全铝白车身机器人弧焊系统解决方案技术应用

胡建平 李海峰 梁 凯 孙成亮 张洋洋

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司,沈阳,110168）

0 引言

目前国内乘用车白车身主要以碳钢车身为主，部分为钢铝混合车身，乘用车白车身轻量化一直为技术前沿，俗话说“增加一马力不如减重一公斤”，轻量化对于现代汽车的重要性早已不言而喻，尤其在新能源汽车领域，车身更轻意味着电池续航、操控更好、刹车距离更短、加速更短等优势。所以，各大汽车厂家在乘用车领域，使用最多的无疑是铝制车身。

传统车身焊接主要采用点焊工艺，辅助弧焊、激光焊等工艺方法，全铝白车身采用的焊接工艺主要有铆接、螺接、电阻焊、激光焊等。与钢板相比，铝板韧性差，较难冲压。延展性差且加工困难，这造成铝板的冲压成型与钢板相比，制造设备与工艺的精度要求更高，从而直接拉高了企业的制造成本。

对此，笔者团队开发研制的全铝白车身焊接方案主要采用弧焊工艺，辅助点焊、铆接、胶结等工艺方法；采用挤压铝型材，辅助用稳定、可靠、结构简单的铝板冲压件，为企业进一步降低原材料制造成本；再深入研究分析，通过智能控制实现全铝白车身自动弧焊，形成全铝白车身自动弧焊系统解决方案。

1 生产线设计

本文设计的全铝白车身自动弧焊系统解决方案是新建一条焊接自动化率85%以上的车身焊接生产线，采用机器人自动焊接、自动输送。主要工位包含有：驾驶室前围总成工位，驾驶室左、右侧围总成工位，驾驶室前端模块总成工位，驾驶室后围总成工位，驾驶室顶盖总成工位，车身总成焊接工位，人工单轴变位机补焊工位，人工打磨工位，人工抛光工位，自动检测工位（含打标工位），返修工位，部件各工位的存放区，整线物流以及集中除尘等设备。

2 产能要求

本方案设计的汽车车身焊接生产线，按照下述要求设计：每年产能需求60000套；每天双班生产制，每班生产8h，设备利用率85%；单套产品生产节拍215s。

3 工艺流程分析

工艺流程设计要考虑流程的合理性、经济性、可操作性、可控制等各个方面，国内的工艺流程设计越来越注重以下几个方面：

1）尽量采用成熟的、先进的技术和设备；

2）尽量减少三废排放量，有完善的三废治理措施，以减少或消除对环境的污染，并做好三废的回收和综合利用；

3）确保安全生产，一同保证人身和设备的安全；

4）尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。

4 生产线系统方案

自动生产线是由自动化机器体系实现产品工艺过程的一种生产组织形式。它是在连续流水线的进一步发展的基础上形成的，特点是：加工对象自动地由一个工作站单元传送到另一个工作站单元，并由工作站单元自动地进行加工、装卸、检验等；工人的任务仅是调整、监督和管理自动线，不参加直接操作;所有的机器设备都按统一的节拍运转，生产过程是高度连续的。本设计自动生产线系统如图1所示。

图1 系统平面布局图

4.1 系统三维平面布局

系统三维平面布局图见图2所示，其中：

1）三维布局长120m，宽48m，高10m；

2）共计五个单元：底架单元，车身总成单元，客舱单元，货舱单元，机舱、车门、保险杠单元；

3）节拍 215s。

图2 系统三维平面布局图

4.2 系统物流路线

物流系统是为实现一定的目标而设计的由各相互作用、相互依赖的物流要素(或子系统)所构成的有机整体。要建立一个物流系统，就需要首先在物流系统规划阶段进行物流系统的分析、物流系统的建模和物流系统的评价，然后就此做出决策。物流系统中的决策是在充分的资料基础上，根据物流系统的客观环境，借助于经验、科学的理论和方法，在已提出的若干物流系统方案中，选择一个合理的、满意的方案的决断行为。本系统物流路线见图3所示。

物流系统设计需要坚持以下基本原则：

1）要坚持发挥优势、整合资源的系统性原则；

2）要坚持可行性原则；

3）要坚持高效率、低成本原则；

图3 系统物流路线图

4）物资流动顺畅，柔性化，资源高利用率。

5 系统中的设备构成

要设计一个合理的生产线系统，需要根据实际情况进行仔细分析，包括：

1）根据产能分析；

2）根据生产纲领要求分析；

3）根据合理的生产工艺流程分析；

4）根据实际提供场地分析；

5）根据生产物流分析。

综合上述分析，在满足产能和质量的基础上，系统设计提供出所必需的、性价比高的设备配置。本设计提供的具体设备配置见表1。

表1 主要设备构成

5.1 机器人以及焊接系统

在全铝白车身机器人弧焊系统解决方案中，机器人以及焊接系统是最重要的，本设计其配置见表2。

表2 机器人以及焊接系统配置

表2 （续）

5.2 物流输送设备

本系统设计中物流输送设备的配置见表3所列。

表3 输送系统配置

5.3 人工需求

目前全铝白车身机器人弧焊系统解决方案还做不到完全无人化，在一些岗位上，还需要有人工配合工作。本系统设计中具体人员需求配置见表4。

5.4 系统机器人详细配置

弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。根据单元功能需求选用不同负荷的标准6轴工业机器人。

一般的弧焊机器人是由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成，可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制，还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型，具有可长期进行焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着技术的发展，弧焊机器人正向着智能化的方向发展。

弧焊机器人系统优化集成技术包括：弧焊机器人采用交流伺服驱动技术以及高精度、高刚性的RV减速机和谐波减速器，具有良好的低速稳定性和高速动态响应，并可实现免维护功能。

协调控制技术包括：控制多机器人及变位机协调运动，既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求，又能避免焊枪和工件的碰撞。

精确焊缝轨迹跟踪技术包括：结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点，采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪，提升焊接机器人对复杂工件进行焊接的柔性和适应性，结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差，基于偏差统计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正，保证在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

5.5 焊接系统详细配置

本方案设计的焊接系统详细配置见表5所列。

表5 焊接系统详细配置

6 控制系统

电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路，不同的设备有着不同的控制回路，主要分高压电气设备与低压电气设备的控制方式。

6.1 硬件系统配置

本方案的控制系统采用PLC,触摸屏采用10寸以上，具备10组以上配方功能。控制总线采用Ethernet/IP总线，交换机采用Stratix系列交换机。

6.2 设计单元

电气图纸采用EPLAN绘制，控制系统供电采用交流380V，三相五线制，控制电压直流24V。

安全回路设计要求符合ISO13849-1安全标准，柜内左侧强电，右侧弱电分开走线，提高抗干扰能力。控制系统唯一接地，位于柜内接地铜排。

驱动器位于控制柜下半部分，控制器及I/O模块位于上半部分。

充分考虑EMC电磁干扰因素，采取必要措施提高抗干扰能力。

系统控制电缆进出电控柜采用重载插头连接。控制系统24V供电采用电子保险向负载供电，以降低设备将来老化带来短路风险。

所有设备外壳必须可靠接地，所有金属线槽连接处用接地金属带连接。

所有外部设备用电插座，必须通过合适漏电保护供电。

总线进出控制柜要求有屏蔽处理。

6.3 编程单元

编程语言不局限于梯形图，主要流程采用顺序流程图（SFC）,其余功能块可采用梯形图。

焊接单元要实现不同夹具的快换更换。焊接单元要能手动操作夹具单个阀片动作，也能在手动模式下连续夹紧、松开。

触摸屏要具备总线掉线诊断功能，存储报警历史记录，统计产量节拍。

所有机器人采用统一的编程结构，便于将来维修、诊断。

焊接机器人清枪数量可以在触摸屏上设定。

6.4 触摸屏

触摸屏主界面见图4所示。

触摸屏实时显示各个工作站的运行状态、网络工作状态、各接近开关及变频器的工作状态、各I/O点的信息、与其他工段的联锁信号状态等，具有实时故障报警功能。

图4 触摸屏主界面

触摸屏具有如下优点：

1）简便快捷的配方操作模式，可以提高生产换型的效率；

2）简化状态指示界面，次要状态放到触摸屏上，主要状态在大显示屏上被突出显示。

触摸屏单元界面如图5所示。

图5 触摸屏单元界面

6.5 安全继电器

在本方案设计中，对于系统中的安全光幕、安全门开关等安全设备，均通过安全继电器接入系统中，提高系统的安全等级，保障操作人员的人身安全以及设备安全，确保系统安全、稳定、可靠地运行。

7 MES 系统

作为车间信息管理技术的载体，制造执行系统（MES）在实现生产过程的自动化、智能化、网络化等方面发挥着巨大作用。MES处于企业级的资源计划系统（ERP）和工厂底层的控制系统（SFC）之间，是提高企业制造能力和生产管理能力的重要手段。

7.1 追溯系统

在MES系统中，根据产品管理可形成产品追溯系统，其结构图如图6所示。

图6 追溯系统结构图

7.2 数据存储

焊接数据存储过程是：

1)通过扫码枪读取批次号及零件数量等信息。

2)工序分总成生成工序流水号，含上工序分总成号和散件条码信息。

3)机器人工作站在工作开始前，将需要存储的焊接电流、电压、送丝速度、弧长修正、电感修正等参数发送给PLC，PLC整合收到的焊接数据并发送焊接参数给显示屏，显示屏实时显示焊接参数。

4)在工序焊接过程中，PLC实时将工序流水号、电流和电压等参数发送给工控机记录、保存及处理。

5)工控机通过上位机WinCC软件和SQL数据库处理和保存数据。

6)工控机SQL数据库开放数据接口，以方便工厂MES或质量追溯系统前往提取数据。

举例。假设最终产品由5部分零件组成，分别定义每种零件批次A、B、C、D、E。

定义工位信息ST1（01）、ST2（02）、ST3（03）、ST4（04）。

定义流水号：N

定义焊缝参数：M1、M2、M3、M4、M5、M6...

定义焊接时间：T1、T2、T3、T4、T5、T6...

焊接是否合格：Y（1）/N（2）

定义追溯信息格式：

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

第一工序上件就绪后已生成追溯信息

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

以此类推，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把生成的最终信息传递给上位机数据库进行保存，完成追溯功能。

本系统方案能兼容TCP/IP等标准通信协议，可与生产管理系统、ERP、MRP、MES连接，交换具体信息；使用标准的通信接口以太网总线，对各焊接机器人系统实施数字化动态监控；打标机、扫码枪等使用标准的RS232串行通信协议，直接接入PLC中。

7.3 客户端主要功能

7.3.1 产品管理

根据输入的选择信息，自动产生工件的上线编码、生产过程身份识别信息和过程质量追溯数据。

过程质量信息包括：机器人名称、工件名称、焊丝种类、保护气种类、焊接电流、电压、焊接开始时间、持续时间等，可进行分类存储和实时监控；管理系统能够据此查询各工件或机器人的焊接情况，实现焊件的品质管理，并具有报表打印功能。

可进行产品缺陷分析等。

7.3.2 设备管理

设备管理包括以下内容：

1）设备生产统计，能实时查询统计设备在查询时段内各型号工件的生产数量，焊接开始时间、结束时间，异常时间、设备使用率、电弧率等生产信息，并可生成和打印相应报表。

2）设备维修保养提醒和保养规范，各工作站报警信息的汇总统计，机器人使用效率等设备信息的统计和管理。

3）故障原因的自动分析和排查功能，故障报警及解决方案的自动生成，并具备报警时间记录功能，便于追溯。

例如，生产及数据查询软件功能如下。

登陆界面如图7所示。

图7 登陆界面

定制产品选择如图8所示。

图8 定制产品选择

订单详细情况如图9所示。

图9 订单详细情况

监控画面如图10所示。

图10 监控画面

基础信息管理界面如图11所示。

图11 基础信息管理界面

8 环保要求

根据相关规定，生产线要求具备捕捉、处理焊接及打磨车身产生的焊接烟尘、粉尘的功能，保证排放符合国家安全环保标准，符合但不限于：

1）GBZ1-2010 《工业企业设计卫生标准》；

2）GBZ2-2007 《工作场所有害因素职业接触限值》；

3）GB16194-1996《车间空气中电焊烟尘卫生标准》；

4）GB16297-1996 《大气污染物综合排放标准》；

5）GB50054-95 《低压配电设计规范》；

6）GBZ159-2004 《工作场所空气中有害物质检测的采样规范》；

7）GBZ/T192.1-2007 《工作场所空气中粉尘测定第1部分：总粉尘浓度》；

8）GBZ/T189.8-2007 《工作场所物理因素测量第8部分:噪声》；

9）GB/T13201-91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》。

9 系统动画仿真

图12、图13均为系统动画仿真示例。

图12 动画仿真1

图13 动画仿真2

10 展望

《中国制造2025》由百余名院士专家着手制定，为中国制造业未来10年设计了顶层规划和路线图，要求实现中国制造向中国创造、中国速度向中国质量、中国产品向中国品牌三大转变，推动中国到2025年基本实现工业化，迈入制造强国行列。

目前，航空航天轻量化已经迈出坚实一步，汽车轻量化材料的使用与汽车结构的轻量化设计是密切结合在一起的，要求实现在整车刚度、性能不降低的前提下的轻量化。笔者相信，随着智能制造2025技术不断探索和发展，会有更多的技术突破，强国梦必将实现。