胡建平 李海峰 梁 凱 孫成亮 張洋洋

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司,沈陽,110168）

0 引言

目前國內(nèi)乘用車白車身主要以碳鋼車身為主，部分為鋼鋁混合車身，乘用車白車身輕量化一直為技術(shù)前沿，俗話說“增加一馬力不如減重一公斤”，輕量化對于現(xiàn)代汽車的重要性早已不言而喻，尤其在新能源汽車領(lǐng)域，車身更輕意味著電池續(xù)航、操控更好、剎車距離更短、加速更短等優(yōu)勢。所以，各大汽車廠家在乘用車領(lǐng)域，使用最多的無疑是鋁制車身。

傳統(tǒng)車身焊接主要采用點(diǎn)焊工藝，輔助弧焊、激光焊等工藝方法，全鋁白車身采用的焊接工藝主要有鉚接、螺接、電阻焊、激光焊等。與鋼板相比，鋁板韌性差，較難沖壓。延展性差且加工困難，這造成鋁板的沖壓成型與鋼板相比，制造設(shè)備與工藝的精度要求更高，從而直接拉高了企業(yè)的制造成本。

對此，筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)研制的全鋁白車身焊接方案主要采用弧焊工藝，輔助點(diǎn)焊、鉚接、膠結(jié)等工藝方法；采用擠壓鋁型材，輔助用穩(wěn)定、可靠、結(jié)構(gòu)簡單的鋁板沖壓件，為企業(yè)進(jìn)一步降低原材料制造成本；再深入研究分析，通過智能控制實(shí)現(xiàn)全鋁白車身自動(dòng)弧焊，形成全鋁白車身自動(dòng)弧焊系統(tǒng)解決方案。

1 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的全鋁白車身自動(dòng)弧焊系統(tǒng)解決方案是新建一條焊接自動(dòng)化率85%以上的車身焊接生產(chǎn)線，采用機(jī)器人自動(dòng)焊接、自動(dòng)輸送。主要工位包含有：駕駛室前圍總成工位，駕駛室左、右側(cè)圍總成工位，駕駛室前端模塊總成工位，駕駛室后圍總成工位，駕駛室頂蓋總成工位，車身總成焊接工位，人工單軸變位機(jī)補(bǔ)焊工位，人工打磨工位，人工拋光工位，自動(dòng)檢測工位（含打標(biāo)工位），返修工位，部件各工位的存放區(qū)，整線物流以及集中除塵等設(shè)備。

2 產(chǎn)能要求

本方案設(shè)計(jì)的汽車車身焊接生產(chǎn)線，按照下述要求設(shè)計(jì)：每年產(chǎn)能需求60000套；每天雙班生產(chǎn)制，每班生產(chǎn)8h，設(shè)備利用率85%；單套產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍215s。

3 工藝流程分析

工藝流程設(shè)計(jì)要考慮流程的合理性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性、可控制等各個(gè)方面，國內(nèi)的工藝流程設(shè)計(jì)越來越注重以下幾個(gè)方面：

1）盡量采用成熟的、先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備；

2）盡量減少三廢排放量，有完善的三廢治理措施，以減少或消除對環(huán)境的污染，并做好三廢的回收和綜合利用；

3）確保安全生產(chǎn)，一同保證人身和設(shè)備的安全；

4）盡量采用機(jī)械化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

4 生產(chǎn)線系統(tǒng)方案

自動(dòng)生產(chǎn)線是由自動(dòng)化機(jī)器體系實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝過程的一種生產(chǎn)組織形式。它是在連續(xù)流水線的進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的，特點(diǎn)是：加工對象自動(dòng)地由一個(gè)工作站單元傳送到另一個(gè)工作站單元，并由工作站單元自動(dòng)地進(jìn)行加工、裝卸、檢驗(yàn)等；工人的任務(wù)僅是調(diào)整、監(jiān)督和管理自動(dòng)線，不參加直接操作;所有的機(jī)器設(shè)備都按統(tǒng)一的節(jié)拍運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)過程是高度連續(xù)的。本設(shè)計(jì)自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)平面布局圖

4.1 系統(tǒng)三維平面布局

系統(tǒng)三維平面布局圖見圖2所示，其中：

1）三維布局長120m，寬48m，高10m；

2）共計(jì)五個(gè)單元：底架單元，車身總成單元，客艙單元，貨艙單元，機(jī)艙、車門、保險(xiǎn)杠單元；

3）節(jié)拍 215s。

圖2 系統(tǒng)三維平面布局圖

4.2 系統(tǒng)物流路線

物流系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)而設(shè)計(jì)的由各相互作用、相互依賴的物流要素(或子系統(tǒng))所構(gòu)成的有機(jī)整體。要建立一個(gè)物流系統(tǒng)，就需要首先在物流系統(tǒng)規(guī)劃階段進(jìn)行物流系統(tǒng)的分析、物流系統(tǒng)的建模和物流系統(tǒng)的評價(jià)，然后就此做出決策。物流系統(tǒng)中的決策是在充分的資料基礎(chǔ)上，根據(jù)物流系統(tǒng)的客觀環(huán)境，借助于經(jīng)驗(yàn)、科學(xué)的理論和方法，在已提出的若干物流系統(tǒng)方案中，選擇一個(gè)合理的、滿意的方案的決斷行為。本系統(tǒng)物流路線見圖3所示。

物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要堅(jiān)持以下基本原則：

1）要堅(jiān)持發(fā)揮優(yōu)勢、整合資源的系統(tǒng)性原則；

2）要堅(jiān)持可行性原則；

3）要堅(jiān)持高效率、低成本原則；

圖3 系統(tǒng)物流路線圖

4）物資流動(dòng)順暢，柔性化，資源高利用率。

5 系統(tǒng)中的設(shè)備構(gòu)成

要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的生產(chǎn)線系統(tǒng)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行仔細(xì)分析，包括：

1）根據(jù)產(chǎn)能分析；

2）根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)要求分析；

3）根據(jù)合理的生產(chǎn)工藝流程分析；

4）根據(jù)實(shí)際提供場地分析；

5）根據(jù)生產(chǎn)物流分析。

綜合上述分析，在滿足產(chǎn)能和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供出所必需的、性價(jià)比高的設(shè)備配置。本設(shè)計(jì)提供的具體設(shè)備配置見表1。

表1 主要設(shè)備構(gòu)成

5.1 機(jī)器人以及焊接系統(tǒng)

在全鋁白車身機(jī)器人弧焊系統(tǒng)解決方案中，機(jī)器人以及焊接系統(tǒng)是最重要的，本設(shè)計(jì)其配置見表2。

表2 機(jī)器人以及焊接系統(tǒng)配置

表2 （續(xù)）

5.2 物流輸送設(shè)備

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中物流輸送設(shè)備的配置見表3所列。

表3 輸送系統(tǒng)配置

5.3 人工需求

目前全鋁白車身機(jī)器人弧焊系統(tǒng)解決方案還做不到完全無人化，在一些崗位上，還需要有人工配合工作。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具體人員需求配置見表4。

5.4 系統(tǒng)機(jī)器人詳細(xì)配置

弧焊機(jī)器人主要應(yīng)用于各類汽車零部件的焊接生產(chǎn)。根據(jù)單元功能需求選用不同負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)6軸工業(yè)機(jī)器人。

一般的弧焊機(jī)器人是由示教盒、控制盤、機(jī)器人本體及自動(dòng)送絲裝置、焊接電源等部分組成，可以在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制和點(diǎn)位控制，還可以利用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能焊接由直線及圓弧所組成的空間焊縫?；『笝C(jī)器人主要有熔化極焊接作業(yè)和非熔化極焊接作業(yè)兩種類型，具有可長期進(jìn)行焊接作業(yè)、保證焊接作業(yè)的高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，弧焊機(jī)器人正向著智能化的方向發(fā)展。

弧焊機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)化集成技術(shù)包括：弧焊機(jī)器人采用交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及高精度、高剛性的RV減速機(jī)和諧波減速器，具有良好的低速穩(wěn)定性和高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)功能。

協(xié)調(diào)控制技術(shù)包括：控制多機(jī)器人及變位機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，既能保持焊槍和工件的相對姿態(tài)以滿足焊接工藝的要求，又能避免焊槍和工件的碰撞。

精確焊縫軌跡跟蹤技術(shù)包括：結(jié)合激光傳感器和視覺傳感器離線工作方式的優(yōu)點(diǎn)，采用激光傳感器實(shí)現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤，提升焊接機(jī)器人對復(fù)雜工件進(jìn)行焊接的柔性和適應(yīng)性，結(jié)合視覺傳感器離線觀察獲得焊縫跟蹤的殘余偏差，基于偏差統(tǒng)計(jì)獲得補(bǔ)償數(shù)據(jù)并進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的修正，保證在各種工況下都能獲得最佳的焊接質(zhì)量。

5.5 焊接系統(tǒng)詳細(xì)配置

本方案設(shè)計(jì)的焊接系統(tǒng)詳細(xì)配置見表5所列。

表5 焊接系統(tǒng)詳細(xì)配置

6 控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)一般稱為電氣設(shè)備二次控制回路，不同的設(shè)備有著不同的控制回路，主要分高壓電氣設(shè)備與低壓電氣設(shè)備的控制方式。

6.1 硬件系統(tǒng)配置

本方案的控制系統(tǒng)采用PLC,觸摸屏采用10寸以上，具備10組以上配方功能?？刂瓶偩€采用Ethernet/IP總線，交換機(jī)采用Stratix系列交換機(jī)。

6.2 設(shè)計(jì)單元

電氣圖紙采用EPLAN繪制，控制系統(tǒng)供電采用交流380V，三相五線制，控制電壓直流24V。

安全回路設(shè)計(jì)要求符合ISO13849-1安全標(biāo)準(zhǔn)，柜內(nèi)左側(cè)強(qiáng)電，右側(cè)弱電分開走線，提高抗干擾能力?？刂葡到y(tǒng)唯一接地，位于柜內(nèi)接地銅排。

驅(qū)動(dòng)器位于控制柜下半部分，控制器及I/O模塊位于上半部分。

充分考慮EMC電磁干擾因素，采取必要措施提高抗干擾能力。

系統(tǒng)控制電纜進(jìn)出電控柜采用重載插頭連接?？刂葡到y(tǒng)24V供電采用電子保險(xiǎn)向負(fù)載供電，以降低設(shè)備將來老化帶來短路風(fēng)險(xiǎn)。

所有設(shè)備外殼必須可靠接地，所有金屬線槽連接處用接地金屬帶連接。

所有外部設(shè)備用電插座，必須通過合適漏電保護(hù)供電。

總線進(jìn)出控制柜要求有屏蔽處理。

6.3 編程單元

編程語言不局限于梯形圖，主要流程采用順序流程圖（SFC）,其余功能塊可采用梯形圖。

焊接單元要實(shí)現(xiàn)不同夾具的快換更換。焊接單元要能手動(dòng)操作夾具單個(gè)閥片動(dòng)作，也能在手動(dòng)模式下連續(xù)夾緊、松開。

觸摸屏要具備總線掉線診斷功能，存儲(chǔ)報(bào)警歷史記錄，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量節(jié)拍。

所有機(jī)器人采用統(tǒng)一的編程結(jié)構(gòu)，便于將來維修、診斷。

焊接機(jī)器人清槍數(shù)量可以在觸摸屏上設(shè)定。

6.4 觸摸屏

觸摸屏主界面見圖4所示。

觸摸屏實(shí)時(shí)顯示各個(gè)工作站的運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)、各接近開關(guān)及變頻器的工作狀態(tài)、各I/O點(diǎn)的信息、與其他工段的聯(lián)鎖信號狀態(tài)等，具有實(shí)時(shí)故障報(bào)警功能。

圖4 觸摸屏主界面

觸摸屏具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）簡便快捷的配方操作模式，可以提高生產(chǎn)換型的效率；

2）簡化狀態(tài)指示界面，次要狀態(tài)放到觸摸屏上，主要狀態(tài)在大顯示屏上被突出顯示。

觸摸屏單元界面如圖5所示。

圖5 觸摸屏單元界面

6.5 安全繼電器

在本方案設(shè)計(jì)中，對于系統(tǒng)中的安全光幕、安全門開關(guān)等安全設(shè)備，均通過安全繼電器接入系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的安全等級，保障操作人員的人身安全以及設(shè)備安全，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

7 MES 系統(tǒng)

作為車間信息管理技術(shù)的載體，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方面發(fā)揮著巨大作用。MES處于企業(yè)級的資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）和工廠底層的控制系統(tǒng)（SFC）之間，是提高企業(yè)制造能力和生產(chǎn)管理能力的重要手段。

7.1 追溯系統(tǒng)

在MES系統(tǒng)中，根據(jù)產(chǎn)品管理可形成產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

焊接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程是：

1)通過掃碼槍讀取批次號及零件數(shù)量等信息。

2)工序分總成生成工序流水號，含上工序分總成號和散件條碼信息。

3)機(jī)器人工作站在工作開始前，將需要存儲(chǔ)的焊接電流、電壓、送絲速度、弧長修正、電感修正等參數(shù)發(fā)送給PLC，PLC整合收到的焊接數(shù)據(jù)并發(fā)送焊接參數(shù)給顯示屏，顯示屏實(shí)時(shí)顯示焊接參數(shù)。

4)在工序焊接過程中，PLC實(shí)時(shí)將工序流水號、電流和電壓等參數(shù)發(fā)送給工控機(jī)記錄、保存及處理。

5)工控機(jī)通過上位機(jī)WinCC軟件和SQL數(shù)據(jù)庫處理和保存數(shù)據(jù)。

6)工控機(jī)SQL數(shù)據(jù)庫開放數(shù)據(jù)接口，以方便工廠MES或質(zhì)量追溯系統(tǒng)前往提取數(shù)據(jù)。

舉例。假設(shè)最終產(chǎn)品由5部分零件組成，分別定義每種零件批次A、B、C、D、E。

定義工位信息ST1（01）、ST2（02）、ST3（03）、ST4（04）。

定義流水號：N

定義焊縫參數(shù)：M1、M2、M3、M4、M5、M6...

定義焊接時(shí)間：T1、T2、T3、T4、T5、T6...

焊接是否合格：Y（1）/N（2）

定義追溯信息格式：

A B C D E STn N M1 T1 M2 T2 M3 T3 M4 T4 M5 T5 M6 T6 Y

第一工序上件就緒后已生成追溯信息

A B 0 0 0 01 001 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

第一工序焊接合格后生成追溯信息

A B 0 0 0 01 001 M1 T1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

以此類推，最后生成追溯信息

A B C D E 04 001 M1 T1 M2 T2 M3 T3 M4 T4 M5 T5 M6 T6 1

PLC把生成的最終信息傳遞給上位機(jī)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，完成追溯功能。

本系統(tǒng)方案能兼容TCP/IP等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，可與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、ERP、MRP、MES連接，交換具體信息；使用標(biāo)準(zhǔn)的通信接口以太網(wǎng)總線，對各焊接機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字化動(dòng)態(tài)監(jiān)控；打標(biāo)機(jī)、掃碼槍等使用標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信協(xié)議，直接接入PLC中。

7.3 客戶端主要功能

7.3.1 產(chǎn)品管理

根據(jù)輸入的選擇信息，自動(dòng)產(chǎn)生工件的上線編碼、生產(chǎn)過程身份識別信息和過程質(zhì)量追溯數(shù)據(jù)。

過程質(zhì)量信息包括：機(jī)器人名稱、工件名稱、焊絲種類、保護(hù)氣種類、焊接電流、電壓、焊接開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等，可進(jìn)行分類存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)監(jiān)控；管理系統(tǒng)能夠據(jù)此查詢各工件或機(jī)器人的焊接情況，實(shí)現(xiàn)焊件的品質(zhì)管理，并具有報(bào)表打印功能。

可進(jìn)行產(chǎn)品缺陷分析等。

7.3.2 設(shè)備管理

設(shè)備管理包括以下內(nèi)容：

1）設(shè)備生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，能實(shí)時(shí)查詢統(tǒng)計(jì)設(shè)備在查詢時(shí)段內(nèi)各型號工件的生產(chǎn)數(shù)量，焊接開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，異常時(shí)間、設(shè)備使用率、電弧率等生產(chǎn)信息，并可生成和打印相應(yīng)報(bào)表。

2）設(shè)備維修保養(yǎng)提醒和保養(yǎng)規(guī)范，各工作站報(bào)警信息的匯總統(tǒng)計(jì)，機(jī)器人使用效率等設(shè)備信息的統(tǒng)計(jì)和管理。

3）故障原因的自動(dòng)分析和排查功能，故障報(bào)警及解決方案的自動(dòng)生成，并具備報(bào)警時(shí)間記錄功能，便于追溯。

例如，生產(chǎn)及數(shù)據(jù)查詢軟件功能如下。

登陸界面如圖7所示。

圖7 登陸界面

定制產(chǎn)品選擇如圖8所示。

圖8 定制產(chǎn)品選擇

訂單詳細(xì)情況如圖9所示。

圖9 訂單詳細(xì)情況

監(jiān)控畫面如圖10所示。

圖10 監(jiān)控畫面

基礎(chǔ)信息管理界面如圖11所示。

圖11 基礎(chǔ)信息管理界面

8 環(huán)保要求

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，生產(chǎn)線要求具備捕捉、處理焊接及打磨車身產(chǎn)生的焊接煙塵、粉塵的功能，保證排放符合國家安全環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，符合但不限于：

1）GBZ1-2010 《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》；

2）GBZ2-2007 《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》；

3）GB16194-1996《車間空氣中電焊煙塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》；

4）GB16297-1996 《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》；

5）GB50054-95 《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》；

6）GBZ159-2004 《工作場所空氣中有害物質(zhì)檢測的采樣規(guī)范》；

7）GBZ/T192.1-2007 《工作場所空氣中粉塵測定第1部分：總粉塵濃度》；

8）GBZ/T189.8-2007 《工作場所物理因素測量第8部分:噪聲》；

9）GB/T13201-91《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》。

9 系統(tǒng)動(dòng)畫仿真

圖12、圖13均為系統(tǒng)動(dòng)畫仿真示例。

圖12 動(dòng)畫仿真1

圖13 動(dòng)畫仿真2

10 展望

《中國制造2025》由百余名院士專家著手制定，為中國制造業(yè)未來10年設(shè)計(jì)了頂層規(guī)劃和路線圖，要求實(shí)現(xiàn)中國制造向中國創(chuàng)造、中國速度向中國質(zhì)量、中國產(chǎn)品向中國品牌三大轉(zhuǎn)變，推動(dòng)中國到2025年基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，邁入制造強(qiáng)國行列。

目前，航空航天輕量化已經(jīng)邁出堅(jiān)實(shí)一步，汽車輕量化材料的使用與汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)是密切結(jié)合在一起的，要求實(shí)現(xiàn)在整車剛度、性能不降低的前提下的輕量化。筆者相信，隨著智能制造2025技術(shù)不斷探索和發(fā)展，會(huì)有更多的技術(shù)突破，強(qiáng)國夢必將實(shí)現(xiàn)。