往復(fù)桿機構(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)桿機構(gòu)是汽車白車身焊裝線輸送的關(guān)鍵設(shè)備，其自動化程度決定著汽車焊接質(zhì)量和焊接效率。本文針對往復(fù)桿機構(gòu)的工作原理、輸送模式應(yīng)用進行研究，利用PLC控制器和伺服驅(qū)動器提升往復(fù)桿機構(gòu)的重復(fù)定位精度、運行穩(wěn)定性和自動化程度。采用往復(fù)桿機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)工件的自動循環(huán)運輸和柔性化生產(chǎn)，提升焊裝生產(chǎn)線的使用率，對焊裝生產(chǎn)線的設(shè)計具有較好的實踐意義。

關(guān)鍵詞：往復(fù)桿機構(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)和搶占高端市場輸入強勁動力。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)，焊接自動化、智能化水平是汽車制造企業(yè)自動化水平的集中體現(xiàn)。白車身焊接工藝流程復(fù)雜，需要模塊化的焊接線對焊接工件進行輸送，不同線體之間按照工序步驟進行交互式的組合，才能完成白車身焊接組裝工序。往復(fù)桿機構(gòu)是用于汽車白車身焊裝線零部件運輸?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)桿機構(gòu)具有機械化程度高、傳輸同步性好、定位精度高的優(yōu)點，相比高速輥床臺車系統(tǒng)和空中小車輸送具有設(shè)計簡單、成本低、柔性生產(chǎn)較好的特點。本文通過對往復(fù)桿機構(gòu)的工作原理、往復(fù)桿汽車焊裝線的應(yīng)用及特點進行論述，對白車身焊裝生產(chǎn)線設(shè)計有一定的實踐意義和指導意義。

1往復(fù)桿機構(gòu)工作原理

往復(fù)桿機構(gòu)主要由定位機構(gòu)、氣缸動力裝置、伺服電機、垂直升降機構(gòu)、水平移動裝置、PLC控制系統(tǒng)及限位機構(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；垂直升降機構(gòu)以氣缸為動力裝置，采用氣壓驅(qū)動方式，在氣缸的作用下，推動水平齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪將力和運動方向傳遞給垂直齒條實現(xiàn)輸送系統(tǒng)的升降。水平運動裝置由伺服電機提供動力，通過電機轉(zhuǎn)向和電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)往復(fù)軌道水平移動方向和速度。限位機構(gòu)由行程開關(guān)和PLC進行控制，當焊裝線機構(gòu)運動碰撞到形成開關(guān)，觸發(fā)形程開關(guān)信號后，信號傳輸給PLC控制器，控制器終止動力源并發(fā)出報警信號。如圖1所示，往復(fù)桿機構(gòu)主要實現(xiàn)焊裝線上白車身的運輸。白車身在焊裝線工位完成相應(yīng)的焊接動作后，PLC控制氣路系統(tǒng)及氣缸驅(qū)動垂直升降機構(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接收信號并判斷所有工位是否完成，若工位完成則PLC控制伺服電機轉(zhuǎn)動進行水平移動，進入下個工位。通過伺服器驅(qū)動器控制伺服電機對往復(fù)桿機構(gòu)進行精確定位，具有較好的穩(wěn)定性和精確性。另外，往復(fù)桿機構(gòu)相比滑橇輸送和臺車輸送是利用伺服器控制伺服電機編碼器進行往復(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)桿機構(gòu)輸送模式的應(yīng)用

往復(fù)桿機構(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)定移動位置和運動速度，PLC控制器接收焊裝線現(xiàn)場伺服電機編碼器信號，PLC對HMI界面設(shè)定值和現(xiàn)場反饋信號進行邏輯運算和數(shù)值運算對伺服器進行閉環(huán)控制輸出，以實現(xiàn)往復(fù)桿機構(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，對往復(fù)桿機構(gòu)進行控制，主要包括啟動、點動前進、點動后退、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)信號等狀態(tài)量傳遞給PLC控制器，實現(xiàn)往復(fù)桿機構(gòu)運動狀態(tài)的遠程監(jiān)控，主要包括電機狀態(tài)、IPOS參考點、目標位情況、CW限位開關(guān)、CCW限位開關(guān)、伺服器狀態(tài)、電機故障等信號。通過HMI界面可以查看現(xiàn)場往復(fù)桿是否超程，限位距離可在上位機畫面進行設(shè)定，往復(fù)桿伺服界面人機優(yōu)化、監(jiān)控便捷。通過HMI界面可對往復(fù)桿運動步序進行查看，便于獲取白車身焊裝線實際生產(chǎn)工序位置。首先對往復(fù)桿機構(gòu)進行初始化，包括：各個工位的往復(fù)桿進行自動復(fù)位，下一步循環(huán)停止、到達上件位置等；然后對本次焊裝生產(chǎn)的車型進行判別和輸入。PLC控制往復(fù)桿機構(gòu)按照相應(yīng)的運動步驟進行進行、后退、下降、升起等動作，在執(zhí)行動作過程中檢測工位是否有工件、是否有動作請求和夾具步驟等。以50往復(fù)桿下降控制為例，當PLC檢測到50往復(fù)桿下降請求后，控制相應(yīng)氣缸進行50往復(fù)桿動作，當檢測到下降限位信號后，PLC可判斷50往復(fù)桿下降完成，同時輸出50工位往復(fù)桿狀態(tài)信號（HMI界面顯示綠色），同時滿足各工位信號不存在報錯、故障、急停等信息的確認。往復(fù)桿機構(gòu)動作設(shè)定有手動模式和自動模式2種。在手動模式下，滿足動作按鈕和工位號一致，焊裝傳送線的緊鎖氣缸加緊到位，伺服處于原位狀態(tài)，若垂直升降裝置機構(gòu)下降到位信號無法檢測，則需在下降允許條件是否滿足，然后手動操作往復(fù)桿進行下降。在自動模式下，傳感器檢測是否處于伺服原位，加緊氣缸打開、焊接裝置處于原位，然后PLC控制往復(fù)桿機構(gòu)進行下降動作。

3白車身焊裝線往復(fù)桿機構(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、修改的便捷性。PLC控制程序采用模塊化思想進行開發(fā)，按照控制結(jié)構(gòu)對程序功能進行劃分模塊，以減少程序開發(fā)工作量。往復(fù)桿機構(gòu)作為焊裝線獨立的工件輸送設(shè)備，所以單獨程序模塊編寫往復(fù)桿機構(gòu)PLC程序。焊裝線往復(fù)桿機構(gòu)動作有上升、降落、前進和后退四種，故需設(shè)置四種動作到位狀態(tài)量，同時為保證往復(fù)桿傳輸精度和夾具定位重復(fù)精度，需控制夾緊機構(gòu)在往復(fù)桿機構(gòu)動作完成后進行夾緊，防止出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。在焊裝輸送線的兩端設(shè)計有緩沖裝置，減少往復(fù)桿機構(gòu)動作慣性和設(shè)備沖擊。往復(fù)桿機構(gòu)垂直升降有3個氣缸提供動力，水平前進、后退由伺服電機提供動力，可實現(xiàn)精確定位和精確控速，往復(fù)桿機構(gòu)控制I/O點如表1所示。

4往復(fù)桿機構(gòu)的特點

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)桿機構(gòu)具有以下優(yōu)點：①重復(fù)定位精度高。往復(fù)桿機構(gòu)的水平移動裝置的電機采用SEW伺服驅(qū)動器控制，伺服編碼器能夠精確控制往復(fù)桿機構(gòu)的設(shè)定位置和移動速度，并且形成閉環(huán)控制，通過檢測信號和設(shè)定信息對比在線調(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，車型托塊機構(gòu)簡單，可通過調(diào)整托塊的長度和位置即可實現(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自動化程度高。往復(fù)桿機構(gòu)由PLC控制，可工序步驟和工藝要求進行PLC程序編寫，實現(xiàn)各工位同步輸送和全自動循環(huán)運行，且輸送運行平穩(wěn)、工件碰撞風險小。

5分析與討論

汽車制造工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(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、自動化水平成為行業(yè)發(fā)展趨勢。汽車白車身焊裝線高自動化水平有利于提升汽車制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文對白車身焊裝線往復(fù)桿機構(gòu)進行研究，分別對往復(fù)桿機構(gòu)工作原理、往復(fù)桿機構(gòu)實際應(yīng)用和PLC程序控制進行應(yīng)用研究，往復(fù)桿機構(gòu)能夠具有重復(fù)定位精度高、柔性化生產(chǎn)好、設(shè)計成本低、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢，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 單位:山西吉利汽車部件有限公司