汽车白车身激光焊接生产线自动化系统的研究

李鹏

摘 要：本文简述了汽车白身激光焊接系统具体构成，并分别从硬件回路、软件安全及总线网络结构等方面，阐述了汽车白车身激光焊接生产线自动化系统详细功能架构以及系统功能模块的实施。

关键词：汽车；白车身；激光焊接；生产线；自动化系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.114

随着汽车工业日益进步，为提高汽车品质，降低汽车生产成本，各大汽车生产商寻求更好的加工手段及制造生产工艺，以降低成本，节能增效。目前，传统的电阻点焊方式已逐渐被现代化的激光焊接取代，其越来越多地被应用于汽车白车身焊接生产工艺中。本文结合某汽车项目实例，对白车身激光焊接生产线自动化系统展开设计分析。

1 汽车白车身激光焊接生产线自动化系统架构

汽车白车身激光焊接生产线自动化系统主要由自动化控制柜、机器人电柜、稳压电源及机器人本体、除尘器、焊接头总成、光纤、光源、水冷机、激光防护房等模块构成[1]。

其中，自动化控制柜又包括触摸屏控制系统与PLC控制器，其主要用于控制系統除尘器、通道门、工装夹具、防护房及焊接头等外围设备，使它们按照相关控制时序完成操作。机器人电柜与自动化控制柜联动实时通讯，以对机器人本体进行运行控制。稳压电源主要为激光焊接设备提供配电保护装置与稳定动力电源。送丝机和机器人本体分别为焊接提供填充填料及负责焊接工艺参数的调用、焊接移动，以此提高焊缝质量。而除尘器能够及时过滤并清除有害烟雾，工装夹具主要确保车身精度以及对焊接车身进行准确定位。焊接头总成集焊缝跟踪、激光焊接、车身识别等功能为一体；光纤及光源可为激光焊接提供稳定激光能量。水冷机能够为光纤和焊接头、激光器等提供恒温循环水，激光防护房为激光焊接人员提供了一个安全操作环境。

2 汽车白车身激光焊接生产线自动化系统安全及网络结构

2.1 硬件回路

系统硬件安全回路主要包括激光、维修门及急停回路等，通过硬件线路串连，使维修门与急停安全回路串连接入安全PLC输入接口。通过硬件线路使激光安全回路分别连入激光器与机器人安全回路。

2.2 软件安全

安全信号主要通过PLC安全程序以及硬件回路进行连接处理，以提高系统设备安全等级。

2.3 总线网络结构

系统外围设备均通过PROFIBUS现场总线实现连接，如远程站、送丝机、机器人、触摸屏及PLC控制器、激光器等，两个PLC的CPU主要通过总线耦合器进行通讯隔离，系统通过以太网连接机器人控制柜与焊缝跟踪装置。

3 汽车白车身激光焊接生产线自动化系统设计与功能分析

3.1 PLC控制系统

系统采用两套触摸屏与PLC控制装置为激光焊接提供控制操作系统，触摸屏主要负责信息输入与监控，其实时与焊接头、送丝机、光纤激光器、焊接机器人以及滚压轮等进行通信，同时还与光栅、通道门、安全门等安全设备进行连接，通过与主线系统控制构成结构清晰、操作便捷以及性能安全的整条生产线自动化控制系统。

3.2 设备工作与工艺模式

本系统主要有自动和手动两种工作模式，其中手动模式下可实现对各设备进行单独操作，而自动控制模式下，主要通过生产线自动生产，分别在正常、空运与排空三种模式下运行。具体工艺控制模式包括两种，一种是用于设备正常焊接的带激光模式，另一种是用于设备调试及程序演示的不带激光模式。

3.3 PLC集成系统安全功能

带安全功能的PLC集成系统其主要用于控制系统安全状态，本系统均采用安全程序分别对维修门开光信号、急停信号及光栅信号等进行处理，其能够用于故障检测以及本地操作中断后快速恢复生产。安全功能程序设计大大提高了系统安全设备等级，使激光器激光发射更为安全。

3.4 焊缝三维视觉系统

焊缝三维视觉系统能够提高激光焊对车身的定位精度，通过对焊缝进行预处理，可借助机器人轨迹对车身精度进行调整，只需将激光三维视觉系统安装于第六轴上，即可进行三维图像处理，识别焊缝准确几何位置，同时还可通过总线将坐标值传输给机器人进行控制，机器人通过计算实际位置偏差，可自动校正焊接运动轨迹，由此实现对焊缝实时跟踪。

3.5 车型识别系统

为了安全，车型识别系统能够用于检验和判断主线给定的车型码，由此可防止碰撞事故发生。系统在工作时主要通过激光测距，判断不同车型信号，然后将其反馈给自动化控制系统，系统经过判断，若车型与车型码一致，则按照对应循环程序进行焊接，若二者不一致，则返回原位跳出循环，同时系统报错等待操作人员干预。

3.6 维修门门禁系统

为保证设备可靠与稳定，整个激光焊接都在密闭激光防护房中进行，焊接过程中为防止维修门打开中断焊接过程，系统采用电磁锁门禁系统控制激光防护房外围的操作盒，由此保证焊接操作人员安全。

3.7 通讯控制系统

系统自动化控制与除尘系统、光纤控制系统均通过主控制柜PLC控制器和工艺控制柜PLC控制器工作，采用PROFIBUSA总线可将不同控制系统连接在一起，信号交换主要通过无源触点方式来实现，电气之间通过DP/DP耦合器隔离，可提高系统稳定性[2]。在除尘控制中，系统采用高负压真空吸附除尘，为降低设备投入成本，自动化控制系统基于双通道光纤控制方案，根据机器人焊接实际情况，分别对功率等参数、两个光路进行切换与控制。

4 结束语

综上所言，本文依次对系统PLC控制系统设计、设备工作模式、工艺模式设置及带安全功能的PLC集成系统、车型识别系统、维修门门禁系统、焊缝跟踪（三维视觉）系统、通讯系统、自动除尘系统进行了详细分析，以通过双通道光纤控制及自动化系统控制，实现汽车白车身激光焊接自动化。

参考文献：

[1]杨晨，黄建根，寿颜波，蒋宇鹏，王志家，徐锐.薄板焊接自动化技术研究[J].工程建设与设计，2017（23）：190-191.

[2] 耿泽中，王庆.罗克韦尔自动化中型控制系统助力金刚石激光焊接[J].自动化博览，2015（07）：30-31.