往復(fù)桿機(jī)構(gòu)在汽車制造應(yīng)用

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摘要：隨著汽車制造行業(yè)的快速發(fā)展，汽車白車身焊裝生產(chǎn)線向智能化、柔性化方向發(fā)展。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)是汽車白車身焊裝線輸送的關(guān)鍵設(shè)備，其自動(dòng)化程度決定著汽車焊接質(zhì)量和焊接效率。本文針對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的工作原理、輸送模式應(yīng)用進(jìn)行研究，利用PLC控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器提升往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度。采用往復(fù)桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)工件的自動(dòng)循環(huán)運(yùn)輸和柔性化生產(chǎn)，提升焊裝生產(chǎn)線的使用率，對(duì)焊裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)具有較好的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：往復(fù)桿機(jī)構(gòu)；PLC；焊裝生產(chǎn)線；白車身

0引言

隨著汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，智能化、模塊化、集成化、無(wú)人化制造模式逐步成為發(fā)展主流。汽車制造設(shè)備投入和工藝布局優(yōu)化，為汽車制造企業(yè)后期可持續(xù)發(fā)展、精益發(fā)展奠定基礎(chǔ)和搶占高端市場(chǎng)輸入強(qiáng)勁動(dòng)力。汽車白車身焊接工序是保障汽車品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊接自動(dòng)化、智能化水平是汽車制造企業(yè)自動(dòng)化水平的集中體現(xiàn)。白車身焊接工藝流程復(fù)雜，需要模塊化的焊接線對(duì)焊接工件進(jìn)行輸送，不同線體之間按照工序步驟進(jìn)行交互式的組合，才能完成白車身焊接組裝工序。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)是用于汽車白車身焊裝線零部件運(yùn)輸?shù)某Ｓ迷O(shè)備，往復(fù)桿結(jié)構(gòu)與各類工裝夾具組成焊裝生產(chǎn)線。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)具有機(jī)械化程度高、傳輸同步性好、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，相比高速輥床臺(tái)車系統(tǒng)和空中小車輸送具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、柔性生產(chǎn)較好的特點(diǎn)。本文通過對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的工作原理、往復(fù)桿汽車焊裝線的應(yīng)用及特點(diǎn)進(jìn)行論述，對(duì)白車身焊裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)有一定的實(shí)踐意義和指導(dǎo)意義。

1往復(fù)桿機(jī)構(gòu)工作原理

往復(fù)桿機(jī)構(gòu)主要由定位機(jī)構(gòu)、氣缸動(dòng)力裝置、伺服電機(jī)、垂直升降機(jī)構(gòu)、水平移動(dòng)裝置、PLC控制系統(tǒng)及限位機(jī)構(gòu)等相關(guān)附件組成[1-2]。PLC控制系統(tǒng)是焊裝生產(chǎn)線的控制核心，主要用于焊裝生產(chǎn)線工序流程、往復(fù)桿機(jī)構(gòu)設(shè)備輸送、焊接設(shè)備、輔助設(shè)備的邏輯控制和協(xié)調(diào)控制，采用PROFINET協(xié)議完成各控制站間的信息共享。定位裝置用于零件定位；垂直升降機(jī)構(gòu)以氣缸為動(dòng)力裝置，采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式，在氣缸的作用下，推動(dòng)水平齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪將力和運(yùn)動(dòng)方向傳遞給垂直齒條實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)的升降。水平運(yùn)動(dòng)裝置由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過電機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)往復(fù)軌道水平移動(dòng)方向和速度。限位機(jī)構(gòu)由行程開關(guān)和PLC進(jìn)行控制，當(dāng)焊裝線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)碰撞到形成開關(guān)，觸發(fā)形程開關(guān)信號(hào)后，信號(hào)傳輸給PLC控制器，控制器終止動(dòng)力源并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如圖1所示，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)焊裝線上白車身的運(yùn)輸。白車身在焊裝線工位完成相應(yīng)的焊接動(dòng)作后，PLC控制氣路系統(tǒng)及氣缸驅(qū)動(dòng)垂直升降機(jī)構(gòu)將零件總成升起，待所有工位完成升起任務(wù)后觸發(fā)感應(yīng)開關(guān)；PLC接收信號(hào)并判斷所有工位是否完成，若工位完成則PLC控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行水平移動(dòng)，進(jìn)入下個(gè)工位。通過伺服器驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位，具有較好的穩(wěn)定性和精確性。另外，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)相比滑橇輸送和臺(tái)車輸送是利用伺服器控制伺服電機(jī)編碼器進(jìn)行往復(fù)精確定位，可節(jié)約大量定位傳感器和光電開關(guān)，具有零部件在焊裝線工位傳輸?shù)囊恢滦浴?/p>

2往復(fù)桿機(jī)構(gòu)輸送模式的應(yīng)用

往復(fù)桿機(jī)構(gòu)輸送模式主要應(yīng)用于焊裝線零件總成的定位和傳輸[3-4]。如圖2HMI往復(fù)桿伺服控制界面所示，往復(fù)桿伺服控制可在HMI界面設(shè)定移動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)速度，PLC控制器接收焊裝線現(xiàn)場(chǎng)伺服電機(jī)編碼器信號(hào)，PLC對(duì)HMI界面設(shè)定值和現(xiàn)場(chǎng)反饋信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)值運(yùn)算對(duì)伺服器進(jìn)行閉環(huán)控制輸出，以實(shí)現(xiàn)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的位置和速度的精確控制。PLC控制器將控制量傳輸給伺服電機(jī)，對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，主要包括啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)、點(diǎn)動(dòng)后退、故障復(fù)位、參數(shù)組選擇、保持控制、停車等功能；伺服系統(tǒng)將傳感器、開關(guān)信號(hào)等狀態(tài)量傳遞給PLC控制器，實(shí)現(xiàn)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，主要包括電機(jī)狀態(tài)、IPOS參考點(diǎn)、目標(biāo)位情況、CW限位開關(guān)、CCW限位開關(guān)、伺服器狀態(tài)、電機(jī)故障等信號(hào)。通過HMI界面可以查看現(xiàn)場(chǎng)往復(fù)桿是否超程，限位距離可在上位機(jī)畫面進(jìn)行設(shè)定，往復(fù)桿伺服界面人機(jī)優(yōu)化、監(jiān)控便捷。通過HMI界面可對(duì)往復(fù)桿運(yùn)動(dòng)步序進(jìn)行查看，便于獲取白車身焊裝線實(shí)際生產(chǎn)工序位置。首先對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行初始化，包括：各個(gè)工位的往復(fù)桿進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，下一步循環(huán)停止、到達(dá)上件位置等；然后對(duì)本次焊裝生產(chǎn)的車型進(jìn)行判別和輸入。PLC控制往復(fù)桿機(jī)構(gòu)按照相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)步驟進(jìn)行進(jìn)行、后退、下降、升起等動(dòng)作，在執(zhí)行動(dòng)作過程中檢測(cè)工位是否有工件、是否有動(dòng)作請(qǐng)求和夾具步驟等。以50往復(fù)桿下降控制為例，當(dāng)PLC檢測(cè)到50往復(fù)桿下降請(qǐng)求后，控制相應(yīng)氣缸進(jìn)行50往復(fù)桿動(dòng)作，當(dāng)檢測(cè)到下降限位信號(hào)后，PLC可判斷50往復(fù)桿下降完成，同時(shí)輸出50工位往復(fù)桿狀態(tài)信號(hào)（HMI界面顯示綠色），同時(shí)滿足各工位信號(hào)不存在報(bào)錯(cuò)、故障、急停等信息的確認(rèn)。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作設(shè)定有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式2種。在手動(dòng)模式下，滿足動(dòng)作按鈕和工位號(hào)一致，焊裝傳送線的緊鎖氣缸加緊到位，伺服處于原位狀態(tài)，若垂直升降裝置機(jī)構(gòu)下降到位信號(hào)無(wú)法檢測(cè)，則需在下降允許條件是否滿足，然后手動(dòng)操作往復(fù)桿進(jìn)行下降。在自動(dòng)模式下，傳感器檢測(cè)是否處于伺服原位，加緊氣缸打開、焊接裝置處于原位，然后PLC控制往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行下降動(dòng)作。

3白車身焊裝線往復(fù)桿機(jī)構(gòu)PLC程序

為提高白車身焊裝生產(chǎn)線PLC控制程序開發(fā)效率，提高控制程序的可靠性和后期調(diào)試、維護(hù)、修改的便捷性。PLC控制程序采用模塊化思想進(jìn)行開發(fā)，按照控制結(jié)構(gòu)對(duì)程序功能進(jìn)行劃分模塊，以減少程序開發(fā)工作量。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)作為焊裝線獨(dú)立的工件輸送設(shè)備，所以單獨(dú)程序模塊編寫往復(fù)桿機(jī)構(gòu)PLC程序。焊裝線往復(fù)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作有上升、降落、前進(jìn)和后退四種，故需設(shè)置四種動(dòng)作到位狀態(tài)量，同時(shí)為保證往復(fù)桿傳輸精度和夾具定位重復(fù)精度，需控制夾緊機(jī)構(gòu)在往復(fù)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成后進(jìn)行夾緊，防止出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。在焊裝輸送線的兩端設(shè)計(jì)有緩沖裝置，減少往復(fù)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作慣性和設(shè)備沖擊。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)垂直升降有3個(gè)氣缸提供動(dòng)力，水平前進(jìn)、后退由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)精確定位和精確控速，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)控制I/O點(diǎn)如表1所示。

4往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

通4過往復(fù)桿在汽車白車身焊裝線的應(yīng)情況分析，可得往復(fù)桿機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①重復(fù)定位精度高。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的水平移動(dòng)裝置的電機(jī)采用SEW伺服驅(qū)動(dòng)器控制，伺服編碼器能夠精確控制往復(fù)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)定位置和移動(dòng)速度，并且形成閉環(huán)控制，通過檢測(cè)信號(hào)和設(shè)定信息對(duì)比在線調(diào)節(jié)控制精度，具有較好的重復(fù)定位精度，滿足汽車白車身焊裝工藝控制要求。②傳送速度快。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)相比空中小車輸送，明顯能夠?qū)⑤斔托侍嵘?0%，節(jié)約了焊裝生產(chǎn)線白車身焊裝時(shí)間[5]。③柔性化生產(chǎn)程度高。相比空中小車的輸送，車型托塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過調(diào)整托塊的長(zhǎng)度和位置即可實(shí)現(xiàn)多種車型的焊裝輸送需求，能夠提升焊裝生產(chǎn)線的使用效率。④自動(dòng)化程度高。往復(fù)桿機(jī)構(gòu)由PLC控制，可工序步驟和工藝要求進(jìn)行PLC程序編寫，實(shí)現(xiàn)各工位同步輸送和全自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行，且輸送運(yùn)行平穩(wěn)、工件碰撞風(fēng)險(xiǎn)小。

5分析與討論

汽車制造工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下，提升汽車生產(chǎn)線智能化、自動(dòng)化水平成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。汽車白車身焊裝線高自動(dòng)化水平有利于提升汽車制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文對(duì)白車身焊裝線往復(fù)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，分別對(duì)往復(fù)桿機(jī)構(gòu)工作原理、往復(fù)桿機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用和PLC程序控制進(jìn)行應(yīng)用研究，往復(fù)桿機(jī)構(gòu)能夠具有重復(fù)定位精度高、柔性化生產(chǎn)好、設(shè)計(jì)成本低、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，能夠提升汽車白車身生產(chǎn)效率和保障汽車生產(chǎn)品質(zhì)。

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作者:冀安 曹德嚴(yán) 單位:山西吉利汽車部件有限公司