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白车身机器人焊装线p l c 控制系统架构研究 摘要 伴随汽车工业的飞速发展，白车身焊装生产线也在逐渐向全自动柔性化方 向发展。工业机器人作为自动化焊装线最主要的柔性设备，目前在汽车行业中 已开始广泛应用。本文以某微型客车机器人焊装生产线控制系统为研究对象， 设计和构建了基于现场总线的白车身机器人焊装线的分布式i 0 控制系统。 论文首先阐述了汽车焊装生产线的组成、汽车焊装工艺的现状与发展。通 过对汽车焊装生产线的各主要组成部分的剖析，分析了控制的内容及要求。针 对其工艺特点，给出了p l c 控制系统的架构，完成硬件设计与软件设计方案。 在控制系统的软件设计中，论文对模块化，结构化的编程思路进行了研究探索， 在此基础上对焊装线控制程序进行了系统的规划。最后，论文对焊装线关键设 备的控制进行了详细的分析和程序设计，实现机器人焊装线的通信与控制。 本课题最终结果达到设计的各项要求，并经过现场的实际检验，目前该系 统运行情况良好。 关键词：工业机器人；白车身焊装线；现场总线；控制系统架构；面向对象编 程 r e s e a r c ho nt h ep l c b a s e dc o n t r o ls y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rb i wr o b o t sw e l d i n gl i n e a b s t r a c t b i w ( b o d y i n w h i t e ) w e l d i n g l i n et e n d st ob ea u t o m a t e da n df l e x i b l e ，w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y a st h em o s tf l e x i b l ee q u i p m e n t i nw e l d i n gl i n e ，m o r ea n dm o r ei n d u s t r i a lr o b o t sa r eu s e di na u t o m o t i v ei n d u s t r y i n t h i sp a p e r ，w et a k eam i n i b u sc o n t r o ls y s t e ma st h er e s e a r c ho b je c t ，d e s i g na n d e s t a b l i s hf i e l d b u s b a s e dd i s t r i b u t e di 0c o n t r o ls y s t e mf o rar o b o tb o d y i n - w h i t e w e l d i n gl i n e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o no fa u t o m o b i l eb i ww e l d i n gp r o d u c t i o n l i n e ，t h ec u r r e n ts t a t u s a n dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e w e l d i n gt e c h n o l o g y t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o c e s s ，t h ec o n t e n ta n dr e q u i r e m e n t so f c o n t r o l ，t h ec o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do np l cw a ss e tu p ，a n dt h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a sa c c o m p l i s h e d t h em o d u l a ra n ds t r u c t u r e ds o f t w a r e p r o g r a m m i n gw a ss t u d i e d o nt h i sb a s i s ，t h es y s t e m a t i cp l a n n i n go f c o n t r o ls y s t e m f o rt h ew h o l ew e l d i n gl i n ew a sc o n d u c t e d f i n a l l y ，d e t a i l e da n a l y s i sa n dd e s i g n st h e p r o c e s so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gf o rk e y sf a c i l i t yf a c i l i t i e s i nb i ww e l d i n gl i n e w e r ei m p l e m e n t e d ，a n dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lo ft h eb i wr o b o tw e l d i n gl i n e w a sa c h i e v e d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h i sp r o j e c tw e r es a t i s f i e d ，a n dt h es y s t e mw a s a c c e p t e d ，a n di sr u n n i n gw e l l k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lr o b o t ；b i ww e l d i n gl i n e ；f i e l db u s ；c o n t r o ls y s t e m a r c h i t e c t u r e ；o b je c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g 插图清单 图1 - 1 全国汽车产量对比图1 图2 - 1 车身制造过程简图6 图2 2 夹具示意图7 图2 - 3 总拼工位夹具7 图2 - 4 往复杆输送机构8 图2 - 5 点焊示意图9 图2 - 6 激光复合焊9 图2 - 7 焊钳结构示意图1 0 图2 8 伺服焊钳结构示意图1 1 图2 - 9s m c 气动伺服焊钳。1 1 图2 一l o 焊接控制器( 左为s t 2 1 ，右为p s l 6 3 s 中频控制器) 1 2 图2 1 l 水气元件安装板1 3 图2 - 1 2 修磨器结构图1 3 图2 - 1 3 自动工具更换机构示意图1 4 图2 - 1 4 机器人硬件结构1 5 图2 - 1 5 基于西门子平台的某复杂机器人焊装线p l c 架构1 8 图2 1 6 基于r o c k w e l l 平台的某机器人焊装线组网示意图1 9 图2 - 1 7 使用安全继电器的安全回路2 0 图2 - 1 8 安全控制器软件逻辑2 0 图2 - 1 9 使用安全模块及安全总线的安全回路设计2 l 图3 - 1 机器人柔性焊装线总体布局2 3 图3 - 2 车身总成线装配2 4 图3 - 3 网络架构图2 6 图3 - 4 主线总体方案2 7 图3 - 5 接线盒2 7 图3 - 6 变频器2 7 图3 - 7h m i 2 8 图3 8 人工操作盒( 左侧为主操作台，右侧为辅助操作台) 2 8 图3 - 9 单个机器人控制架构2 9 图3 - 1 0m c p 2 ，r c p l 及w t l 2 9 图3 - 1 1 控制系统信号流程图( s o f t p l c ) 3 0 图3 - 1 2 底板线急停布局及机器人工作站安全防护布局3 0 图3 - 1 3 急停串联3 1 图3 - 1 4m b 0 5 0 机器人工位实际安全布局3 1 图4 - 1 循环系统执行示意图3 3 图4 - 2 程序结构示意图3 4 图4 - 3 白车身p l c 程序结构示意图3 6 图4 - 4 往复杆控制示意图3 7 图4 - 5m b 0 5 0 工位布局3 8 图4 - 6 机器人i o 映射配置3 9 图5 一l 机器人焊装线s i e m e n sp l c 程序架构图4 2 图5 - 2d b 2 0 0 ( u b 线模式共享数据块) 4 3 图5 - 3 操作模式判别功能块4 4 图5 - 4 程序输入接口参数定义4 5 图5 - 5 夹具控制标准程序功能块4 6 图5 - 6 变频器的对象模块图4 7 图5 7 往复杆时序控制标准功能块4 8 图5 8 机器人程序号选择标准功能块与程序号传递标准功能块5 0 图5 9l # 与3 # 机器人防碰撞干涉区l 的设置5 2 图5 1 0 典型点焊搬运机器人的应用5 3 表2 1 表3 1 表3 - 2 表4 一l 表5 1 表5 - 2 表5 - 3 表5 - 4 表格清单 工频与中频焊接的对比1 2 焊装线的工作区域划分2 4 主操作台电气元件及功能描述2 8 块类型及特性3 3 结构体定义项4 3 程序接口参数定义4 7 机器人与p l c 交互信号4 9 机器人程序号定义5 0 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注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒8 曼工些盔鲎 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。 学位论文作者签名：力式 签字噍少舛附日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 巴王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权佥g 巴王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 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) 日 学位论文作者签名：力氓 签字日期：) 口f 年午月t 乒日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 玩彤眵 签字日期：( o 年华月 电话： 邮编： 致谢 硕士研究生的生活即将结束，硕士学位论文也在我的导师王健强教授的悉 心指导下如期完成了。近三年来，在王老师的精心指导下，使我们充分了解和 学习了工业机器人技术及自动化解决方案，并在老师的带领下参与完成了安徽 省重大科技攻关项目以及众多的汽车行业的工业机器人集成应用项目。导师广 博的学识、严谨的治学态度、诲人不倦的品格和深厚的学术素养都使我深深受 益。无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、论文成稿，都倾注了王健 强老师的心血，由衷感谢王健强老师在学业指导及各方面所给予我的关心以及 从言传身教中学到的为人品质和道德情操。值此论文完成之际，谨向导师王健 强教授致以最诚挚的感谢。 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。 特别感谢张天华、王长润、任玉峰、孙纯哲、吴承超等工程师，和他们一起工 作时，得到了他们热情的帮助和指导。同样感谢一起工作的同窗王华国、王玮、 童育华、张婧慧、刘宝柱等同学在生活和学业上给我提供的帮助和支持，以及 实验室一起相处的师弟师妹们，在论文撰写期间，给予我的大力支持，在此一 并致以诚挚的谢意。 另外，感谢我的父母及家人。一直以来，是他们的理解和支持，是他们的 关心、爱护和无私的奉献给予我物质上的支持和精神上的鼓励，深深地感谢他 们的关怀。 最后，向在百忙中评审本文的专家老师表示衷心的感谢! 作者：李斌 2 0 1 0 年0 4 月 第章绪论 1 1 课题背景与意义 汽车产业是国民经济重要的支柱产业，产业链长、。关联度高、就业面广、 消费拉动大，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用n3 。进入2 l 世纪以来， 我国汽车产业高速发展，形成了多品种、全系列的各类整车和零部件生产及配 套体系，产业集中度不断提高，产品技术水平明显提升，已经成为世界汽车生 产和消费大国。据中国汽车工业协会统计分析，2 0 0 9 年卜1 2 月，汽车产销保持 快速增长势头，累计产销双双突破1 3 0 0 万辆瞳1 ，达到历史最好水平。图1 - 1 是全 国汽车产量2 0 0 8 年与2 0 0 9 年对比图。在我国，国产品牌的产品质量与科技含量 已经得到大幅提高，但是与世界一流汽车品牌相比还存在着一定的差距。产业 结构不合理、技术水平不高、自主开发能力薄弱、消费政策不完善等问题依然 突出，能源、环保、城市交通等制约日益显现。随着经济全球化的进程加快， 汽车产业在国际上的竞争愈加激烈，我国汽车产业发展形势严峻。 了辆 2 0 0 8 颦 口2 0 0 9 簟 一 一 及 一礁广 i ! _ i一_ ：i卜8 。二二i 一i i! ； _ i !o l 5 ： ? - _ ￥ l i 。 l i i - i 一卜 l 图卜l 全国汽车产量对比图 随着日益激烈的市场竞争，各个汽车厂必须不断推出新车型，来满足不同 层次用户的需求。为了在日益尖锐化的价格大战中获取最大的利润空间，必须 千方百计降低车型投人成本和生产成本，如何利用先进的技术，加速新产品的 构思及概念的形成，并以最短时间开发出高质量低成本的新产品，以适应市场 多变的需要，已成为各汽车企业竞争的焦点。这直接推动了汽车生产工艺的发 展与提高，原来的各种刚性( 专用) 和半刚性生产线将逐步减少，柔性生产线 将占主导地位。为了能在激烈的市场竞争中获得生存，我国汽车行业不仅在产 品设计与质量控制方面需要向国外一流品牌看齐，更要在产品生产线的设计、 制造等方面积极引进吸收消化国外的最新技术及理论，全面提高汽车生产线的 自动化程度【j j 。 汽车生产线主要分为冲压生产线、焊装生产线、涂装生产线和总装生产线 等。在生产过程中，汽车焊装生产线的自动化程度和装备复杂程度最高，控 制难度最大。从汽车工业的发展历史来看，汽车焊装生产线经历了5 0 - 6 0 年代 l 广_ ? _ i u 手工焊装线- 7 0 年代的自动化刚性焊装线- 8 0 年代后期的机器人柔性焊装线及 目前的高柔性高自动化焊装线等阶段哺咱1 。焊装作为汽车制造过程中的四大工艺 之一，其自动化水平及质量直接关系到整车制造水平和质量。目前国内外企业 正在大力推广无( 少) 库存，按即时生产( j u s t - i n - t i m e ) 的管理方式，对焊 装生产线的自动化和柔性化提出了更高的要求，以适应多品种、变批量的生产 要求，机器人将大量应用于焊接生产线中。 机器人焊装在当前发达国家的汽车制造业中已相当普及。虽然国内各汽车 生产企业也开始采用机器人焊装线，然而自主集成的机器人焊装线较少，且由 于系统多为硬线连接，缺乏可靠性和系统本身柔性，大型机器人汽车焊装线绝 大多数为进口，消耗国家大量外汇。安徽巨一自动化公司承担实施的“机器人 自动焊装线关键技术及装备安徽省“十一五”重大科技攻关项目，研究目的 就是为了研发符合我国国情和满足当今汽车高速发展需要的可快速集成的工业 机器人柔性焊装线，提高我国工业机器人系统的应用水平和汽车制造装备水平。 本文研究的机器人焊装线的控制系统是上述项目的子课题。 1 2 机器人柔性焊装线国内外研究应用现状【7 。8 l 机器人柔性焊装线是由焊接机器人、焊接装备、工装夹具、自动化输送系 统及自动控制等部分组成的高技术含量、高自动化程序的复杂系统。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车身焊 装过程高自动化与高柔性化之间的矛盾。柔性机器人焊装线具有设备利用率高、 生产能力相对稳定、产品质量高、产品应变能力强等特点。 焊装线的总柔性程度由各子系统的柔性程度所决定，其中焊接装备的柔性 程度是决定其柔性程度的关键。焊接机器人是本体独立，动作自由度多，程序 变更方便灵活、自动化程度高、柔性程度极高的焊接装备，具有用途多、重复 精度高，焊接质量高、抓取物件重量大、运行速度快、动作稳定可靠等特点， 焊接机器人是焊装柔性化的最佳选择。 机器人白车身柔性焊装线就是采用焊接机器人作为焊接装备的柔性焊装 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。 1 2 1 国外在机器人焊装线方面的研究应用现状 自从2 0 世纪6 0 年代初人类制造出第一台工业机器人以后，机器人依靠自 身的特点显示出了其强大的生命力。经过四十多年的发展，在国外，工业机器 人已经广泛应用于汽车及汽车零部件企业，机器人自动化生产线成套装备已成 为汽车制造装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。目前，国外机器人 领域及机器人工程集成应用发展有如下几个趋势： l 、大型自动化生产线的设计开发技术。利用仿真系统等高新技术和数字化 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c 。，发展很快，国外企 业已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。利用计算机和通信技术，实 现整条生产线的控制、协调和管理，实现生产线的高度柔性化，使之能够快速 响应市场需求，提高产品竞争力； 4 、自动化生产线的监控n 扣儿3 及在线检测n 列技术。利用先进的传感器技术和 机器人技术，实现生产线的在线检测，从而确保产品的质量，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，方 便生产线的故障排查与诊断； 5 、自动化生产线模块化及可重构技术n 3 叫引。模块化和标准化的设计理念不 仅仅使用在硬件规划中，同样也适用于软件框架中，方便实现整个生产线的快 速调整及重构； 6 、焊接机器人新技术n 5 屯纠。焊接机器人技术研究主要集中在机器人系统仿 真技术、弧焊视觉引导、焊缝跟踪技术、机器人用焊接工艺方法、激光焊接技 术、遥控焊接技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用 弧焊电源技术等方面。 1 2 2 我国在机器人焊装线方面的研究应用现状 我国工业机器人的研究起步较晚，但在机器人的基础研究、关键零部件开 发、机器人整机设计、周边设备开发以及机器人应用等方面取得了不少令人鼓 舞的成绩。近几年来，随着经济的快速发展，特别是汽车业的高速发展有力地 促进了工业机器人市场的发展。广泛的采用机器人，不仅可以有效提高产品质 量，而且对减轻劳动强度、提高劳动生产率、降低生产成本以及保障人身安全 都有十分重要的意义。不过由于我国劳动力成本低廉的基本国情，制造业自动 化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。我国在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几个方面： 1 、已经设计建成了多条机器人焊装生产线乜3 。2 利，设计开发了许多关键工位 的机器人工作站心8 吨引。但是产品的整体性能与国外相比还有很大差距，汽车生 产线的整体解决方案还不够理想，还未曾达到完全柔性化的要求； 2 、焊装线系统控制技术方面，在生产线的多级、多总线控制阳们及联网水 平方面和国际一流水平相比有着一定的差距； 3 、在焊装自动线口卜35 1 、物流输送设计技术口6 3 们方面，已取得了长足进步， 掌握了相应的设计和制造技术，但在复杂夹具、夹具的模块化及标准化设计方 面和世界水平比仍有很大的差距： 4 、由于我国工业机器人研究整体起步较晚，工业基础不够强大，国产机器 人性能有待提高，此外大型、专业的应用工程软件开发还基本处于空白。与国 外机器人相比，不但没有显著的成本优势，却在性能上没法与国外竞争。国内 一流汽车企业基本使用的都是国外的机器人及附属设备； 5 、开始起步与国际一流机器人公司一起联合规划设计机器人焊装集成解决 方案，采取采购与成套设备设计相结合的方式，引进国外先进机器人，自行设 计制造配套外围设备，着重在工业机器人作业系统中的周边装备及控制系统中 作研究。 总之，我国机器人焊装线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。虽然我国对机 器人的市场需求越来越大，并且花了大量外汇引进的国外机器人系统，但由于 国情的不同，生产管理与质量管理模式不同，目前存在着许多问题，如国外系 统不适合中国企业的工艺现状；机器人本体及控制系统的培训跟不上；系统选 型不合理，配置不当，大材小用；缺乏足够的售前和售中技术支持；售后服务 跟不上。这种现象为走引进、吸收、消化和再创新之路的中国工业机器人系统 集成提供了契机。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备 制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生 产线研究开发者带来巨大商机。 1 3 论文的研究内容 本课题的主要研究内容有： 1 、研究与应用面向对象的编程方法，提高程序的可靠性，可理解性与可维 护性； 2 、研究与应用k u k a 机器人编程技术、多机器人的防碰撞技术及机器人自动 换枪技术； 3 、机器人焊装线控制技术的研究，主要实现机器人焊接自动化、车身输送 的自动化和焊装夹具控制的自动化，以及上述部分的协调控制，安全防护等。 本论文是在结合与工厂实际合作项目的基础上进行的，有许多的实际问题 需要解决克服，其中最主要的内容有以下几点： 1 、机器人焊装线总体控制方案的确立：根据工厂的具体条件及对自动化程 度的要求和目标进行综合考虑，提出一套最合适、最完整的解决方案。 2 、机器人焊装线控制系统的硬件设计：这部分主要包括整个控制系统构建、 公用系统设计、控制系统设计、信号采集系统设计、安全系统设计等。 3 、机器人焊装线控制系统的软件设计：软件设计包括两个部分，其中一部 分是机器人焊装作业程序；另一部分是整个控制系统的p l c 控制程序，其主要功 能是实现机器人与周边设备的逻辑控制，焊接设备的自动化作业、输送自动化 和焊装夹具自动化的协调控制，安全防护等，具有自动识别车型、柔性加工不 同部件的能力。这也是本文的重点论述部分，即采用模块化的、面向对象的编 程方法来完成焊装线的p l c 编程任务。 4 、应用工程系统的安装调试：这部分在该系统工程中占有极其重要的内容， 是该系统性能好坏的关键，主要完成各设备的硬件连接，还包括对机器人工作 程序和系统控制程序的校核。 1 4 本章小结 本章详细论述了课题的背景，白车身焊装线在国内外的应用发展情况，分 析了焊装线应用现状和采用机器人焊装线所带来的技术进步与革新，最后说明 了本课题的主要研究目标与内容。 第二章白车身机器人焊装线的组成及技术分析 汽车焊装生产线是汽车白车身全部成型工位的总称，其基本功能是将前道 工序的冲压件通过工装夹具定位、夹紧、应用电阻点焊或激光焊等焊接工艺， 生产出符合工艺尺寸精度和焊接强度的白车身。作为汽车生产过程中最重要的 生产工艺之一，其空间作业内容复杂且自动化程度较高。从汽车工业的发展历 史来看，汽车焊装生产线经历了5 0 - - - 6 0 年代手工焊装线一 7 0 年代的自动化刚 性焊装线- 8 0 年代后期的机器人柔性焊装线，以及目前的高柔性、高自动化焊 装线等阶段。控制系统是白车身机器人焊装线的核心，其中各种自动化设备的 控制、集成技术决定着机器人焊装线的整体技术性能，直接关系到焊装线的生 产效率和产品质量。 2 1 白车身机器人焊装线概述 焊装生产线主要将白车身零部件包括底板总成、侧围、顶盖、前围和后围 组装焊接成一个完整的白车身。根据生产节拍、自动化程度及生产方式等的不 同，通常将车身的焊接过程划分为总成、分总成，各分总成又划分为若干合件， 由各工位完成各零部件的组装，如图2 1 所示。焊装生产线上主要由夹具、车 身输送机构、焊接及抓件机器人、焊接系统、电气控制系统等部分组成 3 9 1 。各 部分通过现场总线连接，使用p l c 控制系统控制这些设备按照工艺流程动作， 完成各部件的焊接任务。 f 一祗涵两一： 戚饭憨成 游同总成 历嘲总成 铡i 司总成 地板避翔t 线 i 奠总狲线 必盥塑薹产刮堡垒鍪! i 丝 r 一下豸霉滋一： 图2 1 车身制造过程简图 缓l ：下线 工 j 4 饰装配 工 瀚漆 工 翻乍身 2 2 焊装线工艺系统 2 2 1 夹具 焊装夹具【4 m 4 l 】是焊装工装的重要组成部分，是焊装件的定位和夹紧装置。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车身产能的关键因素。夹具一般分为定位夹具和补焊夹 具，定位夹具分布于每一工位上，起定位支撑夹紧工件用；补焊夹具装夹板件 _l 用。典型的白车身焊装央具如图2 2 示，一般由支架、夹紧元件( 气缸) 、压板及 定位板组成，有的还带有定位销。 图2 2 夹具示意图 焊接生产线的混流柔性技术引起国内外汽车制造业的广泛重视。而夹具作 为焊接生产线中柔性较差的设备，是制约混线的关键。夹具设计制造的标准化 和模块化，带动了混流柔性挫术的发展【4 2 m 】。对于地板、前围、后围、侧围和 小件焊接总成的生产线混流，关键在于多品种车型的焊接总成共用程度。国内 外采用的总拼夹具一般具有如下几种形式：平移式、翻转式、四面体式、 o p e n g a t e 等。图2 - 3 为本项目实际的平移式总拼工位夹具。 圈2 3 总拼工位夹具 222 白车身输送系统 在车身车间里，每一个加工单元都是经过精心设计、优化组合而成，工件 加工效率高，可充分满足生产节拍的高节奏。物流输送系统将这些单元高教地 连接起来，实现白车身零部件的上件及整车的输送等。 线体输送【3 6 - 3 9 , 4 4 - 4 5 主要结构形式有交叉臂步进式、摆臂步进式、滑橇输送 式和台车式等。焊装线输送系统般通过采用往复杆或辊床滑橇输送来实现车 身的水平输送。其中滑橇输送式具有重复定位精较高、工艺布置灵活性较高、 容易实现乘性化改造和产能提升改造等特点，国内乘用车焊装线一股应用较多 图2 - 4 为往复杆输送设备。 图2 4 往复杆输送机构 往复杆输送装置一般包括驱动装置，顶升装置，顶升框架，水平移动装置 和相关辅助装置组成。 驱动装置是整个传输装置的驱动源，变频器驱动电机带动齿轮传动，齿轮 与其啮合的并行齿条带动移动滑板做水平运动。 本项目中往复杆的顶升装置就是气缸及相应附属设备，气缸带动顶升框架 实现顶升与落下动作。 与顶升装置直接相连的就是顶升框架。顶升框架主要作用就是实现工件在 顶升落下过程中的工件定位支撵。具体工作过程在第五章将详细论述。 2 23 焊接系统 焊接工艺是汽车制造业中的重要环节，也是汽车制造关键工艺领域之一。 其中车身焊接主要应用的有传统的电阻点焊和新兴的激光焊技术。 电阻点焊是一种主要的薄板连接方法，广泛应用于汽车制造行业。自1 9 3 3 年第一辆主要由点焊连接完成的汽车下线以来，电阻点焊的应用已经获得了突 飞猛进的发展。尽管近年来各国学者相继提出了许多新型薄板连接技术，但电 阻点焊以其低成本，易实现高速自动化生产等特点，决定其仍然是轿车白车身 装配的主要连接方法。 如图2 5 所示，电阻点焊是将措接的金属板件簧于施加一定压力的电极之 间并通以强大电流，利用工件本身的电阻热在工件工件间形成焊接熔核，从 而实现焊接的电阻焊方法【4 6 。点焊过程有3 个彼此衔接的阶段焊件在电极 间预先压紧、通电后把焊接区加热到一定温度和在电极作用下冷却。 冷却水 图2 5 点焊示意图 激光焊接【1 6 , 4 7 】是采用激光聚能产生的热量熔化并填充金属的焊接方法，它 的能量密度很高，热能输入小，焊接变形小，熔化区和热影响区窄，并得到较 深的熔深。激光热源的优势在于，它有着极高的加热能力，能把大量的能量集 中在很小的焊接点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快和焊接变 形小等特点，可实现薄板的快速连接。但是激光焊接的设备成本高，一次性投 入大。 激光技术在车身制造过程中的发展经历了不等厚钢板激光拼接技术、车身 激光焊接技术和激光复合焊接技术的发展历程。与单一的激光熔焊技术相比， 激光复合焊接技术具有显著的优点：高速焊接时电弧较高的稳定性、更大的熔 深，较大缝隙的焊接能力、焊缝的韧性更好，通过焊丝可以影响焊缝组织结构， 以及无焊缝背面下垂现象，激光电弧复合焊接技术是对激光焊接的重大发展， 焊接同样板厚的材料可降低激光功率一半左右，因此大大降低了企业的投资成 本，该技术的发展对推动激光焊接的普及将起重要的作用。图2 - 6 为复合焊示 意图。 叛群矩 辉按引 图2 6 激光复合焊 焊接系统的基本功能是将工件间焊接在一起。人工工位主要由焊机焊钳一 次电缆，二次电缆通过电阻焊控制箱，平衡吊挂装置等组成。机器人点焊工位 焊接系统主要由机器人焊钳、焊接控制器、辅助设备( 冷却回路、气路) 构成， 可以实现焊接过程中焊接参数的设定与自动调用，从而可以实现机器人自动焊 接。 2 23 1 焊钳 当前国内汽车工业车身点焊主要应用气动焊枪，经过多年发展与创新，气 动焊枪的技术已经比较成熟，在气动控制技术、焊接质量控制与焊接效率等方 面有了较大的提高。 白车身焊装线上所采用的焊钳可以按照咀下几种方式分类； 1 、按外形结构分：分为x 型枪、c 型枪和异型枪( 双头焊枪等) ，图2 7 为c 型焊钳结构示意图： 2 、按焊钳动作行程分：分为双行程焊钳( 打开、小开) 、单行程焊钳( 仅 小开) 。 机器人焊钳正常工作时所需的水、电、气、信号通过焊钳上的快插接口与 机器人e n e r g ys u p p l y 中管路及电缆相连。 凹2 7 焊钳结构示意图 但随着汽车工业的发展，气动焊枪逐步暴露了一些缺点，对柔性焊接件的 冲击较大、控制定位精度不高、效率较低、电极磨损较大、与机器人的集成度 较低、维护成本比较高，已经不太适应现代汽车工业的发展要求。伺服焊枪【一。- 5 0 l 是晟近几年发展起来的一种新型焊枪，采用伺服电机作为动力装置，由伺服控 制器实现对伺服电机的高教、准确控制，易于实现与机器人的有效集成，从而 实现对焊枪的高精度定位与柔性焊接控制。图2 - 8 为其结构示意图。 蕙 圄2 8 伺服焊钳结构示慧咧 伺服焊枪对于汽车车身装配生产线来说相对较新最近几年，国外众多汽 车公司都已将伺服焊枪应用到汽车车身装配生产线上。实际应用表明：伺服焊 枪有着传统气动焊机所无法具有的优点，在渐进阶段可以根据实际工位对焊枪 运动路径程序的优化控制，减少焊接时间，在预约阶段通过伺服控制器的精确 控制，实现对工件的软接触，在焊接阶段，伺服焊枪实现对电极力的精确控制， 提高焊点质量。伺服焊枪是未来汽车装配生产线上主要的点焊连接设备。 然而由于成本问题，电动伺服焊枪在国内尚未普遍使用。近年来日本的 s m c 公司发明了气动伺服气缸系统，用伺服气缸代替焊枪上传统气缸。气动伺 服系统作为一种新兴的焊枪驱动系统，与电动伺服相比，性价比较高。图2 - 9 为气动伺服焊钳。 圜2 9s m c 气动伺服焊钳 2 232 焊接控制系统 焊接控制器用于实现机器人焊钳焊接的控制，包括焊钳大开、小开、焊接 动作以及焊接规范( 焊接电流、焊接时间等) 的设定与调用。 工频交流点焊设备 s l l 是目前广泛使用的常规点焊机，它是将三相或单相频 率为5 0 h z 的交流电，输入给单相降压变压器，通过变压器输出低电压、大电 流的正弦波，以满足接触焊点的需求。它的优点是结构简单，焊接时间、压力 和电流等焊接规范容易调节；缺点是功率因数较低，且热影响较大。图2 一1 0 左 侧图为o b a r a ( 小原) s t 2 1 型焊接控制器。 中频点焊技术 s o - s ”是近两年才发展起来的最新的焊接技术。它是利用逆变 技术将工频电转化为1 0 0 0 h z 的中频电：焊钳采用一体化焊钳，变压器为中频 变压器。围2 1 0 为b o s c h 中频焊接控制器p s l 6 3 s 。它具有以下特点：能够 满足焊接铝、不锈钥和带镀层的钢板，在降低生产成本的同时对加工设备和焊 接质量及其稳定性都提出了更高要求；中频技术的经济性体现在提供对称的电 网负载，因而降低了电网成本；优化功率系统，节省能源消耗：由于缩短了焊 接时间和降低了电流负荷，因此提高了电极使用寿命。表2 - 1 为工频与中频焊 接的技术详细对比。 k - - i 硫 圈2 1 0 焊接控制器( 左为s t 2 1 右为p s l 6 3 s 中频控制器) 表2 1 工频与中频焊接的对比 焊接霉嚣蒋篇警。肇+ 墨戛嚣嚣蔷籍嚣 瞿字蔷嚣j 譬谴嘉蒿蚕辩兰烈篱嘉 规范 金巍箍瓷孺定= 三相工颡焊机报难 输入，参数稳定：恒流效果根稳定 焊接 袈蓄熹登大 表面质量控剖较中频焊 蛊麓裂黑诀鞴黜 质量 爨曩磊舞毒萋i ：； ；蠡舞级阶段电流呈自 适应 蠢襄薯鬻裂、南霜翕凳鐾叠霁藉彝 蠢屡? 麓矬嚣黝豁嚣镂妥臀嚣 性 孟羹譬攀望薹嚣翥需簧霎嚣蓥：其焊接质量 的焊接： 变压 变压器尺寸大输 功率高：变压器尺寸小，输入功率低； 器 能源 器磊驾会：嬲螫瓣 搽苎磊臻鬻乳群黪象麓彰 赫薹利用 蛊 o 7o 焊比工频点焊每焊接一点节省4 美分) ； 辅助 材料 ：篓奖刚寿命短t 消耗量大：用气用 ；，2 曩瞿臂薯毒智囊攀恿蔑鬣凳翼 利用 盘 在一些高速缝焊中应用 橱：甬副 2232 焊装机器人焊接辅助系统( 动力、冷却循环水) 机器人焊钳在焊接过程中，需要压缩空气作为动力，同时需要冷却水对焊 接控制器及焊钳电极部分进行冷却。为实现压缩空气及冷却水回路的控制，机 器人焊接系统中通常采用能源接口板r o b o ti n t e r f a c ep a n e l ( r i p ) 为焊接 系统提供能源。图2 - 1 l 为示意图及实物图。 图2 1 1 水气元件安装板 2233 焊钳电极修磨器 电极修磨器用于机器人焊枪电极的自动修磨，其结构如图2 1 2 所示。为了 实现生产装配的自动化提高生产线节拍，分别为每一台点焊机器人配备了自 动电极修磨机，实现电极头工作面氧化磨损后的修磨过程自动完成。同时也避 免了人员频繁进入生产线带来的安全隐患。电极修磨机由机器人控制，示教专 门的电极修磨程序来完成电极修磨。同时根据修磨量的多少来对焊钳的工作行 程进行补偿。 溅k 旦业k 翻2 1 2 修磨器结构图 鼍襞。蠡胁瓢一 祯隧选 2234 自动工具更换机构( a t c ) 自动工具更换机构用于实现机器人工具的自动更换以及更换过程中水、 电、气、信号的连接。自动工具更换机构分为机器人端及工具端，机器人端安 装在机器人末端安装法兰上，工具则安装在工具侧，更换过程中，通过机器人 端与工具端的分离与接合实现工具的自动切换。图2 - 1 3 为o b a r a ( d 、原) 欧米 茄- 4 型自动工具更换机构结构图。 图2 1 3 自动工具更换机构示意图 2 24 机器人 工业机器人t ”4 4 1 是典型的机电一体化高科技产品，其技术附加价值高，应 用范围广。作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成 为衡量一个国家制造业化水平和科技水平的重要标志。 机器人的发展可以分为三代： 第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现型机器人，它主要由夹持 器、手臂、驱动器和控制器组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即 通过示救存储信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按 指令再现示教的操作； 第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外部信息进行反馈的能力， 诸如力觉、触觉、视觉等。其控制方式较第一代机器人要复杂得多，这种机器 人从1 9 8 0 年以来进入实用阶段； 第三代机器人是智能机器人，目前还没有一个统一和完善的智能机器人定 义。国外文献中对它的解释是“可动自治装置，能理解指示命令，感知环境，识 别对象，计划其操作程序以完成任务”。这个解释基本上反映了现代智能机器人 的特点。近年柬，智能机器人旋展非常迅速，如机器人竞技、机器八探险等。 本课题研究涉及k u k a 系列机器人多为第二代机器人。k u k a 机器人最显 著的特点采用了目前最为开放和被广泛接受的标准工业p c 和w i n d o w s 操作系 统作为其控制系统和操作平台。基于p c 控制系统的设计，w i n d o w s 视窗界面 使其编程极其方便，丰富的接口模块方便与生产线的连线及接口衔接，再加上 预集成工业控制软件解决方案s o f t p l c 平台，以及简单的规划与设置，使得操 作人员对机器人的控制轻而易举，与上层控制体系方便快捷集成。k u k a 机器 人的m t b f ( 平均故障问隔时间) 超过7 万小时，具有非常高的可靠性，采用模 块化的结构设计，易扩展、易维护。 机器人的硬件结构主要包括机器人本体、控制柜及示教器，如图2 - 1 4 所示。 f 黼 剥器 图2 1 4 机器人硬件结构 机器人按照在焊装车间的用途可以分为：点焊机器人、弧焊机器人、涂胶 机器人、搬运机器人等。工业机器人作业主要是以机器人为工作载体，在机器 人末端加载多种执行器来完成具体工作，机器人末端执行器在焊装线应用场合 上总体可分为焊接设各类、抓具设备类、标号设备类和涂胶设备类等。根据不 同的应用场合合理选择机器人。机器人选型的主要参数有：自由度( 轴数) 、有 效载荷、安装方式、工作范田等。 2 6 电气控制系统 电气控制系统的基本功能是对生产线的工作状态、设备运行、故障状态进 行监控，查询故障和排除故障。此外，为了适应多变的车型等，电气控制系统 还要具有相应的柔性及扩展性，较短时间的开发周期以及以最少的投资确保最 终产品的可靠性等。大型的机器人焊装线包括大量的设备：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，并且由于整条焊装线跨距较大，设备之间间隔较远，为了保证系 统可靠性和可维护性，本文采用现场总线连接，使用p l c 控制系统控制这些 设备按照工艺流程动作，完成作业任务。通过这种方式可以总体上节约控制系 统硬件成本，使控制硬件模块化，简化和标准化各个设各的接口，控制任务划 分更加清晰，提高系统的可靠性和可维护性，也为焊接线未来的扩展等提供了 前提条件。 2 6 1 现场总线 现场总线 5 5 - 5 9 是一种连接智能设备和自动化系统的全数字化、双向传输、 多分支机构的串行通信网络，也称现场底层设备控制网络。国际电工委员会 ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) i e c 61 158 标准将其定义为“安 装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串 行、多点通信的数据总线”。现场总线遵循国际统的协议标准，具有开放、互 联、兼容和互操作等特性，在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、 电力等领域有着广泛的应用前景。常用的现场总线主要有：f f 基金会现场总线、 c o n t r o ln e t 现场总线、p r o f i b u s 现场总线、i n t e r b u s 现场总线、d e v i c e n e t 现场总线和p r o f i n e t 现场总线等。 p r o f i b u s 作为现场总线领域国际市场的领导者，它以其独特的特点、严 格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，被纳入 欧洲标准( e n 5 0 1 7 0 ) 和国际标准( i e c 6 1 15 8 ) 的现场总线标准，已成为最重 要的和应用最广泛的现