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机器人柔性焊装线整线控制技术研究 摘要 文章分析了机器人柔性焊装线的整线布局要素，规划了焊装线的整体布局； 为了保证整线控制硬件的可靠性和维护方便，系统使用基于工业现场总线技术 的分布式i o 控制方案和基于安全总线的安全回路设计方法，简化了控制硬件 系统，降低了成本，保证了可靠性。按照分级多层的总线布局模式，整线控制 系统使用模块化的编程思想对焊装线控制程序进行了系统的规划，对焊装线常 用设备建立了一致的接口和控制变量，形成相对独立的功能程序模块。通过组 合相应功能模块和配置模块之间的接口变量完成整线控制系统的编程工作。 关键词：柔性焊装线；工业机器人；现场总线：p l c ；模块化程序 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mf o rr o b o t i cf l e x i b l e 。 b i w w e l d i n g l i n e a bs t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee l e m e n t so ft h el a y o u tf o rar o b o t i cf l e x i b l ew e l d i n g l i n ea n dp l a n n i n gf o rt h ew h o l ew e l d i n gl i n e i no r d e rt os e c u r er e l i a b i l i t y ，l o w e 。 c o s t a n de a s em a i n t e n a n c eo fh a r d w a r e ，a n ds i m p l i f yt h eh a r d w a r es y s t e m ，t h e f i e l db u st e c h n o l o g yi se m p l o y e df o rt h ec o n t r o ls y s t e m ，b a s e d o ni n d u s t n a l d i s t r i b u t e di 0 a n dt h es a f e t yc i r c u i tm e t h o d o l o g yi se x p l o i t e df o rs a f e t ys y s t e m ， b a s e do nt h es a f e t yb u s t oc o n s t r u c tah i e r a r c h i c a lm u l t i l e v e l f i e l d b u sc o n t r o l s v s t e m ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n go ft h ec o n t r o ls y s t e m i s e n g i n e e r e db ym e a n 8o f m o d u l a rp r o g r a m m i n gs t r u c t u r e ，c o m m o ni n t e r f a c e s a n dc o n t r o lv a r i a b l e sa r e i m p l e m e n t e dt ob u i l du pr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tf u n c t i o n a lm o d u l e s t h es o f t w a r e e n 2 i n e e r i n gi sc o n d u c t e db yc o n f i g u r i n gt h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa n dt h e i n t e r f a c e s k e yw o r d s ：f l e x i b l ew e l d i n gl i n e ；i n d u s t r i a lr o b o t ；f i e l db u s ；p l c ；m o d u l a r p r o g r a m 插图清单 图2 1 机器人焊接系统7 图2 2 平移式夹具8 图2 3 铰链翻转式夹具8 图2 4 立柱式夹具8 图2 - 5 焊装线组网示意图13 图3 1 焊装线系统设计流程1 4 图3 2 工序流程图l 8 图3 3 两个机床的串联和并联2 0 图3 4 被加工零件的加工误差分析2 0 图3 5 焊装线主要生产流程2 1 图3 6 白车身焊点位置示意图2 4 图3 7 单车型机器人工作站的分布2 4 图3 8 机器人柔性焊装线主线布局图2 5 图4 1u n d e r b o d yl i n e 强电树状分布图2 7 图4 2 配电柜内部布局图2 8 图4 3 直流供电、变频驱动器及p l c 电控柜布局图2 8 图4 4 网络控制层硬件连接图2 9 图4 5 电控系统的总体布局3 0 图4 6u b 0 3 0 工位r o b o r c a d 仿真图3 2 图4 7 机器人子p r o f i b u s 网络硬件组态图3 2 图4 8k u k a 机器人应用程序架构3 5 图4 9 机器人工作流程示例3 6 图4 1 0 网络控制层中p l c l 的网络组态3 8 图4 1 1 一个扫描周期内块调用的嵌套深度4 0 图4 一1 2 一个扫描周期内块调用的顺序4 0 图4 一l3 各功能块、数据块的定义与应用4 1 图4 一1 4 各功能的定义与应用4 1 图4 1 5p l c 与p l c 之间的数据交互4 2 图4 一l6p l c 与机器人之间的控制交互4 2 图4 - 17p l c 与l e n z e 吊具之间的控制交互4 3 图4 1 8 步与分支的构成4 3 图4 19 编程分支与流程4 4 图4 - 2 0p l c i 控制区域内的各g r a p h 功能块4 4 图4 - 2 1s 7 中h m i 程序块；4 5 图4 2 2s 7 p d i a g 功能块与数据块的定义4 5 图4 2 3h m i 对设备的监控与显示4 6 图5 1 机器人u b 0 3 0 | r i 急停控制回路4 8 图5 2 机器人u b 0 3 0 i r i 安全区控制回路4 8 图5 3 基于安全继电器的安全控制系统结构4 9 图5 4 基于安全p l c 的安全控制系统结构5 0 图5 5 基于安全总线的安全控制系统结构5 2 图5 6 安全控制系统布局5 4 图5 7 处理e s t o p 信号的功能块5 5 图5 8 处理安全门控制逻辑的程序5 5 表格清单 表3 一l 底板线人工工序表2l 表3 2 焊装线各工位的机器人焊点数2 3 表3 3 机器人焊枪种类2 3 表3 4 机器人各主要动作时间经验值2 3 表5 一l 整线控制系统采用的安全设备5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆兰些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字蒸篆阀签字吼叩年参月，妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月曼工些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做者签名西誊阑 导师签名 签字日期：多呷年币月多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 纠c 妨离 签字吼叩年 d 自 电话： 邮编： 致谢 本文是在尊敬的导师王健强教授精心指导下完成的。 近三年来，无论是在学习上，还是在生活上，王老师都给与我很多的关怀 和帮助。王老师为学生提供了良好的学习机会并且精心指导，使学生充分了解 和学习了工业机器人技术及其自动化解决方案，并带领学生参与完成了安徽省 重大科技攻关项目以及多个汽车行业中工业机器人集成应用项目。 在我撰写论文的过程中，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面， 还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了王老师悉心细致的教诲 和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一 丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 同时，感谢安徽巨一自动化装备有限公司为我提供的实习机会和一切便 利，感谢诸位公司领导对我学习和生活上的关怀。 在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到许多工 作中的同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表 示衷心地感谢! 作者：王长润 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 国内外自动化焊装线技术发展概述 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，在世界上面临着激烈的市场竞争。 激烈的市场竞争加快了汽车产品的更新换代，各大汽车生产商不断推出新的车 型，以性能先进、外形新颖的新车型去开拓和占领市场。而汽车品种的变化和 更新换代，主要以汽车车身的改变最为突出。车身作为汽车零部件的载体，其 制造工艺及质量水平不仅直接影响到汽车的制造质量和制造成本，还决定了汽 车产品市场竞争力和市场寿命叫。1 。 我国正在进入汽车拥有率迅速上升时期，在未来几年内，汽车消费需求量 仍将以每年15 左右的速度增长。在今后1 0 到1 5 年，中国将逐渐成为最大的 汽车消费国，汽车工业的产值也将保持大概1 0 的增长。随着汽车文化的发 展，个性化、时尚化特征越来越显著，产品更新换代的周期越来越短，产品的 复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。机器人作为一种柔 性化制造装备，替代工人单调、重复的体力劳动，极大的提高了生产效率和产 品质量，已成为汽车制造业提高生产效率、产品质量、经济效益的关键装备。 在车身焊装生产中，采用工业机器人构成焊装生产系统极大的提高了车身焊装 生产的自动化水平、降低了成本、提高生产效率。 随着国内汽车行业的迅猛发展，工业机器人虽在汽车行业的应用也越加广 泛，但人工焊接仍然占据焊接作业的主导地位，人工焊接时焊接工人经常会受 到心理、生理以及周围环境的干扰。在恶劣的焊接条件下，操作工人容易疲劳， 难以较长时间保持焊接工作稳定性和一致性；而焊接机器人的工作状态稳定，能 确保焊接质量。据统计，一般装配每辆汽车车体大约需要3 0 0 0 - - 4 0 0 0 个焊点， 其工作量之大显而易见。机器人点焊工作站作为一个灵活、可靠、通用的点焊 柔性加工单元，只需通过简单的机器人程序调整及工作参数、焊枪的更改就可 以应用于不同的汽车焊装线。 机器人焊装线是个复杂的系统工程，涉及到机械、电气、物流传输、计算 机、汽车设计制造、机器人技术、焊接技术等多种学科；是机器人技术、焊接 技术和系统工程技术的融合，焊接机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其 优越的特性，取决于人们对上述技术的融合程度。机器人焊装线是提升汽车制 造水平和效率的关键装备。我国在机器人焊装夹具设计方面积累了较丰富的经 验，机器人周边设备实现了标准化。可以说国内的系统集成商在机器人工作站 及简单的焊装线的设计开发方面具有了与国外系统集成商抗衡的能力，近几年 为国内汽车零部件等企业提供了大量的机器人焊接系统。但是，由于我们在焊 装线的某些技术环节上的研究还比较薄弱，影响了我们制造高水平的机器人成 套焊装线的能力。国内主流汽车厂的车身焊装线基本均为国外机器人系统集成 商设计制造。 1 1 1 国外在机器人焊装线方面的研究应用现状 在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛 应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包 括：瑞典的a b br o b o t i c s ，日本的f a n u c 、y a s k a w a ，德国的k u k ar o b o t e r ， 美国的a d e p tt e c h n o l o g y 、a m e r i c a nr o b o t 、e m e r s o ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n 、s - t r o b o t i c s ，意大利c o m a u ，英国的a u t o t e c hr o b o t i c s ，加拿大的j c di n t e r n a t i o n a l r o b o t i c s ，以色列的r o b o g r o u pt e k 公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱 性产业。国外各机器人系统集成解决方案提供商，在工业机器人系统集成技术 领域正向着规范化和系列化发展。 国外机器人领域及机器人集成应用发展在近几年有如下几个趋势h 叫： ( 1 ) 大型自动化生产线的设计开发技术。利用如仿真系统等多种高新技术和设 计手段，快速设计和开发机器人大型自动化生产线，并进行数字化验证。 ( 2 ) 自动化生产线“数字化制造”技术。虚拟制造技术发展很快，国外企业己 利用这类软件建立起自己的产品制造工艺过程信息化平台，再与本企业的资源 管理信息化平台和车身产品设计信息平台结合，构成支持本企业产品完整制造 过程生命周期的信息化平台。自动化生产线的设计、制造、整定及维护基于上 述信息化平台进行，开展并行工程，实现信息共享，最大限度地压缩了自动化 生产线投产周期，有利于实现生产线的柔性和质量控制的功能。 ( 3 ) 大型自动化生产线的控制协调和管理技术。利用计算机和信息技术，实现 整条生产线的控制、协调和管理，快速响应市场需求，提高产品竞争力。 ( 4 ) 自动化生产线的在线检测及监控技术。利用传感器和机器人技术，实现大 型生产线的在线检测，确保产品质量，并且实现产品的主动质量控制。利用网 络技术，实现生产线的在线监控，确保生产线安全运行。 ( 5 ) 自动化生产线模块化及可重构技术。利用设计的模块化和标准化，能够实 现生产线的快速调整及重构。尤其是焊装线工装夹具采用柔性切换的作业方式， 能够实现多种车型的混线柔性切换，利用可重构技术实现工装夹具的重复使用， 缩短制造、调试周期，提高市场竞争力。 ( 6 ) 生产线快速整定。 1 1 2 我国在机器人焊装线方面的研究应用现状卜。 随着我国制造业的迅猛发展，我国机器人的市场需求不断增，机器人的销 售量持续增长。占有中国3 5 市场份额的瑞典a b b 公司，2 0 0 4 年在国内销售 了6 0 0 台机器人。而该公司在过去9 年中一共才在中国大陆市场销售了2 0 0 0 台机器人。专家预测，中国机器人2 0 0 5 年拥有量将增至7 6 0 0 台，到2 0 1 0 年拥 有量将达到l7 3 0 0 台，到2 0 15 年，市场容量将达十几万台( 套) 。汽车制造、 工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其 2 中所需机器人的品种以弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主。 当前我国机器人系统集成商在提供解决方案时，所用的设备品种规格多、 批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较多，而且质量、可靠性不 稳定。而国外实力雄厚的大型企业，如k u k a 、a b b 、f u n a c 、m o t o r m a n 都 在积极开拓中国市场，扩大其市场占有份额。在我国花大量外汇引进的“洋 机器人系统中，由于国外的技术标准很多不适于中国市场，这些“洋”机器人 中问题较大的占3 3 ，而根本不能用的竟然高达16 ，“洋”机器人系统在我 国严重“水土不服”。存在的主要问题表现为国外系统不适合中国企业的工艺现 状；国内人员素质较低，培训跟不上；系统选型不合理，配置不当；缺乏足够 的售前和售中技术支持；售后服务跟不上。这种现象也为走引进、吸收、消化 和创新之路的中国工业机器人系统集成提供了契机。中国对机器人的市场需求 越来越大。巨大的市场容量为研发本土高性能焊接工业机器人系统提供了依据。 我国在多机器人焊装自动化生产线方面的研究应用现状则主要表现在以下 四点： ( 1 ) 整体上起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距； ( 2 ) 在焊装线系统控制技术方面，在生产线的多级、多总线控制及联网水平方 面和国际一流水平相比有着一定的差距； ( 3 ) 在焊装自动线、物流输送设备设计技术方面，已取得了长足进步，掌握了 相应的设计和制造技术，但高端轿车线的设计制造水平和世界水平比仍有很大 的差距： ( 4 ) 还不能提供焊装线系统集成解决方案，国内汽车巨头及安徽奇瑞、江淮现 有的焊装线都是由国外公司负责规划系统解决方案； ( 5 ) 开始起步与国际公司一起联合规划设计机器人焊装集成解决方案，并协助 焊装线制造、调试。 总的来看，我国的焊装自动化技术及其装备的设计制造水平和国外比还有 较大的差距，如：可靠性低于国外产品；生产线系统技术与国外比有差距；在 焊装线的规模上，和国外先进水平比也有很大的距离。对于国内的机器人装备 供应商来说这些除了是机遇，更多的是艰巨的挑战，如何在和国外设备集成商 的竞争中取得一席之地，需要很好的把握机器人技术的发展趋势的同时，更应 加强国内对工业机器人在自动化生产线中的集成应用，特别是技术含量最高和 应用程度最广的机器人焊装集成应用。 1 2 论文的研究内容及意义 目前，国内的大型机器人焊装线多由国外系统集成商提供，未见国内具备 机器人焊装线整线控制( 即夹具、输送系统、机器人都由同一个p l c 控制) 能 力的系统集成商。由于整线控制的编程任务量大，涉及的设备繁多，机器人、 输送系统及夹具动作时序复杂等因素，成为国内整线控制能力提升的一个门槛。 国内较常用的方式是夹具、输送系统、机器人系统分别由3 到4 家系统集成商 提供电气控制，这种方式存在大量到缺点： ( 1 ) 多个p l c 控制器的使用，造成设备浪费，增加成本。 ( 2 ) 三个部分存在大量的接口信号，由于接口不统一，或者人为的减少的三部 分之间的接口信号使焊装线可靠性降低。 ( 3 ) 不同的厂家使用不同的编程软件以及编程标准，系统可维护性差，增加了 设备使用方的维护成本。 ( 4 ) 难以实现高级的管理监控，例如m e s 系统。 结合国内白车身机器人焊装线发展现状，本文主要从自动化控制角度入手， 以模块化的、面向实际应用对象的编程策略实现整个车间的自动化控制，实现 底板线以及主拼线的自动化控制，实现现场生产信息的管理及监控。 模块化的、面向对象的编程策略可以把焊装线上大量的被控设备划分为一 个个相对独立的对象，它们拥有完善的外部接口，这些接口包括控制、监控、 调试等相关功能的控制字。通过操作这些对象之间的接口完成动作、时序、互 锁、监控及调试功能。在完成模块化的编程基础工作后，焊装线的p l c 编程任 务会得到大大简化，焊装线的控制编程工作难度更多的将体现在工作量上，而 不再是复杂度上。 通过使用整线控制，一段区域内的设备都由同一个p l c 控制，每个被控对 象都有相同或类似的控制接口，夹具、输送系统、机器人以及m e s 信号的收集 都在同一个p l c 内完成。这样由于是同一个编程者按照一定的编程思路和标准 编写程序，因此安全可靠性得到了保证，系统维护成本降低。 1 3 本章小结 本章详细论述了白车身焊装线在国内外的应用发展状况，分析焊装线整线 控制技术的应用现状以及机器人柔性焊装线对整线控制技术的需求，最后阐述 了本课题的主要研究目标、内容与意义。 4 第二章机器人柔性焊装线技术分析 机器人焊装线是将车身冲压件装配、焊接成白车身的机器人系统集成生产 线。柔性焊装线的自动化装备、控制方式、系统集成技术决定着机器人焊装线 的整体技术水平。 2 1 机器人柔性焊装线 柔性焊装线是由焊接设备、工装夹具、传输系统和自动控制等部分组成的 技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机 地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。 柔性焊装线的具体优点如下。 ( 1 ) 设备利用率高。自动化设备编入柔性生产线后，产量比此类设备在分 散单机作业时的产量提高数倍。 ( 2 ) 在制品减少8 0 左右，提高了整线的生产效率。 ( 3 ) 生产能力相对稳定。焊装系统由一台或多台装备组合而成，发生故障 时，功能性子系统有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障单元的 能力。 ( 4 ) 产品质量高。白车身在焊接过程中减少了人为因素以及其它不稳定因 素，焊接形式稳定，焊接质量高。 ( 5 ) 焊接设备运行灵活。有些柔性焊装线的上件、焊接和维护工作可在第 二班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。在理想的柔性焊装线中， 其监控系统还能处理物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。 ( 6 ) 产品应变能力大。工装夹具、焊接设备、及物料运输装置具有可调性， 且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。 焊装线的整体柔性程度由各组成部分的柔性程度所决定，其中焊接设备的 柔性程度是决定焊装线柔性程度的关键。焊接机器人。是本体独立，动作自由 度多，程序变更灵活、自动化程度高、柔性程度极高的焊接设备，具有多用途 功能、重复精度高，焊接质量高、抓取重量大、运动速度快、动作稳定可靠等 特点，焊接机器人是焊接设备柔性化的最佳选择。 机器人柔性焊装线就是采用焊接机器人作为焊接设备的柔性焊装线，是否 采用焊接机器人是焊装线柔性程度的重要标志之一。 2 2 焊装线的构成 机器人焊装线是个复杂的系统工程，涉及到机械、电气、物流传输、计算 机、车身设计制造、机器人技术、焊接技术等多种学科；是机器人技术、焊接 技术和系统工程技术的融合，先进自动化设备的应用，可以为用户带来巨大的 效益，降低成本，增加易用性。现对目前在焊装线中经常使用的设备作如下介 绍。 2 2 1 焊装机器人系统 工业机器人是典型的机电一体化高科技产品1 。机器人技术是综合了计算 机技术、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形 成的高新技术，应用日益广泛。机器人的应用使现代制造产业发生巨大的变革， 对改变传统生产模式，全面提高企业的综合竞争力具有重大的作用。因而，机 器人及其自动化成套设备的拥有量和水平也成为衡量一个国家工业自动化水平 的重要标志之一。 - 工业机器人主要是用于模仿人上肢运动，代替人进行某些工业劳动的一种 自动机械，也称为机械手。机器人的外形结构可以有多种形式，通常是由关节 把连杆串联起来的开链机构。最常用的机器人有两种形式：旋转关节和移动关 节。每个旋转关节和移动关节都具有一个自由度，一个机器人的关节数等于它 的自由度数。根据结构的不同，可将工业机器人分为直角坐标机器人、圆柱坐 标机器人、球坐标机器人、s c a r a 机器人和关节式机器人。 三维空间中要确定某一点的位置和姿态需要六个自由度，因而在三维空间 中要确定任意点的位姿并进行操作，机器人共需要六个自由度。如果少于六个 自由度，操作时还需用对象机器或外围设备的动作来弥补机器人功能的不足， 而6 自由度关节型机器人不需要对象机器或外围设备动作弥补就能确定自由空 间中任意点的位姿，因而成为工业研究和应用的主流。 机器人控制柜中主要有计算机控制系统、伺服驱动系统、i o 接口及示教 器等构成。计算机控制系统是机器人控制的核心，机器人在运动过程中，要求 计算机控制系统随时响应数据传输、方式切换等随机发生多种动作，因此，机 器人的计算机控制系统多采用具有实时中断控制与多任务处理功能的专用计算 机控制系统：伺服驱动系统在计算机控制系统的控制下，控制并驱动各关节伺 服电机，实现机器人的运动控制：i o 接口通过硬线连接或总线的方式实现与 外部控制系统或外部设备的通讯连接；示教器用于手动操作机器人动作，完成 示教工作和参数设置、程序存取等系统基本操作。 利用工业机器人构成的机器人焊接系统主要包括工业机器人、焊接控制器、 焊枪单元( 焊枪和变压器) 及焊接辅助设备( 净化电源、压缩空气单元、冷却 水单元、电极修磨器、清枪剪丝机构等) 。 根据电阻焊工艺的不同采用的焊接方式也不同，常用焊接频率有工频和中 频两种，主要选择依据所用焊枪的大小以及焊接部位和焊点的工艺需求。焊枪 用来完成车身各组成部件的焊接工作，其安装方式有固定式、旋转式、移动式 或移动+ 旋转式，因为车体为三维型体，焊枪一要避开与周围车体的干涉，二要与 焊点型面垂直，因而焊枪还要做三维运动，所以柔性焊装线上的焊枪大多夹持在 可作空间三维运动的机器人手爪上。 焊接控制器是焊枪焊接时必备的设备，它用来控制焊接过程中的焊接电流 6 及每次焊接循环中各阶段的时间分配等。一般焊接控制器包含多套焊接规范 用于不同材料的焊接。 幽2 一i 机器人焊接系统 2 22 夹具系统 对于自车身而言，本体线的装焊工艺主要由顸装配、点固焊和补焊三部分 组成，其中点固焊工序晟为关键，基本都在本体夹具内完成。焊装生产线中的 本体央具决定了白车身的质量、生产线的柔性度及生产节拍，非常重要。 焊装夹具是焊装工装的重要组成部分，是焊装件的定位和央紧工具。它在焊 接过程中确保车身形状、尺寸、精度符合产品图样技术要求，同时焊装夹具的自 动化程度还是影响汽车生产批量的关键因素。在生产过程中，焊装夹具除了完成 本工序的零件组焊、定位外，还承担检验和校正上道工序焊台件的焊接质量的任 务，凼此它的设计制造影响着整个焊接工艺水平、汽车生产能力及产品质量。 焊装夹具一般由支架、夹紧元件( 手动夹紧器或气缸) 、压板及定位板组 成，有的还带有定位销。在焊装夹具的自动控制过程中只要气缸动作央其就完 成夹紧或松开动作，这样就可以利用p l c 的输出点发出信号，控制电磁闽，完成 夹具的央紧与松开。 目前，国内所采用的本体央其主要有三种形式，平移式、铰链翻转式、立 柱式3 。 ( 1 ) 平移式央具 图2 2 所示为平移式夹具，其动作顺序为：输送线将预装白车身送八总焊 工位定位夹紧点定呻输送线抬起一将点定成形的车身水平送入后续的工序补 焊。此类夹具定位精度和可靠性高，可适用于不同长度、宽度以及高中低顶的 白车身大批量混流生产，秉性度高。 ( 2 ) 铰链翻转式夹具 图2 - 3 所示的铰链翻转式兴具和平移式夹具的工作原理类似，区别是左右 侧围总成的定位组件的扣开方式不同：平移式夹具沿垂直于线体输送方向水平 移动，而铰链翻转式爽具则是绕铰链轴旋转打开，这样便于线体输送、装配及 定位央紧。 图2 - 3 铰链翻转式夹具 ( 3 ) 立柱式夹具 图2 - 4 所示的立柱式夹具结构简单、成本低、维修方便而且操作刚接近性 好，但其定位精度较低，不适用于自动化程度较高的大批量生产和采用焊接机 器人的生产线。 幽2 - 4 立枉式夹具 2 2 3 输送系统 物流输送系统是焊装线设备的重要组成部分，负责白车身零部件的上件及 整车的输送等，其主要结构形式有：步进式输送、夹具移动输送、往复输送、 滑橇输送和自行或手动吊具输送等。 ( 1 ) 步进式输送 该类系统的基本原理：工件的水平输送通过调频电机或伺服电机驱动齿轮、 齿条机构做往复运行实现，顶升、落下装置采用电机带动曲柄旋转1 8 0 。，从 而实现输送线本体顶升、落下。这种形式的结构简单合理、稳定性好、辅助时 间较短且重复定位精度较高，基本满足点焊、弧焊机器人的使用条件，适用于 生产能力为5 10 万辆年的生产线。目前，国内很多汽车厂采用了该形式的焊 装线，如全顺v 3 4 8 的侧围即采用了这种形式。 ( 2 ) 夹具移动输送 该生产线在韩系汽车厂被大量采用，基本原理为：定位夹具与输送为一体， 定位夹具在生产线上运动，从第一站到最后一站，然后从循环的回路返回到第 一站，车型的切换就是在第一站根据生产排成选择所需的定位夹具，输送到第 一站等待物料。该线柔性强、传输快且定位精，满足点焊、弧焊机器人的使用 条件，但是投资巨大，北京现代轿车二厂采用了这种形式。 ( 3 ) 滑橇输送 该焊装线通过采用往复杆或辊床输送滑橇来实现工件水平输送，可分为两 种形式：往复杆输送滑橇式和辊床输送滑橇式。工件上、下运动一般由固定工 位的气动或液压顶升装置实现。滑橇上装有定位装置，重复定位精度较高，一 般为o 3 m m ，基本满足点焊、弧焊机器人的使用条件。目前，此类输送线在 国内的轿车厂应用较多。 ( 4 ) 往复输送机 该线水平输送工件是通过电动机驱动往复输送机在钢轨上运行，工件顶升、 落下采用气缸顶升装置实现，使用该种输送方式的生产线也不少，如全顺v 3 4 8 焊接主线和南京福特的马自达主线等。 ( 5 ) 自行或手动吊具输送 该线水平输送工件是通过折叠吊具在两工位间来回吊运工件，要求工位间 有吊具的空间，主要优点：结构简单，夹具定位设计不会受传输运动装置影响， 投资较少；但是输送线节奏慢，空中运输有安全隐患。采用这种方式的输送线 不多，全顺v e 8 3 以及土耳其的全顺工厂骨架线采用的是此种方式。 2 2 4s i e m n e ss 7 4 0 0 控制系统简介 本文研究工作主要基于s i e m e n ss 7 4 0 0p l c 的控制思想完成机器人柔性 焊装线的整线控制系统设计。 s 7 4 0 0p l c 采用模块化无风扇设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别( 功 9 能逐步升级) 的c p u ，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合 成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板， 便能使系统升级和充分满足需要。 s 7 4 0 0p l c 模块化的结构，具备高速( o 6 - - 0 1us ) 的指令运算速度；用 浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算：一个带标准用户接口的软 件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在 s 7 - 4 0 0 操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。s i m a t i c 人机界面( h m i ) 从s 4 3 0 0 中取得数据，s 7 4 0 0 按用户指定的刷新速度传送这些数据。s 7 4 0 0 操作系统自动地处理数据的传送；c p u 的智能化的诊断系统连续监控系统的功 能是否正常、记录错误和特殊系统事件( 例如：超时，模块更换，等等) ；多级 口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修 改；s 7 4 0 0p l c 设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔 出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户 程序。具备强大的通信功能，s 7 4 0 0p l c 可通过编程软件s t e p7 的用户界面提 供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。 s 7 4 0 0p l c 具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接a s i 总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统； 多点接口( m p i ) 集成在c p u 中，用于同时连接编程器、p c 机、人机界面系 统及其他s i m a t i cs 7 m 7 c 7 等自动化控制系统。 编程和工程工具包括所有基于p l c 或p c 用于编程、组态、模拟和维护等 控制所需的工具。s t e p7 标准软件包s i m a t i cs 7 是用于s 7 3 0 0 4 0 0 ，c 7p l c 和s i m a t i cw i n c c 基于p c 控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，s t e p 7 m i c r o w i n 是在w i n d o w s 平台上运行的s 7 2 0 0 系列p l c 的编程、在线仿真 软件。人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面( h m i ) 或s c a d a 系统， 支持大范围的平台。人机界面软件有两种，一种是应用于机器现场级的p r o t o o l ， 另一种是应用于车间监控级的w i n c c 。p r o t o o l 适用于大部分h m i 硬件的组态， 从操作员面板到标准p c 都可以用集成在s t e p7 中的p r o t o o l 有效地完成组态。 p r o t o o l l i t e 用于文本显示的组态，如：o p 3 ，o p 7 ，o p l 7 ，t d l 7 等。p r o t o o l p r o 用于组态标准p c 和所有西门子h m i 产品，p r o t o o l p r o 不只是组态软件，其运 行版也用于w i n d o w s 平台的监控系统u “。 2 3 焊装线的电气控制 大型机器人焊装线包括种类繁多的设备：夹具系统、焊装机器人系统、输 送系统、人机交互设备、车间级监控系统。因此所需要的控制i o 点数量巨大， 多达上万个i 0 信号，并且由于整条焊装线长达百余米，设备之间距离大，为 了保证系统可靠性和可维护性，一般采用基于现场总线的分布式i 0 控制方案。 通过这种方式可以大大节约控制系统硬件成本，提高系统的可靠性和可维护性， l o 使控制硬件模块化，控制任务划分更加清晰。 机器人焊装线自动化程度高，设备运行具有较高的安全要求，传统的安全 回路设计方法会导致安全回路布线复杂，系统柔性低，可维护性差。本方案采 用了基于安全总线的安全回路设计，简化了现场布线，增加了系统的柔性，同 时提高了安全系统的可靠性。 2 3 1 汽车行业常用现场总线3 1 现场总线( f i e l db u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过 程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它 作为工厂数字通信网络的基础，实现了生产过程现场及控制设备之间及其与更 高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、 新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主 要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点， 并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司 都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作 环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、 容错能力强、安全性好、成本低的特点；具有一定的时间确定性和较高的实时 性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。 由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具备高速数据通 信网的特色。常用的现场总线主要有：p r o f i b u s 总线、e t h e r n e t i p 工业以太 网、c o n t r o l n e t 总线、d e v i c e n e t 总线和i n t e r b u s 总线等。 2 3 1 1 现场总线的技术特点1 ( 1 ) 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间 可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底 层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准 的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统 相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统 集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品 组态成不同规模的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性。这里的互可操作性是指实现互连设备间、系统 间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意 味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量 处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的 基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本 功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上 改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提 高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现 场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、 射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与 通信，并可满足本质安全防爆要求等。 2 3 2 2 现场总线的优点引 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统 的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设 备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量， 不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、 隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节 省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一 条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少， 连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需 增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、 安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的 运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时 间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供 的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死 了设备的选择范 围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的 主动权完全掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化， 与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。 同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了 信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功 能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 2 3 2 分布式i o 控制网络 结合现场总线技术，以p r o f i b u s 这种在汽车行业应用较多的总线技术， 描述使用总线技术构成的分布式控制网络。 首先我们搭建了使用西门子3 0 0 、4 0 0 系列p l c 和p r o f i b u s 网络构成的 1 2 汽车白车身焊装线环网。如图2 - 2 所示，最上层网络是车间m e s 管理系统，通 过d p 耦舍器和p l c 网络现场控制层连接，进行数据交互，完成现场信息的采 集；现场层的第一层是由6 个p l c 和6 个d p 耦合器通过p r o f i b u s 介质组成 环网，完成整个车间的自动化控制，协调各个工段之间的互锁。第二层为单个 p l c 组成的分布式i o 控制网络，在p l c 所控制的安全区域中，各种设备的控 制信号都是通过现场模块和布置在现场靠近设备的接线盒中韵i o 模块采集得 来的，机器人设备也是通过p r o f i b u s 总线连接到p l c 上的。在这层网络中， 安全p l c 也是作为主p l c 的一个从站柬组网的，安全p l c 处理各种安全设各 的i o 逻辑然后把状态反馈给主p l c ，实现安全控制任务和主控制任务的通 信。第三层为机器人于网络，机器人控制和它直接相关的各种设备，如水气阀、 修磨器、焊枪、抓具、焊接控制器等，这些也是通过各种现场模块和接线盒中 等i o 来完成信号的采集和设备控制。 图2 - 5 焊装线组网示意图 总线网络的应用使整条焊装线的工艺和物流控制联成一个整体，通过合理 的控制任务划分，实现了硬件设计和软件编程的模块化和标准化，使用安全p l c 或安全模块来处理现场的安全信号，降低了安全回路的设计难度。对多级现场 总线网络的灵活应用，增加了控制系统本身的柔性，更好的实现了机器人柔性 焊装线的控制任务。 2 4 本章总结 本章介绍了柔性焊装线的特点，重点分析了机器人柔性焊装线重要设备的 特点与技术水平，并根据焊装线的_ 【= 艺需求，结合现场总线技术，完成机器人 柔性焊装线的控制网络架构。 第三章机器人柔性焊装线总体设计原理 汽车白车身焊