較小，控制在M8以內(nèi)。在運(yùn)動方式上，采用回退過零點(diǎn)，在正方向運(yùn)行至零點(diǎn)的找零運(yùn)動方式，使用后效果良好。為解決焊接過位問題，提高自動焊焊點(diǎn)參考點(diǎn)的一致性，除了設(shè)置軟件上的限位以外，在伺服自動焊的運(yùn)動方向上設(shè)置了正限位開關(guān)和負(fù)限位開關(guān)，并設(shè)計了機(jī)械擋塊，如圖8所示。

圖8 伺服自動焊傳感器設(shè)置

3.4.2 解決多維空間焊接問題

在汽車行業(yè)白車身焊接中，有許多區(qū)域需要使用多維空間焊接，該區(qū)域的特點(diǎn)是焊點(diǎn)分布較均勻、焊接干涉少，但僅僅使用單軸，部分焊點(diǎn)不可達(dá)，而使用多軸自動焊系統(tǒng)則相對容易。在本次的研究中同樣也遇到了需要多維空間焊接的問題。

針對不同方向的焊接，如輪罩區(qū)域，采用多個單軸伺服電機(jī)組合，組成多軸伺服自動焊系統(tǒng)的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)X軸、Y軸、Z軸、焊鉗旋轉(zhuǎn)等動作，基本滿足多位置的焊接需求。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，效果良好。

3.5 伺服自動焊非常態(tài)下的手動操作

在完成伺服自動焊控制系統(tǒng)的調(diào)試之后，正常情況下，伺服自動焊系統(tǒng)科自動運(yùn)行，不需要手動操作，但一旦故障發(fā)生，無法自動運(yùn)行時，為保證生產(chǎn)，必須手動操作。在本次的設(shè)計研究中，同樣配備了自動焊系統(tǒng)的手動操作—操作臺。本系統(tǒng)的伺服自動焊的操作臺面設(shè)計如圖9所示。

圖9 自動焊的操作面板設(shè)計

整個面板共設(shè)計15個按鈕，可根據(jù)需要布置在不同的區(qū)域。通過選擇X、Y、Z不同軸向，按下前進(jìn)或后退按鈕，可實(shí)現(xiàn)伺服自動焊的手動操作，并可以發(fā)出焊接命令至焊接控制器，實(shí)現(xiàn)手動焊接焊點(diǎn)的目的。至此，整個伺服自動焊控制系統(tǒng)的全部功能已基本完備，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，運(yùn)行至今，故障率低，定位精度準(zhǔn)確，極少發(fā)生漏焊或錯焊，該伺服控制系統(tǒng)在車身焊接各領(lǐng)域都得以使用，效果良好。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于TCP/IP的以太網(wǎng)協(xié)議集成、不同設(shè)備容易集成，將伺服控制系統(tǒng)集成在AB的控制器中，更加便于控制整個系統(tǒng)的動作位移及精度，伺服自動焊接系統(tǒng)相比與焊接機(jī)器人，具有造價低，使用維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用Rockwell以太網(wǎng)IO控制伺服控制系統(tǒng)組合具有可靠性高、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快、方便IO擴(kuò)展、節(jié)約投資成本等優(yōu)點(diǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計，減少了電控系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試周期，打破傳統(tǒng)現(xiàn)場總線控制形式，采用開放式的以太網(wǎng)控制，使用維護(hù)更方便。

設(shè)計時優(yōu)先考慮現(xiàn)有通用型設(shè)備，以標(biāo)準(zhǔn)通用協(xié)議替代專用協(xié)議，解決不同品牌設(shè)備直接進(jìn)行通訊困難的問題，體現(xiàn)了“低成本、高價值”的設(shè)計理念，采用簡單自動焊代替人工焊接的工藝設(shè)計，實(shí)際運(yùn)行滿足設(shè)計節(jié)拍，節(jié)約人力資源成本。同時在機(jī)器人機(jī)械手不便到達(dá)的區(qū)域，伺服自動焊也是一個非常不錯的選擇。