自动化焊接生产线在奇瑞A3车型中的应用实例———自动化焊接生产

1．前言
        A3车型是奇瑞公司的战略转型车型，为打造五星安全品质，对该车型提出更加苛刻的质量要求。焊装车身的制造水平提高依赖于先进的焊接设备，公司引进柯马公司的自动化生产线，完成车身下部和车身总成的焊接任务，以符合更高的焊接质量要求。
  第一部分  A3自动化生产线设计纲领
  第二部分  电气控制系统
  第三部分  点焊机器人系统
  第四部分  其他系统
  4.1    滚床系统
  4.2    OPENGATE
  4.3    机械化输送悬链和BUFFER
  4.4    车型识别和生产管理系统
  4.5    激光检测系统
  4.6    安全系统
  第一部分A3自动化生产线设计纲领
         主要负责A3三厢和A3两厢两种车型白车身总成的生产，下部线和主焊线是混线自动化生产线，年产能约为20万辆。
        车身下部线完成发动机仓、前地板、后地板等总成零件的拼装焊接工作，适应车身下部高强度的焊接要求。主要由27台机器人完成焊接工作、零件抓取，整条线还包括自动化输送悬链，零件缓存器。
         主焊线主要是完成车身下部、侧围、顶盖、包裹架等总成的拼装焊接工作。由滚床、OPENGATE、和31台机器人组成。
        主焊线OP130工位为在线激光检测系统，由4台机器人带动激光检测系统，对车身尺寸关键点进行在线检测。
   第二部分 电气控制系统
         A3自动化生产线共有两个部分组成,分为车身下部线和主焊线,有5条空中输送线,工艺流程为发动机仓、前地板、后地板分别由3条输送线输送至车身下部线，车身下部经空中输送至主焊线，然后通过空中输送线输送至调整线。
        整条生产线有车型识别系统一套，辊床一套、涂胶设备8套、COMAU机器人62台，采用SICK的安全保护设备，采用带有安全集成功能的CPU 416F-2的西门子PLC。控制部分的采用工业以太网和PROFIBUS（现场总线）连接，见图控制部分示意图。
  
控制部分示意图
        现场总线PROFIBUS,是用了7层模型的1、2层，精简的结构保证了数据的高速传输。主要应用于现场分散的I/O设备。PROFIBUS-DP网络由以下几部分组成（如图2）：1主控器（PLC）;2现场I/O模块（ET200S），用于连接各种I/O设备；3其他智能装置，如变频器，触摸屏等；4.网络附件（交换机等）。它能够直接完成设备的顺序、连锁、闭环控制，完成过程参数的采集以及报警功能。
        PLC下面的从站模块通过两条PROFIBUS支路进行硬件配置分别有1.MPI网络的网络模块配置2.DP网络的模块配置。PLC与PLC之间的通讯通过DP/DP COUPLER完成。PLC与PLC之间的通讯通过DP/DP COUPLER完成
        两条自动化生产线和5条空中输送线由CPU 416－2DP、CPU 315－2DP的13台西门子PLC控制。PLC可向系统提供分析设备运行状态和发生故障点的信息。每条生产采用1台西门子人机界面PC870进行控制，通过自身的MPI接口与PLC连接，内部安装西门子组态监控软件WINCC。整条生产线采用两种总线模式，PLC与机器人间及PLC与I/O设备之间采用PROFIBUS现场总线进行通讯。PLC与PLC间的通讯全部采用西门子生产的CP443-1交换机进行通讯和数据交换。
         机器人和人机界面采用PROFIBUS通讯协议，开关、电磁阀、按钮、指示灯、I/O从站等全部采用现场总线，区域内PLC间的通讯通过DP/DP Coupler进行信号交换，区域间的PLC通过工业以太网进行通讯。这种总线的组合方式，节约了大量的接线工作，同时实现对整个系统的控制，过程状态显示、故障报警信息的显示，使得整个系统操作简便、维护方便、可靠性高。
          西门子的人机界面HMI为整条生产线的运行与维修提供了强大的保证。在机器人界面上通过组态软件进行动态调试、人机界面按操作菜单分为工位平面布置图见图2、各设备状态图见图3等。人机界面能够显示线内的设备分布状态、并用不同的颜色显示设备的不同状态、如运行、停止、故障等信息。子菜单内可显示PLC与I/O的状态图3，显示变频器（）、机器人的故障信息见图4。当有故障时能自动弹出报警信息，并对报警信息进行记录进行归档统计，保留历史故障记录ZAOCHE168.com，为日后维修与点检设备时提供参考依据。
  
设备平面布置图
  
设备状态
  
网络通讯监控
  
设备故障信息
         所有的操作界面使用西门子公司的HMI，避免了传统的面板接线复杂、劳动强度大、观察、维修不方便的弊病。在该生产线中成功地应用了西门子公司的SIMATIC产品的技术，其中Profibus场总线和工业以太网技术在该系统中起到关键作用。
  第三部分 点焊机器人系统
         在汽车焊接工艺中，点焊占整车焊焊接的很大一部分，奇瑞A3自动化生产线焊接系统主要由点焊机器人系统系统组成。点焊机器人系统包括机器人本体、机器人控制器、点焊控制器、自动电极修磨机、自动工具交换装置、气动点焊钳、水气供应的水气控制盘等。
         A3点焊机器人系统全部采用COMAU工业机器人及相关设备。这些点焊机器人通过控制系统可以进行A3两厢车型和三箱车型的自动识别和切换。
  
焊接机器人系统
         焊接机器人是典型的机电一体化高科技产品，功能强大、操作简便。点焊机器人系统的控制方式是：由机器人控制柜通过通信网络同生产线PLC西门子控制柜构成机器人焊接生产系统。机器人系统内的点焊控制器、自动电极修磨机、自动工具交换装置、水气控制盘等装置由机器人控制。机器人系统根据上位PLC的车型信号输入来调用对应的机器人焊接程序进行车身装配焊接。
  3.1中频焊接技术的应用
         为了使A3获得更加优异的碰撞性能，在A3的车身结构中，大量的采用高强度钢板，同时纵梁等关键结构采用激光拼焊钢板，传统的工频焊接技术无法使得在焊接高强度钢板时获得最好的剪切强度和抗疲劳强度。为了克服工频焊接技术的弊病，在车身下部线采用中频焊接。在A3线中采用BOSCH中频焊接控制器和NIMAK的中频焊钳。
         中频焊接技术使得机器人焊接的优异性能进一步提升,中频焊接得优点主要有，相对工频焊接为直流焊接，变压器小型化、提高电流控制的响应速度，实现工频控制无法实现的焊接工艺，能够对三相电网平衡，中频焊接的功率因数高，节能效果好。
  3.2涂胶系统的应用
         涂胶系统主要涂车身骨架的点焊密封胶和隔震胶。自动胶枪由机器人携带，具有涂胶轨迹一致性高、胶用量控制准确、涂抹后的胶条形状统一等优点。涂胶系统为A3车型获得更加优异的降噪性能提供了很大帮助。
         供胶系统采用GRACO 公司高粘度供应系统。包括:55加仑压盘一个和5加仑压盘一个、气动柱塞泵、升降器。流体由泵输出，泵出口装有双过滤装置对胶进行过滤。再经过高压软管连接到GRACO P-FLO LT。
         供料泵采用双泵自动切换方式，设备具有自动切换及空桶报警功能：一泵处于工作状态，一泵处于待命状态。当工作泵胶桶中的胶用完后，系统发出报警，自动切换装置自动将工作泵切换至另一待命的泵，此时待命的泵成为工作泵。供胶泵具有双泵切换功能，在换桶时不影响自动涂胶系统的正常工作，有效的提高了生产线的工作效率。
        流量控制采用美国GRACO P-FLO LT精密流量控制器，包括：控制箱，电缆，流体盘，气动隔膜调压，流量计等。
         GRACO P-FLO LT流量控制的工作原理为机器人提供速度的模拟量信号，控制板控制气动隔膜调压即时调整胶的压力，并通过流量计和压力计提供实时精确流量和压力即时修正，形成一个闭环控制，从而实现精确定量控制要求。枪的出胶量随机器人速度的变化而变化。
  3.3自动电极修磨机的应用
         在主焊线上，为了实现生产装配的自动化，提高生产线节拍，分别为每一台点焊机器人配备了自动电极修磨机，实现电极头工作面氧化磨损后的修锉过程自动完成。同时也避免了人员频繁进入生产线带来的安全隐患。电极修磨机由机器人的内置PLC控制，示教专门的电极修锉程序来完成电极修锉。同时根据修锉量的多少来对焊钳的工作行程进行补偿。
         使用焊接机器人的优点：不仅使生产效率提高了，而且使焊接生产过程变得规范化，使产品质量得到稳定和提高。
  第四部分 其他系统
  4.1滚床系统
          A3自动化生产线整条线使用滑撬输送，输送时间为18秒。其输送路线为：升降段输送空滑撬到UB10#--滚床输送--UB110#--升降段输送--MB10#--滚床输送--MB150#--升降段输送。下图为西部线滚床滑撬系统。
  
图1. 下部线滚床滑撬系统
        滚床系统结构如图2所示，其工作原理为：控制信号发出，传输电机接收信号，开始工作，滑撬通过摩擦滚轮进入工位，感应器感应，输送电机停止，升降电机接收到控制信号，开始启动，升降摆臂单元驱动，滚床开始升降，下降定位后，焊接机器人进行焊接，焊接完成后，控制信号发出，升降电机运行，滚床上升输送电机运转，滚床上升到位，运输电机气动，滑撬运行并进入下一工位。
  
图2. 滚床结构
  4.2 OPENGATE
          M11/2主焊线设计生产节拍为100秒，可进行M11、M12两车型的任意混流，并考虑第三车型的预留。其中MB30# & MB40# & MB50# 主拼工位占用了三个工位，形式为COMAU公司标准的OPENGATE，具有柔性高，阶段投资，改造方便等诸多优点。其自身的结构特点较四面体翻转也有可采用侧围预装、两侧施焊空间大等优点。
  
图1. 主线OPENGATE
        OPENGATE即主拼夹具，COMAU公司OPENGAT是以夹具体为基础，采用门形式，结合传感器SOOQ.cn版权所有，利用PLC进行控制。OPENGATE和焊接机器人系统通过总控制系统进行配合工作，最终实现车身的定位、夹紧和焊接。
        OPENGATE由夹具本体，气路系统，感应控制系统组成。A3主线OPENGATE本体，采用门形式，底座采用直线导轨，通过推力电机进行定向（Y向）移动。X向预装直线导轨，可以进行车型切换，这样有利于进行阶段性投资和改进。气路系统采用集中供气，由执行元件（气缸）、控制元件（气阀）和辅助元件组成。感应控制系统由电磁传感器、PLC（可编程控制器）和计算机控制系统组成，可以实现夹具的信息采集和自动化控制。
         OPENGATE工作过程。主线白车身预拼后进入OPENGATE，OPENGATE本体进行闭合，闭合过程中进行侧围和底盘的定位，使白车身预拼位置符合设计要求；定位后电磁感应系统进行工作，检查定位是否准确，如果无误，夹紧机构进行动作，将车身夹紧；如果有误，报警系统进行报警， OPENGATE进入暂停状态，同时控制系统显示出现问题的地方和原因，待问题解决后系统继续进行工作。夹紧后感应装置进行夹紧状态检查，如果出现问题，则系统暂停并报警，如果夹紧状态正常，焊接机器人开始工作，进行焊接，焊接完成后，OPENGATE夹紧机构打开，门式夹具体打开，白车身进入下一道工序，OPENGATE等待下一辆白车身进入。
          OPENGATE的特点。COMAU公司OPENGATE侧围合拼采用预装形式进行预装配，侧围合拼焊接工位，采用侧滑形式进行侧围的夹具切换，M11和M12侧围部分的夹具采用共用设计。夹具中定位销、基座、非加工件采用标准化和系列化的部件，水平面上定位孔与定位孔之间的公差为±0.02mm，粗糙度为1.6um，所有的定位孔与基准面的公差为±0.05mm，粗糙度为1.6um。夹具定位销和定位块的安装需采用“调整垫片式”的结构，定位销调整垫片厚度为5mm。此外，设计中预留三坐标测量的位置和加工面，在复测时不需要拆卸夹具和滚床等其他设备。
          目前A3车型已经基本实现公司的“2mm工程”，COMAU公司OPENGATE为“2mm”工程提供了很大的保障，它为奇瑞A3的五星品质奠定了坚实的基础。
  4.3机械化输送悬链与BUFFER
         机械化输送悬链的主要是用于大总成零件的自动输送，主要是发动机仓、前地板总成、后地板总成的输送。
         其中后地板的吊具是两种车型共用。采用先进先出的方式进行零件的排序。如果零件与机器人抓取的过程不一样可以进行零件的放行，当零件被机器人抓取后，空吊具沿返回道返回。同时要求具有强制返回功能，当发现问题时，零件不被抓取强行返回。
  机械化悬链零件的放置和取下都是由机器人完成。
          BUFFER主要是用于小零件的缓存。人工将零件摆放到BUFFER上，零件在BUFFER上是被可靠定位的。机器人在抓取零件时对零件的装配的位置进行识别，如零件的装配位置不正确机器人不进行零件的抓取，并报警。人工装配完成后按确认进行放行。装配员工需要根据生产计划进行零件的排序。每个BUFFER上装有显示屏，对零件的数量进行倒计数。装配者根据生产计划进行零件的装配。对一些情况，如将镀锌件装配成非镀锌板机器人是无法识别的。
  4.4车型识别和生产管理系统
         自动化生产线将自动化控制系统,制造业执行系统(Manufacture Execute System,MES)集成在一起形成生产线的管理系统。在前期，生产计划输入工控机计算机中，通过工控软件推算出个人工上件点的上件点的生产计划。通过以太网传给PLC。后期对系统进行改造，自动化线能够及直接接受MES系统的生产计划。
        M11和M12采用拉动式生产的方式进行，生产线接收MES系统的生产计划。每个工位都有基于MOBY-Ⅰ形式的车型识别系统，车型识别系统载体安装在每个滑橇上。每个工位将根据车型识别系统识别的信息自动进行焊接程序和焊接参数的切换。
         在发动机舱总成工位是计划安排的起点。在总成工位粘贴条形码，确定车型信息。发仓被放置在转运平台上时，扫描设备扫描VIN码信息传送给PLC控制柜。控制柜根据接收的生产计划确定机器人是否进行零件抓取，信息无误时给机器人传送信号，机器人执行零件抓取。同时，将VIN码信息传递给下一个工位。
         主焊线第一个机器人设置VIN码扫描点,并将信息写到雪橇载体上，并将生产信息传送给下个工位,第二个工位根据信息提前判断功能,提前做好夹具、焊接参数、焊接程序的切换准备工作。当雪橇到达第二个工位时，设备读取雪橇上的车型信息，并将从雪橇上读取的信息同第一个工位传递的信息进行核对，核对正确的情况下，执行程序。以此类推。
         整条生产线有9台抓件机器人，上件机器人具有两种车型的识别能力，能根据生产计划选择相应车型的零件，一旦零件错误或缺少零件，该机器人停止工作并且报警，同时每个BUFFER上具备车型识别系统。
  4.5在线激光检测系统
        主线130为机器人激光检测工位，由四台机器人携带激光检测传感器组成，用来保证汽车精度而设立的，对M11.M12车身的252测量特性进行检测。
          Perceptron测量系统通过机器人上的激光传感器采集车身实际尺寸，系统通过中转器把数据传输到数据控制站进行分析和标准数据进行对照比较，尺寸出现超出工艺范围，数据站立即发给PLC控制的生产线故障和报警信号，停止生产线，防止不合格车身流到下道工序。
  
激光检测系统
  
激光检测系统原理
  4.6安全系统
  硬件配置：CPU 416F-2的西门子PLC, 光栅、急停按钮、安全门、区域扫描仪等。
         安全集成的输入输出信号作为过程的接口，可以直接连接单通道和双通道的输入输出信号，例如急停按钮和光栅。安全集成信号作为冗余信号内部连接在一起。采用故障安全的分布式输入输出系统使系统的安全工程配置被PROFIBUS-DP部件替代，包括急停开关设备的替换，保护门监视装置，双手操作等等。
         在程序块中对工位的各种安全设备如急停、安全门、光栅进行逻辑控制，替代了传统的安全继电器控制方式；在程序中对各安全设备的逻辑处理主要通过三个程序模块实现：光栅屏蔽数据功能模块，急停屏蔽数据功能块、安全门屏蔽数据功能块。
  集成在标准自动化系统的安全集成工程的优点主要有：
  1．具有安全集成功能的自动化系统比机械电器解决方案更灵活
  2．基于可编程控制器的安全系统相对与传统的硬接线系统大大降低了接线成本
  3．集成功能由于采用标准工程工具进行系统的编程配置因而可以减少工程用时
  4．成故障安全功能的CPU不仅可以处理与安全相关的控制，同时可以参与到标准的自动化任务当中
  5．故障安全程序和标准程序可以在统一的平台上共享数据和通讯
  小结
         A3自动化线是COMAU为奇瑞公司打造的一条现代化生产线。为实现自动化生产，提供各种自动化设备，并进行有机集成，使用现场总线于PLC进行连接，PLC与PLC之间通过工业以太网进行连接，为生产线的使用、维护提供诸多方便。同时人机界面大大的提高了生产线的可控性，为维修提供了便利条件。
          COMAU公司的OPENGATE技术为实现车身的“2mm工程”奠定了基础，恰到好处的使用中频焊接技术为提升车身性能起到关键点作用，各种辅助自动化设备极大地提高整条线的自动化率。
        作为奇瑞“十年磨一砺”的主打、战略车型A3，经历过开创性的“十万公里连续不间断公开测试”、“突破性的通过C-NCAP五星安全测试”，连续被评为“自主品牌汽车”。这些良好的综合性能，尤其是安全性，与奇瑞打造精品车身是分不开的。A3的优秀品质，是对设计、规划、工艺、制造等投入大量人力、物力和先进技术换来的。COMAU公司设计制造的自动化线为A3车身卓越的品质的提升起到关键的作用。A3自动化线是自主品牌汽车向国际标准看齐的产物，A3车型品质的飞跃得益于自动化线的应用，使得车身焊接装备的探索又迈向更高一层。