汽車部件焊接生產線系統設計

陳文雄

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

【關鍵詞】中頻焊接;PLC;生產線設計

【中圖分類號】U463.82;TP391.9【文獻標識碼】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，焊接工藝對焊接質量、焊接速度的要求非常嚴格，汽車零部件多，工藝流程復雜，焊接技術水平和焊接質量的高低決定了整車質量和生產效率。近年來，焊接線裝備的先進性不斷提升，各種新裝備、新技術在生產中得到很好的運用。通過對焊接生產線進行合理的規劃和設計，能夠較好地控制生產線裝備的總投入，滿足汽車部件生產的質量和效率要求，還能降低維護費用。

1?生產線系統總體方案設計

1.1?焊接生產線設計思路

焊接生產線設備眾多，工藝要求嚴格，需要考慮的因素、條件非常多，因此在設計時要有一個明確的設計思路。本生產線首先根據車間現場條件及生產流程、工藝要求等，設計焊接現場工位布局，然后在工位布局確定的情況下考慮實現各工位的功能所需的主要生產設備及選型，主要生產設備確定后，設計生產線支持系統如水路、氣路、安全防護、傳感器等。當所有機械、電動設備定型后，統計所有設備的I/O數量，設計生產線控制系統，對PLC進行選型，設計生產線控制系統組網方式，包括電源電路系統設計、機柜、電纜等[1]。

1.2?生產線系統設計要考慮的主要因素

生產線系統設計要考慮的主要因素如下：工件、焊接工藝和質量的要求。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、工件的生產流程及焊接工藝質量要求，是生產線設計時要考慮的關鍵因素。生產產量的要求。確定生產綱領和年時基數。生產線場地限制。生產車間要預留人、物流通道，以及工件臨時倉儲等功能區，而實際焊接生產線的面積限制了焊機和焊接機器人的數量。投入成本的限制。大品牌設備價格昂貴，而小品牌設備成本低，但設備故障率較高，維護時間長，會影響生產進度。生產線柔性化的要求。焊接生產線的剛性較強，不同車型的焊接線通用性差，每更新換代一種車型，均需要更新大量專用設備和生產工藝。考慮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線成本。設備兼容性。系統是否開放，如焊接機器人與焊機的匹配度;對外設的兼容性如何，如控制系統的PLC與外設的通信是否要增加專用板卡。基礎條件。廠房柱頂標高、屋架承載能力、電力容量、通風條件等。設備易維護性。選購設備時要考慮設備實際維護維修成本，以及外設擴展時的配套成本。？讁？訛設備I/O數。設備I/O數及通信距離，是控制系統和通信方式的主要決定因素。

1.3?生產線系統的總規劃

設備有效利用率設定為85%，規劃采用14套焊機和14臺機器人，經過綜合計算及模擬，生產節拍滿足要求。

1.4?生產線系統的組成

經整體規劃設計，焊接生產線主要由以下幾個部分組成：機器人系統，包括底座、主體、控制柜、示教器、通信板等。機器人切換盤，包括換槍架、氣動系統等。機器人抓手系統，包括抓手、抓手氣缸、抓手支架等。焊接系統，包括焊鉗、焊接變壓器、焊接控制器、伺服電機等。控制系統，包括PLC、主從站等。修磨機，包括固定式和翻轉式修磨器等。夾具系統，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，包括PC、HMI、通信板卡、通信纜線等。？輥？輮？訛氣路系統，包括空壓機、控制柜、氣罐、氣缸、管線等。？輥？輯？訛冷卻循環水路系統，包括水泵、閥門、控制柜、管線等。？輥？輰？訛除生產線外，還包括車間抽排風、生產線鋼結構、物流小車、叉車、貨架、生產監控ANDON系統、圍欄、安全門、光幕等外圍支持設備。

焊接生產線結構比較復雜，設備種類非常多，涉及機械、電氣、電子、通信、自動控制、工藝等多方面的技術、設備和參數，而整個生產線的關鍵技術是焊接控制系統、機器人系統和生產線控制系統，本文重點就這3個控制系統展開闡述。

2?焊接控制系統

2.1?焊接設備選型方案

對汽車行業而言，點焊工藝的可靠性和高精度至關重要。電阻焊的過程復雜，包含多種影響焊接質量的因素，如被焊材料、焊接電流、焊接時間、設備冷卻、電極壓力、電極材料、電極形狀、工件表面狀態等，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。電阻焊的焊接系統目前主要分為單相交流阻焊機、中頻逆變焊機、二級整流焊機、三相低頻焊機4類，其中頻逆變焊接是目前較為先進的電阻焊焊接技術[2]。中頻逆變技術具有幾大優點：一是負荷均衡，降低峰值電流，減少電網沖擊，避免電網電壓波動較大。二是次級電流輸出能力強，波形平直，焊接時不會產生飛濺，焊點表面光滑不易變色，焊點強度高，焊接質量較高，對鍍鋅板和普通多層鋼板的焊接，其焊接質量也遠高于交流焊機。三是功率因素在0.9以上，相比普通的交流焊機節能，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，如鋁金屬等導熱快、焊接性差的材料也能很好地焊接。基于以上優點，焊接生產線根據被焊零部件材料及焊接工藝要求，采用中頻逆變焊技術，選擇中頻焊機設備，中頻焊機設備主要包括中頻控制器、焊接變壓器和焊鉗，附屬設備包括冷卻循環水系統、修磨器等。

2.2?中頻焊接控制器選型

焊接系統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±2%，電流上升時間<4?ms;控制器內可儲存255個焊接程序及設置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，內置Ethernet/IP和DeviceNet接口，能滿足生產設計要求[3]。MedWeld6000采用中頻逆變技術，其基本工作原理是三相電源輸入中頻控制器后，三相交流電經橋式整流電路整流，再經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器件IGBT組成的逆變電路，轉變成單相的PWM中頻方波，中頻方波從中頻控制器中輸出到焊接變壓器，經變壓器降壓后形成穩定的方波電流，供給焊鉗電極，對工件進行焊接。

3?焊接機器人系統

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

經過綜合考慮，焊接生產線最后選擇“庫卡”機器人。

4?生產線控制系統

4.1?控制系統總體方案設計

焊接生產線的特點是設備種類和數量較多，設備分布較遠，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是保障生產控制和產品質量的重要因素。本焊接生產線控制系統設計時要考慮的因素如下：要控制的主要設備有14臺機器人、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。要控制的其他設備電機，如修磨器的電機、焊槍的伺服電機等。要接收的信號，如夾具平臺等各種設備上的傳感器、位置開關、操作按鈕及安全回路信號。監控系統。設備的距離：生產線長度約100?m。工藝過程和控制要求。電磁抗干擾性。

PLC在整個生產線中處于核心地位，負責協調機器人和夾具、機器人與焊接控制器，并對現場按鈕與顯示燈進行控制。PLC軟件的模塊化編程對系統穩定性起到了重要的作用，也極大地方便了對系統的調試和檢測。PLC要控制14臺機器人和14個焊接控制器，以及各種氣缸、電機等大量的設備，設備之間分布不集中;PLC還要接收處理傳感、安全、反饋等多種信號且生產現場環境通常比較差，而生產要求控制系統具備反應速度快、可靠性高及抗干擾性較強等能力。控制系統設計有兩種控制方案：一是選擇多個PLC分段控制，PLC之間通過通信協調控制動作;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數量較多的難題。本焊接生產線采用第二種方案即主從站控制方式，在每條線設一個主站，生產線中的每個工位設置一個通信從站。

4.2?控制系統結構

焊接生產線的系統控制采用4重結構，PC為第一層，PLC為第二層，從站通信模塊、“庫卡”機器人控制器、HMI、工控機或PC、ANDON系統等為第三層，第四層為梅達中頻控制器和其他底層設備層，包括各類傳感器、各類按鈕開關、行程限位開關、安全開關、信號燈、氣動元件的電磁閥、變頻器、伺服電機等，不同層級采用不同的通信協議，其具體結構原理圖如圖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性能強大，位指令的處理時間最低至1?ns，浮點運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）標準接口，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行擴展。S7-1500還無縫集成到TIA博途中，極大地提高了組態的效率[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、可擴展和通用的分布式I/O系統，可通過現場總線，將過程信號連接到中央控制器，支持Profinet?IO和ProfibusDP通信標準，具有集成的組態控制功能。

5?控制系統通信

5.1?控制系統通信方案設計

焊接生產線設備種類復雜，體現在I/O通信上，設備之間的協議沒有一個統一的協議。現場總線的協議很多，需要根據PLC支持通信類型、設備分布和數量選擇通信方案[5]。PLCS7-1500不但支持多種以太網通信，還支持串口通信、OPC通信、Web訪問等，為通信協議的選擇提供了極大的靈活性。本控制系統的通信采取以下方案：S7-1500與ET200SP、庫卡機器人控制柜、HMI、工控機、ANDON等設備的通信采用Profinet協議。庫卡機器人與中頻控制器之間的通信由于協議不同，所以需通過網關轉換，即Profinet轉Ethernet。網關到中頻控制器的通信采用Ethernet協議。ET200SP與底層設備即傳感器、閥島、各類開關按鈕、安全門信號等之間通信采用Profinet協議。S7-1500網絡拓撲結構采用星型拓撲結構，通過交換機與各設備相連;每個ET200SP與同工位底層設備的I/O連接使用Profinet總線，采用總線拓撲結構。

5.2?控制系統通信設備選型

在通信方式確定后，根據主PLC的I/O數量，以及每個工位的I/O數量，可為S7-1500和ET200SP選配相應通信接口模塊、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故障安全數字量輸入模塊、4個DI?8×24VDC數字量輸入模塊、2個DQ?8×24VDC/0.5ABA數字量輸出模塊和1個服務器模塊。

6?結束語

此焊接生產線是柳州市職業技能公共實訓中心與某汽車配件生產廠家合作開發，經過需求分析、系統規劃、設備選型、控制系統及水電氣路設計、PLC程序設計，再經過現場設備安裝調試，以及2個月的試運行。在試運行期間，現場出現的問題得到逐項解決，各項指標滿足設計要求，設備運行穩定，生產節拍在不斷優化提升后也達到預期目標，試品質量符合工藝要求，整個生產線即將投入正式生產。

參?考?文?獻

[1]韋紅光.某汽車焊接線電氣控制系統設計[D].鄭州：鄭州大學，2014.

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

[3]上海梅達公司.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設計[D].長春：長春理工大學，2017.