柔性智能制造在裝焊車間螺柱焊自動(dòng)島的應(yīng)用

武 揚(yáng)，毛中正，王曉峰，朱喜恒

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

某混動(dòng)車型作為公司產(chǎn)品線的重要組成部分，整體生產(chǎn)線規(guī)劃以手動(dòng)工位為主，其中螺柱焊工位從項(xiàng)目初期開始進(jìn)行深度探討，在不增加建設(shè)成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)的可能性。從整體規(guī)劃、工裝設(shè)計(jì)開始，技術(shù)維護(hù)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)諸多潛在問題并提出相應(yīng)的解決方案。進(jìn)入自主實(shí)施階段后，圍繞設(shè)備機(jī)械安裝、電氣接線、利舊設(shè)備維保、編程調(diào)試及焊點(diǎn)優(yōu)化等5 個(gè)方面開展工作。

技術(shù)維護(hù)團(tuán)隊(duì)在保證序列化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，利用生產(chǎn)間隙和周末加班時(shí)間完成了所有相關(guān)工作。在項(xiàng)目期間攻克了諸多難題，并且提出了一系列具有建設(shè)性的方案。其中包括：對(duì)利舊設(shè)備進(jìn)行深度保養(yǎng)，保證設(shè)備質(zhì)量和使用壽命；結(jié)合離線仿真梳理28 個(gè)機(jī)器人干涉區(qū)，減少機(jī)器人等待并提高產(chǎn)能；使用Ghost 方式進(jìn)行機(jī)器人干涉區(qū)驗(yàn)證并提高工作效率；對(duì)多達(dá)160個(gè)螺柱焊點(diǎn)進(jìn)行編程調(diào)試以及參數(shù)設(shè)置等。

1 利舊設(shè)備拆卸及維保

根據(jù)設(shè)備需求，從已經(jīng)停產(chǎn)4 年（服役10 年）的生產(chǎn)線中選取并拆卸5 套機(jī)器人、8 把螺柱焊槍、6 臺(tái)機(jī)器人控制柜、6 臺(tái)螺柱焊控制柜、8 套送料器和2 套配電柜。每臺(tái)機(jī)器人涉及6 根線纜，每臺(tái)螺柱焊控制柜涉及11 根線纜。由于設(shè)備老舊，線纜繁多，須對(duì)拆卸的設(shè)備進(jìn)行深度整理、整頓、清掃、清潔及維保。技術(shù)維護(hù)創(chuàng)新工作室技師團(tuán)隊(duì)運(yùn)用自身技能和經(jīng)驗(yàn)，逐個(gè)對(duì)焊槍、機(jī)器人、控制柜及相關(guān)線纜進(jìn)行檢查測(cè)試和維保，最終整理出所需的全部硬件設(shè)備。

2 設(shè)備安裝

2.1 工裝夾具安裝

該螺柱焊工位采用轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)車身底板進(jìn)行正反面焊接，為了節(jié)省成本，轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式由氣缸推動(dòng)齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，其核心機(jī)構(gòu)如圖1 所示。在整個(gè)安裝過程中，最突出的問題是轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過程十分不平滑，在旋轉(zhuǎn)過90°后會(huì)快速擺動(dòng)，產(chǎn)生很大的沖擊，初步判斷為輸出力不夠所致。

通過調(diào)整氣缸節(jié)流閥可以降低轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度，但會(huì)影響節(jié)拍。結(jié)合目前使用的氣缸型號(hào)（DSBC_125_200_PPVA_N3）進(jìn)行分析，由氣缸樣本說明可知，氣缸0.6 MPa（6 bar）最大拉力為6881 N，現(xiàn)場(chǎng)氣壓為0.5 MPa（5 bar），可知?dú)飧琢?881×5/6=5734 N；齒輪分度圓半徑（扭矩力臂）為68.5 mm，如圖1 所示，由此可得，目前轉(zhuǎn)動(dòng)力矩=5734×68.5=392 779 N·mm；轉(zhuǎn)轂活動(dòng)部分稱重為1400 kg，因此，轉(zhuǎn)臺(tái)重心離轉(zhuǎn)軸允許的最大距離為：392 779/14 000=28 mm，得出翻轉(zhuǎn)動(dòng)力不夠的主要原因是當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)重心趨于允許的最大距離所致。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)機(jī)

解決措施：①通過增加7塊配重塊，將重心調(diào)整到轉(zhuǎn)軸位置，如圖2 所示；②通過選用負(fù)載更大的緩沖器對(duì)末段旋轉(zhuǎn)進(jìn)行緩沖。改造前緩沖器雙側(cè)最高有效重量為1680 kg，此數(shù)值與轉(zhuǎn)轂重量基本一致，故選用有效載荷更大的MC3350M-4 型緩沖器（雙側(cè)有效重量5660 kg），改造后，轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)動(dòng)速度穩(wěn)定且沖擊載荷明顯下降。

圖2 增加配重

2.2 機(jī)器人及控制柜安裝

利舊的ABB 機(jī)器人及控制柜已沒有圖紙可尋，因此必須選擇逆向開發(fā)方式，先摸查電路走向，然后通過現(xiàn)場(chǎng)校點(diǎn)繪制圖紙，最后進(jìn)行電氣規(guī)劃及安裝。具體包括3 項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容：

（1）控制柜內(nèi)沒有PLC 及交換機(jī)位置，因此需要判斷舊控制柜內(nèi)端子及斷路器設(shè)備的必要性，去除在此項(xiàng)目中用不到部分，以便為PLC 及交換機(jī)的安裝提供位置。

（2）利舊的遠(yuǎn)程模塊與現(xiàn)場(chǎng)需要的模塊不匹配，并且有部分模塊損壞，根據(jù)需要更換部分安裝模塊及安裝底板。

（3）機(jī)器人安裝部分是通過硬接線實(shí)現(xiàn)，由于圖紙不完整，需要通過多用表測(cè)量判定，找到需要的安裝接線。

2.3 螺柱焊設(shè)備安裝調(diào)試

作為本項(xiàng)目焊接執(zhí)行設(shè)備的核心螺柱焊，總計(jì)需要利舊4套螺柱焊設(shè)備，包括焊控柜、送料器、管線包和焊槍。螺柱焊系統(tǒng)主要工作：①螺柱焊系統(tǒng)硬件安裝；②螺柱焊工藝包研究及調(diào)用；③機(jī)器人干涉區(qū)劃分；④焊點(diǎn)軌跡調(diào)整；⑤工藝參數(shù)設(shè)置；⑥機(jī)器人與螺柱焊控制柜I/O 配置；⑦三坐標(biāo)優(yōu)化。

首先遇到的難點(diǎn)是利舊的機(jī)器人并非全部是螺柱焊機(jī)器人，在沒有任何標(biāo)準(zhǔn)可以參考的情況下，如何使所有機(jī)器人都能配套使用螺柱焊系統(tǒng)成為問題。通過研究發(fā)現(xiàn)，可選取一臺(tái)螺柱焊機(jī)器人，對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行鏡像，然后將該鏡像還原至其他3 臺(tái)機(jī)器人。如此，所有機(jī)器人均可使用螺柱焊系統(tǒng)，避免了單獨(dú)配置等工作，提高了效率。

在對(duì)螺柱焊進(jìn)行硬件配置后，如何在機(jī)器人程序中調(diào)用焊點(diǎn)，并且獲得相關(guān)的焊接參數(shù)成為亟待解決的又一個(gè)難題。通過研究發(fā)現(xiàn)，如果需要調(diào)用螺柱焊控柜中的焊點(diǎn)，必須要在機(jī)器人程序起始處提前聲明，并且標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用7 位焊點(diǎn)號(hào)，因此在聲明中必須要有一個(gè)分隔符將其區(qū)分開來。焊點(diǎn)聲明后，在后續(xù)焊接程序中可以直接調(diào)用。

本項(xiàng)目4 臺(tái)機(jī)器人共計(jì)需要焊接160 個(gè)螺柱焊焊點(diǎn)。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，4 臺(tái)機(jī)器人同時(shí)焊接，合理劃分干涉區(qū)，避免機(jī)器人工作中碰撞，同時(shí)最大程度地提高節(jié)拍成為問題。通過分析機(jī)器人仿真視頻，對(duì)機(jī)器人兩兩進(jìn)行判斷，提前在線下對(duì)機(jī)器人干涉區(qū)進(jìn)行規(guī)劃和區(qū)分，如圖3 所示，最后將干涉區(qū)導(dǎo)入在線機(jī)器人程序進(jìn)行驗(yàn)證。本項(xiàng)目一共添加了28 個(gè)干涉區(qū)，并且在調(diào)試過程中沒有碰撞現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 機(jī)器人干涉區(qū)離線仿真分析

技術(shù)維護(hù)工程師在保證MRA 焊裝線體正常運(yùn)營(yíng)的前提下，獨(dú)立完成了所有螺柱焊系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，沒有借助外部資源和力量。與此同時(shí)，還研究開發(fā)出了ghost 模式，用于機(jī)器人軌跡優(yōu)化和干涉區(qū)分析。

3 編程及調(diào)試

除硬件安裝工作外，不同時(shí)代設(shè)備差異性導(dǎo)致的電氣安全系統(tǒng)兼容匹配問題成為了很大難點(diǎn)。

該項(xiàng)目包含4 個(gè)機(jī)器人，2 個(gè)閥島、3 個(gè)ET200S 遠(yuǎn)程模塊、1 個(gè)安全門鎖和1 個(gè)照相機(jī)等系統(tǒng)備件組成，總共500 多個(gè)I/O點(diǎn)。離線編程、在線調(diào)試及支持ETPT 生產(chǎn)投入600 人時(shí)。

3.1 通信協(xié)議

已停產(chǎn)生產(chǎn)線的ABB 機(jī)器人使用的通信方式是PROFIBUS，而現(xiàn)場(chǎng)使用的閥島以及網(wǎng)絡(luò)模塊都是PROFINET，這就要求硬件組態(tài)需要分成兩條支路，一條支路是PROFIBUS協(xié)議，另一條支路是PROFINET，分別連接PLC 與機(jī)器人及其下屬設(shè)備和PLC 與上位機(jī)，如圖4 所示。

圖4 PLC 硬件組態(tài)

3.2 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同

在該自動(dòng)島使用的Integra4 標(biāo)準(zhǔn)中，PLC 與從站的通信方式都是PROFINTE 格式。PROFINTE 的優(yōu)勢(shì)是通信速率快且可以做成星型連接，兩個(gè)從站之間影響較小。但是利舊的ABB 機(jī)器人是10 多年前的產(chǎn)品，它們的通信模塊是基于PROFIBUS，雖然可以更換成PROFINET，但整個(gè)項(xiàng)目大概需要增加5 萬(wàn)元的成本。經(jīng)過研究決定，采用在同一個(gè)項(xiàng)目下做兩種通信方式的辦法解決這類問題，這在其他項(xiàng)目很常見，但是對(duì)Integra 標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)很大。

每一代的Integra 標(biāo)準(zhǔn)所選取的硬件，特別是網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)備都是唯一的，并且對(duì)這個(gè)唯一類型的產(chǎn)品開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)功能塊，德國(guó)工程師通過我們的反饋不斷完善這些功能塊。但是這種利舊項(xiàng)目建于多種Integra 標(biāo)準(zhǔn)之間，德國(guó)方面也無法提供支持，只能自己研究測(cè)試。

3.3 安全程序編寫

機(jī)器人程序編寫涉及控制字及狀態(tài)字梳理、安全程序編寫、急停測(cè)試、安全門測(cè)試等工作，由于機(jī)器人不是Integra4 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人，沒有現(xiàn)成的例子參考，安全門鎖用的是Integra5 標(biāo)準(zhǔn)的安全門鎖，也是通過多次測(cè)試才能正確配置及工作。

3.4 HMI 顯示及人工操作畫面的生成及調(diào)試

同機(jī)器人一樣，氣缸的HMI 顯示也是通過戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)DB塊實(shí)現(xiàn)，用標(biāo)準(zhǔn)DB 塊導(dǎo)出AWL 文件，生成樹形結(jié)構(gòu)，并用MOV 軟件編輯手動(dòng)操作畫面，如圖5 所示。

圖5 HMI 操作界面

4 結(jié)論與收益

混動(dòng)車型裝焊車間螺柱焊自動(dòng)島項(xiàng)目作，最終實(shí)現(xiàn)了將人工工位轉(zhuǎn)換為自動(dòng)生產(chǎn)線，作為一個(gè)集機(jī)器人、焊接設(shè)備、PLC及周邊附屬設(shè)備一體的系統(tǒng)化利舊項(xiàng)目，充分體現(xiàn)了柔性化在智能制造工廠的應(yīng)用。同時(shí)為公司節(jié)省了設(shè)備投資、調(diào)試費(fèi)用，以及減少生產(chǎn)線操作人員6 人，實(shí)現(xiàn)了降本增效。