汽车部件焊接生产线系统设计

陈文雄

【摘 要】中国汽车市场竞争激烈，汽车企业对汽车部件质量和生产效率的要求不断提高，而汽车焊接技术水平的高低对整台车的安全性、稳定性都有着极大的影响。为满足汽车企业的要求，汽车部件焊接生产线的自动控制水平也不断提高。文章从整体设计思路、产品选型等角度设计了一种用于汽车部件焊接的智能生产线，生产线使用机器人提高焊接生产效率，并运用中频直流焊接技术高精度地控制焊接质量。该生产线目前已应用于国内某车型后纵梁总成焊接实际生产，生产试运行期间运行稳定且可靠。

【关键词】中频焊接;PLC;生产线设计

【中图分类号】U463.82;TP391.9【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2022）04-0038-03

0 引言

在汽车制造冲压、焊接、涂装和总装四大工艺流程中，焊接工艺对焊接质量、焊接速度的要求非常严格，汽车零部件多，工艺流程复杂，焊接技术水平和焊接质量的高低决定了整车质量和生产效率。近年来，焊接线装备的先进性不断提升，各种新装备、新技术在生产中得到很好的运用。通过对焊接生产线进行合理的规划和设计，能够较好地控制生产线装备的总投入，满足汽车部件生产的质量和效率要求，还能降低维护费用。

1 生产线系统总体方案设计

1.1 焊接生产线设计思路

焊接生产线设备众多，工艺要求严格，需要考虑的因素、条件非常多，因此在设计时要有一个明确的设计思路。本生产线首先根据车间现场条件及生产流程、工艺要求等，设计焊接现场工位布局，然后在工位布局确定的情况下考虑实现各工位的功能所需的主要生产设备及选型，主要生产设备确定后，设计生产线支持系统如水路、气路、安全防护、传感器等。当所有机械、电动设备定型后，统计所有设备的I/O数量，设计生产线控制系统，对PLC进行选型，设计生产线控制系统组网方式，包括电源电路系统设计、机柜、电缆等[1]。

1.2 生产线系统设计要考虑的主要因素

生产线系统设计要考虑的主要因素如下：工件、焊接工艺和质量的要求。首批工件已确定为某型号小汽车的后纵梁总成2种零件。工件尺寸、重量、工件的生产流程及焊接工艺质量要求，是生产线设计时要考虑的关键因素。生产产量的要求。确定生产纲领和年时基数。生产线场地限制。生产车间要预留人、物流通道，以及工件临时仓储等功能区，而实际焊接生产线的面积限制了焊机和焊接机器人的数量。投入成本的限制。大品牌设备价格昂贵，而小品牌设备成本低，但设备故障率较高，维护时间长，会影响生产进度。生产线柔性化的要求。焊接生产线的刚性较强，不同车型的焊接线通用性差，每更新换代一种车型，均需要更新大量专用设备和生产工艺。考虑到加工多种不同类型的工件，焊接线必须具备一定的柔性，但要防止冗余量过大增加不必要的生产线成本。设备兼容性。系统是否开放，如焊接机器人与焊机的匹配度;对外设的兼容性如何，如控制系统的PLC与外设的通信是否要增加专用板卡。基础条件。厂房柱顶标高、屋架承载能力、电力容量、通风条件等。设备易维护性。选购设备时要考虑设备实际维护维修成本，以及外设扩展时的配套成本。？讁？訛设备I/O数。设备I/O数及通信距离，是控制系统和通信方式的主要决定因素。

1.3 生产线系统的总规划

设备有效利用率设定为85%，规划采用14套焊机和14台机器人，经过综合计算及模拟，生产节拍满足要求。

1.4 生产线系统的组成

经整体规划设计，焊接生产线主要由以下几个部分组成：机器人系统，包括底座、主体、控制柜、示教器、通信板等。机器人切换盘，包括换枪架、气动系统等。机器人抓手系统，包括抓手、抓手气缸、抓手支架等。焊接系统，包括焊钳、焊接变压器、焊接控制器、伺服电机等。控制系统，包括PLC、主从站等。修磨机，包括固定式和翻转式修磨器等。夹具系统，包括各种夹具、阀岛、焊接拼台等。电气控制柜，主要包括MCP柜、PDP柜、WDP柜。？讁？訛通信系统，包括PC、HMI、通信板卡、通信缆线等。？輥？輮？訛气路系统，包括空压机、控制柜、气罐、气缸、管线等。？輥？輯？訛冷却循环水路系统，包括水泵、阀门、控制柜、管线等。？輥？輰？訛除生产线外，还包括车间抽排风、生产线钢结构、物流小车、叉车、货架、生产监控ANDON系统、围栏、安全门、光幕等外围支持设备。

焊接生产线结构比较复杂，设备种类非常多，涉及机械、电气、电子、通信、自动控制、工艺等多方面的技术、设备和参数，而整个生产线的关键技术是焊接控制系统、机器人系统和生产线控制系统，本文重点就这3个控制系统展开阐述。

2 焊接控制系统

2.1 焊接设备选型方案

对汽车行业而言，点焊工艺的可靠性和高精度至关重要。电阻焊的过程复杂，包含多种影响焊接质量的因素，如被焊材料、焊接电流、焊接时间、设备冷却、电极压力、电极材料、电极形状、工件表面状态等，其中最重要的影响因素为焊接电流、焊接压力和焊接时间。焊接压力受到气路系统的影响，而焊接电流和焊接时间可以通过焊接控制器控制。电阻焊的焊接系统目前主要分为单相交流阻焊机、中频逆变焊机、二级整流焊机、三相低频焊机4类，其中频逆变焊接是目前较为先进的电阻焊焊接技术[2]。中频逆变技术具有几大优点：一是负荷均衡，降低峰值电流，减少电网冲击，避免电网电压波动较大。二是次级电流输出能力强，波形平直，焊接时不会产生飞溅，焊点表面光滑不易变色，焊点强度高，焊接质量较高，对镀锌板和普通多层钢板的焊接，其焊接质量也远高于交流焊机。三是功率因素在0.9以上，相比普通的交流焊机节能，降低了无功电流损耗。四是焊接回路无阻抗，增大電极臂拓展空间并提高了电极的使用寿命。五是适用于多种材料的焊接，如铝金属等导热快、焊接性差的材料也能很好地焊接。基于以上优点，焊接生产线根据被焊零部件材料及焊接工艺要求，采用中频逆变焊技术，选择中频焊机设备，中频焊机设备主要包括中频控制器、焊接变压器和焊钳，附属设备包括冷却循环水系统、修磨器等。

2.2 中频焊接控制器选型

焊接系统控制的核心在于中频焊接控制器，焊接控制器选用MedWeld6000中频控制器，MedWeld6000输出方波频率可调范围为400～50 000 Hz，输出最大功率为260 kVA，空载功耗为70 VA，次级电流精度达±2%，电流上升时间<4 ms;控制器内可储存255个焊接程序及设置32个电流递增器，每个递增器有5个阶梯，编程方式比较简单，内置Ethernet/IP和DeviceNet接口，能满足生产设计要求[3]。MedWeld6000采用中频逆变技术，其基本工作原理是三相电源输入中频控制器后，三相交流电经桥式整流电路整流，再经电容滤波后成为电压约514 V的单相直流电，直流电传送到功率开关器件IGBT组成的逆变电路，转变成单相的PWM中频方波，中频方波从中频控制器中输出到焊接变压器，经变压器降压后形成稳定的方波电流，供给焊钳电极，对工件进行焊接。

3 焊接机器人系统

焊接机器人选型设计要考虑的因素如下：①自由度数，这是反映机器人灵活性的重要指标，对点焊生产线的工件焊点较多，因此机器人需要6个自由度。②负载，是指机器人末端能承受的额定负载，如焊钳、电缆和焊钳冷却水管等都是机器人负载范围。③作业空间，机器人参数的作业距离是指未装末端操作器的情况下的参数指标，而实际作业空间要考虑装上焊钳后能保证焊接时焊钳的姿态，以及生产线柔性化的规划，因而作业空间指标要留有一定冗余。④最大速度，机器人手腕末端的最大线速度是影响生产效率的重要指标，由于焊接过程中空行程的时间占比很高，因此速度选型决定生产节拍。⑤精度，焊接工艺要求机器人点对点的重复精度要达到焊钳电极直径的1/2以下，即1～2 mm。⑥可靠性，机器人发生故障会造成整个生产线的停滞，而机器人的维修时间通常较长，因此要在可靠性和价格之间进行平衡，一般情况下优先选择技术成熟可靠的机器人品牌。⑦兼容性，部分焊接机器人品牌如OTC性能很好，但焊接系统不开放，兼容性不强，外部设备一般不适配，而原厂配套设备的价格不便宜，后期升级改造成本较高。

经过综合考虑，焊接生产线最后选择“库卡”机器人。

4 生产线控制系统

4.1 控制系统总体方案设计

焊接生产线的特点是设备种类和数量较多，设备分布较远，通信距离较长，通信电缆易受干扰，因此选择合适的控制系統是保障生产控制和产品质量的重要因素。本焊接生产线控制系统设计时要考虑的因素如下：要控制的主要设备有14台机器人、14个焊接控制器，平均分布在左纵梁线和右纵梁线。要控制的各种气动元件，如夹具平台的阀岛等。要控制的其他设备电机，如修磨器的电机、焊枪的伺服电机等。要接收的信号，如夹具平台等各种设备上的传感器、位置开关、操作按钮及安全回路信号。监控系统。设备的距离：生产线长度约100 m。工艺过程和控制要求。电磁抗干扰性。

PLC在整个生产线中处于核心地位，负责协调机器人和夹具、机器人与焊接控制器，并对现场按钮与显示灯进行控制。PLC软件的模块化编程对系统稳定性起到了重要的作用，也极大地方便了对系统的调试和检测。PLC要控制14台机器人和14个焊接控制器，以及各种气缸、电机等大量的设备，设备之间分布不集中;PLC还要接收处理传感、安全、反馈等多种信号且生产现场环境通常比较差，而生产要求控制系统具备反应速度快、可靠性高及抗干扰性较强等能力。控制系统设计有两种控制方案：一是选择多个PLC分段控制，PLC之间通过通信协调控制动作;二是选择一个主PLC，通过分布式I/O方案，即增加I/O处理模块解决距离长带来的信号衰减及I/O数量较多的难题。本焊接生产线采用第二种方案即主从站控制方式，在每条线设一个主站，生产线中的每个工位设置一个通信从站。

4.2 控制系统结构

焊接生产线的系统控制采用4重结构，PC为第一层，PLC为第二层，从站通信模块、“库卡”机器人控制器、HMI、工控机或PC、ANDON系统等为第三层，第四层为梅达中频控制器和其他底层设备层，包括各类传感器、各类按钮开关、行程限位开关、安全开关、信号灯、气动元件的电磁阀、变频器、伺服电机等，不同层级采用不同的通信协议，其具体结构原理图如图1所示。

4.3 PLC的选型

在确定控制方案后，对PLC及I/O模块进行选型。

主站PLC选用“西门子”S7-150，中央处理器为CPU1515F-2 PN。S7-1500性能强大，位指令的处理时间最低至1 ns，浮点运算的指令处理时间最低至10 ns，背板总线的速度是S7-400PLC的40倍，每个CPU都配有一个PROFINET IO（2端口交换机）标准接口，CPU 1516-3PN/DP还具有一个集成PROFINET的基本接口。除集成接口外，每个SIMATIC S7-1500控制器还可通过通信模块或通信处理器进行扩展。S7-1500还无缝集成到TIA博途中，极大地提高了组态的效率[4]。

从站选用“西门子”ET200SP通信模块，接口模块为IM 155-6PNST。ET200SP是一种模块化、可扩展和通用的分布式I/O系统，可通过现场总线，将过程信号连接到中央控制器，支持Profinet IO和ProfibusDP通信标准，具有集成的组态控制功能。

5 控制系统通信

5.1 控制系统通信方案设计

焊接生产线设备种类复杂，体现在I/O通信上，设备之间的协议没有一个统一的协议。现场总线的协议很多，需要根据PLC支持通信类型、设备分布和数量选择通信方案[5]。PLCS7-1500不但支持多种以太网通信，还支持串口通信、OPC通信、Web访问等，为通信协议的选择提供了极大的灵活性。本控制系统的通信采取以下方案：S7-1500与ET200SP、库卡机器人控制柜、HMI、工控机、ANDON等设备的通信采用Profinet协议。库卡机器人与中频控制器之间的通信由于协议不同，所以需通过网关转换，即Profinet转Ethernet。网关到中频控制器的通信采用Ethernet协议。ET200SP与底层设备即传感器、阀岛、各类开关按钮、安全门信号等之间通信采用Profinet协议。S7-1500网络拓扑结构采用星型拓扑结构，通过交换机与各设备相连;每个ET200SP与同工位底层设备的I/O连接使用Profinet总线，采用总线拓扑结构。

5.2 控制系统通信设备选型

在通信方式确定后，根据主PLC的I/O数量，以及每个工位的I/O数量，可为S7-1500和ET200SP选配相应通信接口模块、安全模块：在主PLC上配置DI 16×24VDC/DQ输入模块，在每个ET200SP上配置2个F-DI 8×24VDC故障安全数字量输入模块、4个DI 8×24VDC数字量输入模块、2个DQ 8×24VDC/0.5ABA数字量输出模块和1个服务器模块。

6 结束语

此焊接生产线是柳州市职业技能公共实训中心与某汽车配件生产厂家合作开发，经过需求分析、系统规划、设备选型、控制系统及水电气路设计、PLC程序设计，再经过现场设备安装调试，以及2个月的试运行。在试运行期间，现场出现的问题得到逐项解决，各项指标满足设计要求，设备运行稳定，生产节拍在不断优化提升后也达到预期目标，试品质量符合工艺要求，整个生产线即将投入正式生产。

参 考 文 献

[1]韦红光.某汽车焊接线电气控制系统设计[D].郑州：郑州大学，2014.

[2]卢宝石.梅达焊接控制器的自动化控制分析[J].北京：工业技术，2013（19）：84.

[3]上海梅达公司.MedWeld6000中频控制器说明书[Z].2017.

[4]西门子中国公司.SIMATICS7-1500，ET200MP手册集[Z].2021.

[5]蔡冠军.基于PROFINET的汽车前后梁焊接控制系统设计[D].长春：长春理工大学，2017.