一种用于汽车白车身焊接的高精度辊床设计研究*

2014-07-24孙英培李永聪孟宪乐关玉明

机械研究与应用 2014年4期

关键词：高精度工位车身

董豪，孙英培，李永聪，孟宪乐，关玉明

(1.天津福臻工业装备有限公司，天津 300350； 2.河北工业大学机械工程学院，天津 300130)

一种用于汽车白车身焊接的高精度辊床设计研究*

董豪1，孙英培2，李永聪2，孟宪乐2，关玉明2

(1.天津福臻工业装备有限公司，天津 300350； 2.河北工业大学机械工程学院，天津 300130)

当今汽车制造业向着高精、多品种、多元化的方向发展，在汽车白车身的焊接过程中，为了实现焊接工艺的完整性，提高焊接的精度和效率，需要多组高速高精度辊床来与焊接机器人高效配合。介绍了一种高速高精度的辊床结构以及其控制系统，使用三菱PLC作为其主控制器实现辊床的控制工艺。该辊床装备具有高精度，速度快，稳定性强，可靠性高，运行方便等优点。对我国汽车制造业向着高水平的方向发展具有重要的指导意义。

高速；高精度；辊床；研究应用

Abstract: Automobile manufacture-industry is focusing on the high precision, varieties and diversified development recently. The welding process needs efficient worked multiple sets of roller bed to make the integrity of the welding technology and the improvement of welding efficiency realized. In this paper, a kind of high speed and accurate roller bed structure and its control system are introduced, which employs Mitsubishi PLC as major controller to make control process of rolling bed come true. This roller bed equipment has the advantages of higher precision, higher speed, higher stability, reliability and convenient operation, which is significant to the high-level development of motor industry in China.

Key words: high speed; high precision; roller bed; control study

0 引言

随着我国汽车生产规模的不断扩大，汽车工业在国民生产中占有越来越重要的地位，我国的汽车装备制造业正在朝着柔性、高效、高精、智能的主流方向发展。为了适应市场竞争全球化，顾客和市场需求多样化、个性化发展，汽车业由传统的单品种、大批量生产方式向多品种、中小批量及“变种变量”的生产方式过渡，以生产者为主导的生产方式逐步向以消费者为主导的生产方式转变，因此开发和推广能够大幅降低投资成本，提高生产效率的柔性生产方案显得尤为重要[1]。对于大批量自动化汽车生产线，在汽车白车身焊接过程中，往往采用大量的机器人和自动化设备来实现整个生产线的自动化运行。为了提高效率，保证生产线的连续运行，提出一种高速高精度辊床的结构，多组这样的辊床能够实现高效高精度地与焊接机器人完成汽车白车身的焊接工艺。

1 系统硬件设计方案

高速高精度辊床的基本结构如图1所示。示意图如图2所示。

图1 高速高精度辊床的基本机构图

在结构设计当中，其中升降辊床25个，普通辊床2个。升降：电机减速机SEW型K87DRS132M4/BE11/HF/TF/ABB8-2，i=49.16，P=7.5 kW。制动电压380V(变频调速)丹佛斯变频器型号：FC-302P5K5T5E66H2BGC1XXSXXXXALBXC4XXXDX。行走：电机减速机：SEW型号：K47DRS100M4/BE5/HF/TF/ABB8-X，i=9.1，P=3 kW。制动电压380V(变频调速)丹佛斯变频器型号：FC-302P11KT5E66H2BGC1XXSXXXXALBXC4XXXDX。行程开关2个，接近开关共11个，(其中2个普通辊床只有接近开关7个)。两位三通电磁阀(常通)，以上电器即减速机，制动电阻，变频器和感应开关均按照功能匹配购买。

节拍:行走5.5 m，节距5.5 s；行走6 m，节距6 s。升降：上升2.8 s；下降2.8 s。所以总过程：5.5 m，节距11.1 s；6 m，节距11.6 s。其速度时间图如图3所示。

图2 高速高精度辊床图3 高速高精度辊床的节的示意图拍速度时间图

2 工作过程

辊床等待工作状态(即待机位)：辊床处于高位上升占位开关CX7a，定位低位开关CX8有信号。如果本工位上部无滑撬即停止开关CX2、减速开关CX3和占位开关CX4均无信号，则上一工位行走电机启动时，本工位行走M1电机同时启动；

如果本工位上部有滑撬即停止开关CX2、减速开关CX3和占位开关CX4均有信号，则本工位滑撬开始行走后(本工位占位信号CX4消失并且本工位前安全开关CX1有信号后，上一工位行走电机启动滑撬可以进入。

滑撬开进本工位后，碰到减速开关CX3有信号后,行走电机M1开始减速，同时电磁阀HFX1得电换向，气缸迅速伸出。碰到停止开关CX2，行走电机M1停止。

滑撬行走到位时，停止开关CX2、减速开关CX3、占位开关CX4和定位高位开关CX9均有信号(此处可能增加有车无车信号，无车不下降)，此时升降电机M2可以下降，下降时碰到下降占位开关CX6a不停止，一直降到下降停止开关CX6b有信号，升降电机M2停止。等待焊接完成信号(外部信号)，得到焊接完成信号后，升降电机M2启动，同时定位气缸缩回，辊床升起碰到上升占位开关CX7a不停止，一直到碰到上升停止开关CX7b辊床停止升降并且做50ms防颤处理。下一个工位满足待机条件，则本工位行走电机启动，滑撬行走。重新满足待机条件，进行下一次循环。第一个辊床升起后满足待机条件(即本工位没有滑撬或本工位滑撬已经行走至前保护开关)需要给对方信号后，升降机上滑撬方可开进。最后一个辊床，等待焊接完成后升起，需对方升降机给可前进信号后方可输送。

连锁条件：维修开关CX10a、b串联用常闭点，任何一个无信号时做断电保护，即全线电机不可开动。滑撬行走时，经过前后保护开关时，不报警。滑撬停止时前后保护开关起作用。

3 控制系统

核心控制器的选择：本研究内容涉及到模拟量的输入和输出问题，所以需要选择具有通信功能的PLC[2]。这里选择具有强大扩展性功效的三菱FX3U-48MR/ES-A可编程控制器，其带有模拟量输入、输出适配器、24路数字输入量以及24路数字输出量。这里选择与PLC配套的FX3U-4AD-ADP (4通道模拟量输入)模块，其模拟量参数的输入范围：电压输入范围：DC 0V～10V；电流输入范围：DC 4mA～20mA。PLC I/O分配表见表1所列。

表1 PLC I/O分配表

滤波器的选择：选择应用上海安州电子EMI滤波器AN-3A2DW。因为PLC起到非常重要的控制作用，所以在现场环境非常恶略的环境下，需要给PLC提供可靠安全的电源。单相交流电源滤波器对于差模和共模的干扰，具有非常好的抑制作用。

应用三菱PLC对高速高精度辊床进行程序的编制，其工艺框图如图4。

图4 高速高精度辊床的控制工艺框图

4 运行相关要求[3-4]

(1) 往复升降。

(2) 上升到位后必须做50ms延迟防颤处理，下降到位可以不做。

(3) 上升、下降占位信号不负责停止，上升、下降停止信号不负责占位，停止信号发出后即不再起作用，安全防护：升降占位信号失效：升降停止有信号后无占位信号则报警；升降停止信号失效：升降占位信号有后过0.2 s后消失，报警。

(4) 维修开关CX10a、b串联用常闭点，电常通。

(5) 下降时定位装置高位开关CX9有信号。

(6) 上升时定位装置气缸同时下降。

(7) 行走所有辊床基本同时运行(满足条件时)。

(8) 本工位辊床可以前进的条件：①下一个工位辊床已经前进，其占位开关信号CX4变无且前安全开关CX1有信号；②下一工位无滑撬即下一工位停止开关CX2、减速开关CX3和占位开关CX4均无信号，同时启动两个工位行走电机M1。

(9) 定位装置，定位低位开关CX8有信号为初始点，辊床行走时，滑撬到达减速开关，气缸上升-被滑撬压下-到位气缸上升，定位高位开关CX9有信号

时表明行走已经到位，且已经停止。

(10) 占位，停止、减速、定位高位都有信号表明滑撬行走到位，行走到位不做防颤处理也不延时。

(11) 行走安全：①滑撬行走到位时，前后安全开关如果有信号则报警；②占位开关如果失效，停止、减速、定位高位开关有信号，前后安全开关无信号，则报警；③如果减速开关失效，无减速信号直接有停止信号，紧急制动，此时占位、定位高位、减速和后安全开关都无信号，前安全开关有信号则报警；④如果停止开关失效减速、定位高位和占位开关有信号，前后安全开关无信号，则报警；⑤前安全开关如果失效，占位失去信号0.2 s后前安全开关仍无信号，则报警；⑥如果后安全开关失效：上一工位前安全开关有信号1s后此工位后安全开关仍无信号，则报警。

升降变频器设置：变频器40 Hz运行；启动时间0.1 s；停止做50 ms防颤处理；速度：电机转速1 160 r/min。

行走变频器设置：启动0.75 s，a=2 m/s，S=500 mm；停止1.2 s，a=1.2 m/s，S=700 mm；速度：电机转速1 400 r/min，线速度：1.45 m/s。