汽車加工焊接生產(chǎn)線的工藝流程與集成控制技術(shù)

萬 騰，席敦祥，王文靜*

（1.白城師范學(xué)院，白城 137000；2.麥格納斯太爾汽車技術(shù)有限公司，嘉定 201800）

0 引言

現(xiàn)代化的汽車生產(chǎn)是在多學(xué)科集成的高度自動化生產(chǎn)車間進行的，生產(chǎn)線的技術(shù)水平往往直接關(guān)系到整車品質(zhì)，對汽車的安全性、舒適性、外觀品質(zhì)影響很大。焊接是車身加工制造的關(guān)鍵技術(shù)，自動化焊接生產(chǎn)線具有效率高、加工精確、適應(yīng)性好的特點，已全面應(yīng)用到汽車的生產(chǎn)制造過程中。汽車加工的焊接生產(chǎn)線工藝應(yīng)用于拼焊、車身焊接和汽車零部件焊接等多個領(lǐng)域，其合理設(shè)計對優(yōu)化制造流程和節(jié)約生產(chǎn)成本具有顯著作用，因此，通過整合現(xiàn)代電子、機械、計算機技術(shù)，形成焊接生產(chǎn)線的全面集成控制，有利于生產(chǎn)流程的監(jiān)控、加工過程的調(diào)整以及故障問題的快速處理。

1 汽車焊接的自動生產(chǎn)技術(shù)

汽車的加工制造技術(shù)對汽車企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，隨著汽車零部件自動化加工技術(shù)的提高，整車自動加工已全面覆蓋我國的汽車加工企業(yè)，相對于車身加工的傳統(tǒng)焊接方式而言，自動化焊接技術(shù)利用計算機系統(tǒng)管理相關(guān)的焊接工序，從而通過機械手臂實現(xiàn)全部的焊接工藝內(nèi)容。汽車自動化焊接主要應(yīng)用在車身零部件經(jīng)沖壓成型后的車架、車體、車身焊接流程。由于焊接的環(huán)境和條件是不斷變化的，因此，應(yīng)著重注意細節(jié)考慮與安全因素，保證焊接工藝的可靠落實。

盡管我國的汽車自動焊接技術(shù)研究起步較晚，但得益于技術(shù)快速進步和合資經(jīng)營模式的普及，自主汽車的生產(chǎn)廠商已逐漸與國際水平接軌，國際先進的焊接生產(chǎn)線的引進很大程度的提升了自主汽車的制造水平，使整車品質(zhì)得到了快速提升。

2 汽車焊接生產(chǎn)線的工藝流程

汽車自動焊接的生產(chǎn)工藝是十分復(fù)雜的，為體現(xiàn)汽車焊接過程的更多工藝，現(xiàn)以車身焊接過程為例對焊接位置、流程、方式進行說明。

焊接生產(chǎn)線由若干個工位組成，每個工位有具體的任務(wù)目標,不同工位通過輸送裝置連接，從而行程一個整體的生產(chǎn)線。汽車焊接自動化生產(chǎn)線中包含了焊接手臂、輸送裝置、定位裝置、檢測裝置、報警裝置等眾多設(shè)備，通過中央控制器實現(xiàn)對設(shè)備的控制雨查看。總體上講對車身的焊接從以下4部分進行：（1）針對汽車的側(cè)圍進行焊接，主要包括前、后、左、右部位的側(cè)圍焊接工序；（2）對引擎蓋、后備箱蓋、四個車門等總成位置進行焊接；（3）對車身底部的地板總成進行焊接；（4）針對車身整體的焊接，使金屬部件行成完整的汽車體。在焊接生產(chǎn)過程中由于應(yīng)用了大量的機器人手臂，造成了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和高難度。

圖1 車身自動焊接位置

現(xiàn)代化的汽車焊接主要以電阻電焊和二氧化碳氣體保護焊為主，先進的生產(chǎn)線還充分結(jié)合了激光焊接、激光切割、MIG焊接等復(fù)合焊接形式，使焊接和拼裝的自動化效率得到了大幅的提升。

表1 自動焊接方式及應(yīng)用形式

3 自動焊接生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 識別與數(shù)據(jù)傳輸

隨著汽車生產(chǎn)平臺模式化的普及，逐漸形成了不同車型公用同一生產(chǎn)線的制造模式，這為焊接自動化生產(chǎn)的監(jiān)測技術(shù)增加了難度，傳統(tǒng)的單一品種車輛往往只需識別待焊接車輛的位置，而現(xiàn)階段的要求是要實現(xiàn)車型的識別，汽車廠家可應(yīng)用識別車型的技術(shù)是多樣化的，其中光柵陣識別技術(shù)應(yīng)用較多，利用眾多光電傳感器的分布能夠快速的判斷車型，準確度很高。識別步驟是焊接工藝執(zhí)行的初始點，位于整條焊接生產(chǎn)線的入口處，讀取車輛信息后將信息錄入系統(tǒng)，經(jīng)解讀分析后生產(chǎn)線會根據(jù)此車型執(zhí)行相關(guān)工藝，以便于后續(xù)工藝的順利實施。

3.2 承托與輸送技術(shù)

3.2.1 承托與夾持

在待焊接車身或其他零件輸送的過程中，需要專用的設(shè)備進行承托，負責(zé)承托和輸送的結(jié)構(gòu)通常由滑行裝置和夾持輸送設(shè)備組成，這些裝備通常只用于運輸使用，部分先進設(shè)備還具備良好的定位功能。為適應(yīng)多種車型的承托與輸送，現(xiàn)代化的生產(chǎn)線具備更強的可擴展性。為滿足焊接精度技術(shù)要求，承托設(shè)備采用氣動、電動、液壓等多種技術(shù)和元器件結(jié)合，能實現(xiàn)對車身的定位精度誤差控制在1mm以下的要求。為保證運輸精確定位的要求，避免停車過程造成的位置偏移，工裝設(shè)計應(yīng)具備與氣路連接的功能，當輸送到位時，承托結(jié)構(gòu)壓縮氣路實現(xiàn)I/O信號的接通，利用氣缸控制實現(xiàn)精確定位。

3.2.2 輸送自動化

輸送系統(tǒng)與焊接機器人的配合關(guān)系十分密切，現(xiàn)代化的車輛焊接自動輸送設(shè)備通常采用可編程技術(shù)實現(xiàn)控制，為保證特殊環(huán)境下的穩(wěn)定性，使用的控制元件應(yīng)為IP65或更高規(guī)格，且所屬送車輛的相關(guān)信息在人機界面直觀顯示，且通過總線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)能夠方便的實現(xiàn)設(shè)備控制與安全控制，從而提高整個輸送系統(tǒng)的可靠性。同時配合監(jiān)控系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)運行異常，避免嚴重故障問題的出現(xiàn)。

3.3 機器人焊接技術(shù)

機器人焊接技術(shù)是通過機器模擬傳統(tǒng)人工焊接的流程，完成對車身所需各個部位的含接任務(wù)，不同生產(chǎn)線、不同工位的機械手臂在自由度、精確度、焊接能力等方面的是各不相同的，焊接機械臂主要包括機械臂和焊接設(shè)備兩部分，自動焊接生產(chǎn)從傳統(tǒng)的簡單的單臂式機械手、雙臂式機械手，逐漸發(fā)展為復(fù)雜的CNC可編程懸掛式全伺服機械手、CNC可編程開放式全伺服機械手等眾多種類，現(xiàn)階段應(yīng)用較多的為可編程6關(guān)節(jié)機械手臂如圖2所示。機械手臂還必須結(jié)合焊機功能進行設(shè)計，且具備一定的負載能力、平穩(wěn)運行能力和快速精確的位移能力。為減少輸送長度、增加制造精度，機器人焊接設(shè)備逐漸由傳統(tǒng)布局向密集化布局轉(zhuǎn)變，且通過一組機器人設(shè)備不同工具的變換能實現(xiàn)不同車輛的加工，顯著降低了機器人設(shè)備數(shù)量，節(jié)省了輸送焊接的能源消耗。

圖2 可編程6關(guān)節(jié)機械手臂焊接圖

3.4 智能化產(chǎn)品檢測

傳統(tǒng)的車身尺寸及生產(chǎn)缺陷檢測主要依靠人工進行，智能化的檢測技術(shù)利用在線的尺寸監(jiān)控方式，能夠?qū)χ付üの坏纳a(chǎn)產(chǎn)品進行實時監(jiān)測，利用多點激光信號實現(xiàn)車身尺寸的精準測量，并對同一車型的不同批次產(chǎn)品進行大數(shù)據(jù)的對比分析，分析其尺寸變化趨勢，從而有效監(jiān)控焊接質(zhì)量和產(chǎn)品品質(zhì)。當加工的偏差超過預(yù)設(shè)范圍時，系統(tǒng)會自動分析可能的故障位置，從而預(yù)判焊槍的老化或其他故障問題。車輛焊接的表面缺陷多是由于焊接缺陷或焊渣過多導(dǎo)致的，主要的檢測技術(shù)是當光電傳感器獲得車輛信號時，通過攝像裝置在配套光遠輔助下進行拍照，車身兩側(cè)的檢測系統(tǒng)可通過RS232實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并將產(chǎn)品圖像自動與標準圖像工控機中進行對比，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，有效減輕人工檢測的負擔(dān)。

4 自動焊接加工的集成控制方案

4.1 集成控制實施目標

1）能夠?qū)崿F(xiàn)通過PLC控制整個焊接生產(chǎn)的工序、起停、數(shù)據(jù)傳輸、實時數(shù)據(jù)處理、信息輸出等功能，并根據(jù)實際生產(chǎn)情況具有調(diào)整作業(yè)狀態(tài)的能力，在同一個生產(chǎn)線上能完成多種車型的焊接任務(wù)。

2）具備對檢測、監(jiān)視設(shè)備的數(shù)據(jù)接收、控制處理能力，主要包括焊接狀態(tài)、輸送狀態(tài)、成品質(zhì)量等，并對輔助設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)提供檢測預(yù)警等功能，例如對氣壓、水溫、焊接功率、保護焊狀態(tài)等實時情況進行分析，出現(xiàn)異常及時報警。

3）具備人工現(xiàn)場控制、遠程聯(lián)網(wǎng)控制，利用遠程聯(lián)網(wǎng)通信功能實現(xiàn)與PLC網(wǎng)絡(luò)信息和異構(gòu)DCS的信息交流。

4）具有便捷的程序錄入、現(xiàn)場調(diào)整的功能，調(diào)試階段操作者能根據(jù)不同車型、不同材料、不同形狀便捷的實現(xiàn)程序變更或錄入，簡化調(diào)試與試制階段的工作流程。

4.2 流程與控制實施

以車門焊接流程為例，車門總成的組成零件（如內(nèi)板、加強板等）多為沖壓零件，車門焊接可采用CO2氣體保護焊和激光焊接相配合，關(guān)鍵焊接工藝流程如圖3所示。

圖3 汽車焊接加工質(zhì)量檢測

圖4 焊接流程示意

根據(jù)加工工藝的相關(guān)要求，利用遠程通訊技術(shù)，將車身焊接路徑相關(guān)信息獲取并匯總到PLC之中，包括電機、機械臂、變頻器等。系統(tǒng)處理器可通過profibus-DP技術(shù)與各個機械手臂實現(xiàn)通訊，并與控制盤及其他設(shè)備通過I/O信號連接，自動焊接流程在PLC的控制之下完成。工作中當輸送裝置將帶焊接車身送至第一焊接工位，通過技術(shù)識別系統(tǒng)自動調(diào)取焊接加工工藝參數(shù)，并執(zhí)行相應(yīng)的焊接工作，同時后續(xù)的機械手、夾持裝置、檢測系統(tǒng)等功能也被激活，執(zhí)行該車型的整條焊接生產(chǎn)工藝流程。

當需焊接的車型發(fā)生變化，入口處的識別光柵會準確將變換后的車型提供給處理器，當PLC接收到的車型信息發(fā)生變化，會自動調(diào)取變換車型的工藝及相關(guān)信息，并通過人工確認后變換為該車型的加工流程。

自動化焊接工位在滿足高效工作的同時，還必須兼顧生產(chǎn)安全，盡管自動成產(chǎn)車間都具有足夠的物理防護設(shè)施，但為了充分保證焊接工位的安全性，還需配備安全柵欄及急停回路等相關(guān)設(shè)備，當有工作人員進入危險區(qū)域后，PLC會控制生產(chǎn)停止，并預(yù)警，以防出現(xiàn)安全事故。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國的汽車加工技術(shù)正處于飛速發(fā)展的階段，要實現(xiàn)汽車焊接加工技術(shù)的快速提升，一方面依靠于先進的科學(xué)技術(shù)支持，另一方面依靠于現(xiàn)有設(shè)備的科學(xué)有效利用，隨著機器人及焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，我國自主的汽車焊接自動化加工技術(shù)必將實現(xiàn)高品質(zhì)、高精度、高效率的良好模式。