汽車焊裝生產線設計研究

段晨旭

摘 要： 近年來，隨著電子技術、計算機技術以及機器人技術的高速發展，工業機器人越來越廣泛地應用于汽車制造業中。本文以汽車制造業中柔性化程度最高的焊裝生產線為對象，通過研究焊裝生產線的設計方法，希望能夠為焊裝生產線設計提供一些新的思路。

關鍵詞： 機器人；焊裝線；自動化

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A

1 焊裝生產線簡介

焊裝生產線是將帶有焊槍和抓手的工業機器人、焊裝夾具、周邊管線設備、物流裝置和控制電路這幾部分集成起來所構成的復雜系統。焊裝線上的工業機器人一般采用六軸關節式機器人，每個軸上所安裝的伺服電機能夠保證工作范圍內任意位姿的可達性，焊裝線上的抓取、焊接、涂膠等都能交給它完成。此外，工業機器人還具有編程靈活的特點，可根據工藝流程的不同來調用合適的工藝處理程序。選擇焊裝生產線來代替工人手工焊接夠極大地提升生產線的自動化、柔性化和智能化程度，顯著提高焊接精度和質量，同時能夠降低人工成本，縮短生產周期。

2 焊裝線的工藝規劃

焊裝生產線的工藝規劃必須滿足產品各個部分的工藝要求，焊裝線上的工藝種類眾多，其中自動化程度和資金預期直接決定了工藝規劃的方向[1]。焊裝線工藝規劃首先需要確定產品各部分的上件工序，隨后進行各工序的焊點分配，同時分析各工位的生產節拍、核算人機工效、整線物流分析等工作，最終得到相對合理的焊裝線初步規劃。

2.1 工藝規劃的意義

工藝規劃的合理程度決定了焊裝生產線的可實現性，直接影響焊裝生產線的開發周期和成本。進行焊裝線工藝規劃具有如下幾點好處：

（1） 優化焊裝生產線設計方案，減少投資成本。

（2） 確定工藝流程，平衡生產節拍，盡量避免停機等待現象。

（3） 縮短焊裝線設計開發周期，為仿真驗證提供參考。

2.2 焊裝線的工藝規劃流程

焊裝線工藝規劃的流程包括：明確設計條件、生產節拍計算、焊接流程規劃、焊點規劃、撰寫工藝規劃書、工位節拍分析、人機工效核算、物流分析這八個方面。

3仿真驗證

3.1 三維仿真驗證的意義

根據工藝規劃設計的焊裝線規劃只能從理論上實現焊裝線的工藝方案，不能反映焊裝線各設備的實際運行狀況，無法暴露工藝規劃方案中的問題點，存在很大弊端，因而在實際安裝前應該進行三維仿真驗證。

三維仿真驗證是指依據工藝規劃方案，將焊裝線上所有對象（工業機器人、焊槍和抓手、焊裝夾具、圍欄、控制柜、輸送裝置、工藝設備等）的三維模型導入仿真軟件中，建立起焊裝線的虛擬三維數模，通過仿真軟件模擬運行焊裝線工作內容。通過動態的數字化模擬仿真來檢查各工作對象間是否存在干涉等問題，同時優化工藝布局方案，能夠在安裝前提前發現前期工藝規劃方案的問題點[2]。在多機器人協同作業工位，通過三維仿真還可得到最優的機器人焊點分配，盡可能地避開或減少干涉區，優化工位的生產節拍。通過三維仿真可反饋工藝規劃方案的問題點，規避方案設計的風險，優化焊裝線結構，縮短焊裝線開發周期。

3.2 仿真驗證流程

（1）根據前期焊裝線規劃將各個仿真對象導入仿真軟件中，初步建立它們的相對位置關系。

（2）對機器人的作業內容進行可達性驗證，檢查機器人作業過程中工藝設備間是否存在干涉，如干涉需要調整相對位置。

（3）根據工藝內容規劃各個機器人的作業軌跡，對于多機器人作業工位還需要考慮如何避免干涉區出現，同時避免機器人等待的情況出現。

（4）輸出仿真驗證報告，反饋工藝規劃方案的問題點，不斷進行優化改進，最后輸出平面布局圖。

3.3 輸出平面布局圖

平面布局圖體現了焊裝線仿真驗證的成果，將最終通過三維仿真驗證的三維模型投影成二維圖像便可得到最終的平面布局圖，在圖上能夠反映焊裝生產線上所有組成對象的相對位置關系[3]。作為現場架設生產線的依據，準確合理的平面布局圖對于焊裝線工藝規劃方案的正確實施至關重要。

4焊裝生產線系統設計

焊裝生產線的設備數量眾多，工藝要求多樣，控制難度相對較大，一般情況下系統控制程序都是由PLC系統程序和機器人系統程序兩部分組成。焊裝線的程序結構設計和選擇的編程方法直接決定了系統調試和運行的難易程度和速度。本文采用面向對象[4]的編程方式，把設備按照類型劃分之后，將這些控制對象分為幾個不同類型來處理。同種類型的設備工作原理大體相同，控制邏輯相似，運用面向對象的編程方法來抽象出控制對象類型的控制邏輯能顯著提高編程效率，同時得到的程序可反復調用，便于程序的維護和擴展。

4.1 PLC系統程序設計

PLC 作為焊接生產線的控制核心，主要任務是生產線的工藝流程控制、設備運行控制、機器人運動控制及其它周邊設備的控制。主要分為以下幾個模塊：

（1）系統模式選擇：焊接生產線的系統一般分為單任務模式、自動模式和手動模式三類，可以由工人在外部操作生產線的系統模式。

（2）公共報警處理：有油壓不足、氣壓不足、穿越隔離光柵和機器人報警等情況都會觸發公共報警，一般通過一個報警功能塊來對這些信息進行統一監控和處理。

（3）故障安全處理： 根據IEC61508標準中的規定，需要將急停按鈕被按下、機器人急停、安全門異常開啟等信號放在安全功能塊中處理。

（4）工藝數據處理：主要是對焊裝線的工藝流程、生產節拍進行記錄，以確保發生故障時可以快速查找記錄。

（5）工藝設備控制：通過PLC系統來協調各個機器人上設備的使用和轉換。

（6）水氣單元控制：該模塊用于處理焊裝上設備的水氣供應，把所有設備放在同一個模塊中處理，便于前期調試和后期維護。

（7）物流設備控制：將焊裝線物流設備的邏輯控制放在一個模塊中，便于設備的調試和維護。

（8）工位控制程序：用于對各個工位的操作模式、焊裝夾具和機器人進行控制。

通過模塊化的程序結構設計將復雜的焊裝線控制任務細分為多個模塊來處理，使得控制程序設計直觀明了，便于程序的調試和維護。采用面向對象的編程方法對焊裝線的標準設備建立通用的標準功能塊，可大大提高編程效率。

4.2 機器人系統程序設計

工業機器人作為一個獨立的智能單元，由機器人解釋器和控制解釋器兩部分組成。機器人解釋器用于運行機器人運動程序，控制解釋器則用于運行邏輯控制程序以控制機器人的運動。在進行機器人程序設計時，可以運用面向對象的編程方式來開發各種工藝或邏輯處理庫函數，采用結構化的編程思路來進行系統程序架構設計。

運用結構化編程方法進行機器人程序設計具有如下幾個優點：

（1）根據不同結構進行分段編程，便于錯誤程序診斷；

（2）以清晰易懂的方式來展示基本的控制方法；

（3）提高維護、修改和擴展程序的效率；

（4）把復雜的控制程序劃分為幾個簡單的子程序；

（5）降低編程的耗時；

（6）相同性能的程序組成部分可以互換；

（7）可單獨開發各工藝任務的庫函數，便于調用。

工業機器人大體上由主程序、后臺程序和中斷處理程序三部分組成。通過主程序的循環掃描來執行PLC系統指定的工藝程序；后臺程序作為后臺并行的處理程序，可用來處理與PLC系統交互的一些需要實時監控的信號，如判斷電極是否需要修磨或更換；中斷處理程序一般用于對程序運行錯誤的信號進行接收以觸發系統中斷。

5 總結與展望

本文對汽車焊裝生產線設計過程中的工藝規劃、仿真驗證和系統設計做了簡單的介紹，希望能夠為焊裝生產線的設計研究提供一些參考。目前在我國，自動化生產線設計往往依托技術人員的經驗，仿真技術仍非常薄弱。機器人仿真技術的應用，是加快我國汽車自動化生產線革新的重要方法，也是我國工業機器人未來的發展方向。

參考文獻

[1] 王亮，宋林森.白車身側圍焊裝工藝規劃分析[J].機械工程師，2016（6）：33-35.

[2] 馬增輝. 轎車后輪罩總成焊接機器人工作站規劃及仿真[D].長春：吉林大學，2012.

[3] RobCAD eM-Workplace[M].SIEMENS Corporation，2009.

[4] 王維剛. 智能化汽車焊接生產線設計和實現[D].濟南：山東大學，2016.