車身焊裝線的機器人控制柜布局設計

伍佳　楊華

摘 要：通過分析機器人控制柜細化布局設計的時機、布置時的管線約束、空間要求、便利性要求，提升焊裝線布局設計質量，有效避免控制柜現場布置時電纜長度不夠、控制柜占用物流通道、調試時不方便等問題，減少對影響項目周期和成本的不良影響。

關鍵詞：焊裝線 機器人控制柜 布局設計

Layout Design of Robot Control Cabinet in Body Welding Line

Wu Jia Yang Hua

Abstract：Through the analysis of detailed layout design timing ， pipeline constraints， space requirements， convenience requirements for robot control cabinet placement， to improve the quality of welding line layout design， which can effectively avoid problems such as insufficient cable length， occupying logistics channels， inconvenience in robot teaching， so as to avoid damage to the project schedule and cost.

Key words：welding line; robot controller cabinet;layout design

1 引言

隨著汽車產業競爭加劇，為了降低制造成本、提升質量穩定性，車身焊裝線大量使用工業機器人代替人工進行焊接、搬運、涂膠等操作。機器人焊裝線開發時，機器人位置需要滿足機器人運動學和周邊設備的雙重約束，通常使用專用軟件進行仿真驗證，目前焊裝線的機器人布局設計方法已得到廣泛研究[1]，而焊裝線上的機器人控制柜如何布置卻鮮有提及。機器人控制柜作為機器人最主要的附屬設備，一條焊裝線有數百臺機器人，也對應著有數百臺機器人控制柜，不僅數量多、占用場地大，而且調試時使用頻繁。如果布局不合理，會對項目成本和周期、焊裝線場地占用、物流通道、現場調試便利性帶來較大不良影響。

2 機器人控制系統

工業機器人系統包含機器人本體、末端工具、控制系統，如圖1。機器人本體就是機械結構部分，包含基座、執行機構、驅動單元等。機器人控制系統一般指常見的用于控制工業機器人的電氣系統[2]，一般集成到控制柜內，由示教器、操作面板及主板、電池、電源單元、急停單元、伺服放大器、熱交換器等構成，如圖2。機器人控制系統通過精細復雜的算法[3]來控制機器人高精度、高速度運動[4]，機器人本體和控制系統之間通過動力線和信號線連接。在機器人控制柜上還配備示教器，用于進行機器人的手動操縱、程序編寫、參數配置以及狀態監控。

3 控制柜布局設計

3.1 控制柜布局設計的時機

車身焊裝線建設涉及多個區域，為了縮短項目周期，需要各區域并行開展工作，多區域協同工作的基準之一是布局設計圖。在項目前期，提供多個大概的布局設計圖，各區域分別在此基礎上進行成本和周期評估，進行方案對比和選擇。方案確定后制定初版的布局設計圖，供各區域進行細化設計和長周期件采購。然后，再對布局設計進行細化設計，并根據相關區域的輸入對布局設計進行調整，最終鎖定布局設計。

機器人布局設計是自動化焊裝線設計的重點，其位置需要嚴格進行仿真驗證才能確定。而機器人控制柜是機器人附屬設備，布置在圍欄外，位置要求相對靈活一些。再加上項目周期緊、設計工作量大時，機器人控制柜布局在項目早期往往容易被忽略，在布局細化設計階段才得以明確。此時，機器人的動力電纜已經提前采購，容易導致電纜長度不足，需要重新采購，影響項目周期。應該在確定方案后，進行機器人布局設計同步進行控制柜布局設計。另外，在集約型產線設計時，需要在方案對比階段就考慮控制柜布置，否則容易因為控制柜超出原定邊界線，占用物流通道影響通行效率；或者需要新增空中鋼構放置機器人控制柜，增加項目成本和周期。

3.2 管線約束

機器人控制柜和機器人本體之間有動力電纜、編碼器電纜、剎車器電纜等管線連接，其中動力電纜有規格限制。以Fanuc機器人為例，通常動力電纜長度有7m、14m兩種規格。受此約束，機器人與控制柜之間的距離不能大于動力電纜長度。為了避免意外損壞，生產線的管線統一布置在地面的槽式電纜橋架內，橋架截面尺寸200mm*400mm。受到其它周邊設備的影響，通常橋架無法直線布置。以7m長的動力電纜為例，控制柜與機器人本體之間的直線距離需要控制在5m以內，接近5m時就要詳細校核電纜長度。

圖3為某工位布局設計，工位有4臺焊接機器人和1臺搬運機器人，右側有上件位置占用機器人控制柜布置空間，導致右下角的 R2機器人的控制柜無法就近布置，需要布置在左上角。雖然R2機器人控制柜與機器人本體直線距離為5.8m，但是因為橋架繞行，各段橋架長度為1.4m、4.1m、6.1m，實際管線長度大于11.6m，需要選用14m的動力電纜。如果沒有進行控制柜細化布局設計，此處動力電纜容易選成7m的，導致電纜長度不足。

機器人的示教器平時放在控制柜上，在生產線調試階段需要經常拿到機器人旁邊進行機器人手動操作和編程示教，在產線布局設計時需要校核示教器與控制柜的電纜長度。如果電纜長度不夠，在機器人調試時調試人員無法手持示教器到達合適的觀察位置，影響調試效率，甚至存在較大安全隱患。Fanuc機器人的示教器電纜長度有10m、20m兩種規格，一般選擇10m即可，如果動力電纜選用14m的，則需要按照實際橋架測量示教器電纜長度，確定是否使用20m的示教器電纜。

3.3 空間要求

機器人控制柜本身一般比較緊湊，如圖4為某型機器人控制柜，長0.6m、寬0.47m、高0.5m。除了控制柜本身寬度外，還要留出控制柜的接線空間、維護空間。動力電纜連接到控制后部，電纜較粗，彎曲半徑太小時容易損壞，控制柜后部與圍欄或者其它設備之間的距離不能小于0.4m。如果機器人控制柜布置在物流通道旁，需要增加防撞桿，最小安裝空間0.2m。為了節省空間，焊接控制器一般疊放到機器人控制柜頂部。而焊接控制器側面有冷卻水管占用空間，機器人控制柜也有接線，如圖5。因此兩個相鄰機器人控制柜的最小距離為0.4m左右。即一臺機器人控制柜的實際占地約為長1m、寬1.2m。

另外，焊接機器人需要冷卻水，搬運機器人或者帶換槍機構的機器人需要壓縮空氣，因此多臺機器人控制柜并排布置時，需要留出水氣點的位置，水氣點實物如圖6。一般一個水氣點包含6組接口，需要留出1-2個作為備份或者預留，即每4-5臺機器人控制柜需要留出一個水氣位置，寬度約1.2m，如圖7。水氣點由土建和公用動力部門負責施工，最好在項目前期規劃好水氣點位置，并預留足夠的空間，否則后期會產生大量的更改工作。

3.4 便利性要求

機器人控制柜的布置，需要考慮調試時的便利性。首先，在場地允許的情況下，盡量就近布置機器人控制柜。機器人控制柜操作面板上的按鈕開關有急停按鈕、報警解按鈕、啟動按鈕、模式切換按鈕等。在調試階段，需要在控制柜操作面板上把機器人運行模式切換到到T1或者T2狀態，再手持示教器到機器人本體附近進行調試或者觀察。機器人與PLC有較多交互信號，在調試過程中不可避免產生報警信息，需要到控制上手動解除報警。調試時需要在控制柜和機器人之間頻繁往返，距離太遠會影響調試便利性，降低調試效率。如果調試時示教器電纜從安全門繞行不夠長，也可以在圍欄上開小窗口把示教器傳遞到圍欄內，縮短線纜繞行距離。

控制柜的布置順序要考慮生產線方向。如圖8的生產線方向是從右向左，工位號從右向左遞增，因此機器人控制柜編號也要從右向左遞增，即L2/R2機器人控制柜布置在L1/R1左側，這樣布置便于調試、故障響應時快速找到對應控制柜。

4 結論

車身焊裝線布局設計時，為避免出現重大偏差而影響方案可行性、項目周期和成本，對于機器人控制柜布局設計應該給予足夠重視，盡早進行控制柜的詳細布局設計。同時，控制柜布置需要考慮動力電纜、示教器電纜長度的約束，并給控制柜周邊留出管線及配套水氣點的空間。為了便于快速響應，控制柜的布置順序盡量遵循按照產線方向編號遞增的方式。如此才能確保布局設計的準確性、機器人調試便利性，避免控制柜占用物流通道、線纜長度不足需要重新采購等問題。

參考文獻：

[1]鄭宏良，覃鑫.車身焊裝生產線機器人布局設計[J].科技創新導報，2014，11（31）：8-9.

[2]陳威，張展鴻，鄧汝炬，馮奕強.機器人控制系統在整車焊裝車間的擴展應用[J].汽車實用技術，2021，46（06）：120-123.

[3]王玉婷.工業機器人運動控制系統設計研究[J].微型電腦應用，2020，36（10）：86-88.

[4]林立，秦芳清，陳瑋，陳鴻蔚，陳紅專，萬炳呈.工業機器人伺服控制系統建模及仿真[J].邵陽學院學報（自然科學版），2019，16（06）：25-32.