李 陽，李 占，王成龍，孫陽陽，顧偉康

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引言

特種車輛的生產過程主要包括車身焊接、噴涂及部件裝配。其中，車身焊接工作量最大，工作環(huán)境最為惡劣。傳統(tǒng)的車身焊接工藝工序完全由人工完成，存在生產效率低、勞動強度大、返修率高等問題，無法滿足特種車輛的巨大市場需求。

鑒于此，針對某公司特種車輛車身側板的焊接改造需求，設計了一種車身側板焊接工作站，主要由焊接機器人系統(tǒng)及行走機構、變位機、工裝夾具、線激光及快換機構、煙塵凈化系統(tǒng)、清槍剪絲裝置、懸臂吊、控制系統(tǒng)、工位一體機、遮弧光安全圍欄及安全門等組成，綜合運用全數(shù)字化自動控制技術、線激光尋位技術等，實現(xiàn)兩種車身側板的自動焊接功能。采用線激光尋位技術，在一定程度上降低了焊接機器人對工件加工及組對的精度要求，省去了人工示教環(huán)節(jié)；采用組合工裝夾具，簡化了焊接工序的流轉，降低了工人工作強度，解放勞動力。

1 側板焊接工作站組成及工作流程

圖1給出了側板焊接工作站的平面布置示意圖，主要包括1套雙XYZ六軸天軌行走機構、2套焊接機器人系統(tǒng)、2套線激光跟蹤系統(tǒng)、2臺焊接翻轉變位機、1臺懸臂吊、2套煙塵凈化系統(tǒng)、2套清槍剪絲裝置、系統(tǒng)控制柜、工位一體機、掃碼槍、遮弧光安全圍欄及安全門等。

圖1 側板焊接工作站的平面布置示意圖

其中，工位1負責車身左側板焊接，工位2負責車身右側板焊接。雙XYZ六軸天軌行走機構提高了焊接機器人的工作高度，支撐焊接機器人本體，并同翻轉變位機一起拓展了焊接機器人的工作范圍。線激光跟蹤系統(tǒng)由激光控制器和激光頭組成，通過對焊接工件特征的識別，實現(xiàn)焊接過程中工件焊縫的尋位及跟蹤。煙塵凈化系統(tǒng)用于工作站焊接工作時的焊接煙塵清除工作。清槍剪絲裝置負責焊槍內部焊渣清理、防飛濺液噴灑以及焊絲定長剪斷。懸臂吊用于輔助人工實現(xiàn)車身側板的吊裝及轉運工作。工位一體機作為車身側板工藝圖紙資料存儲與顯示的載體，也可以作為車間信息化升級后的信息終端。

工作站的工作流程如下：

(1)工作站控制系統(tǒng)接收上位機下發(fā)的生產計劃信息(包括車型和加工數(shù)量)，并在觸摸屏上進行顯示；

(2)人工按照工作站觸摸屏提示，在工位1工作臺上安裝正確的夾具和工件，如用到多套夾具時，需在觸摸屏上依次進行選擇確認；

(3)人工手持無線掃碼槍進行夾具掃碼識別，工作站的控制系統(tǒng)自動判斷夾具與下發(fā)信息是否一致；

(4)若安裝夾具與下發(fā)信息不一致，則工作站進行聲光報警，提示人工重復步驟(2)(3)，并將此次報警信息上傳至上位機；

(5)若安裝夾具與下發(fā)信息一致，控制系統(tǒng)也滿足其他啟動條件，則人工按下雙手啟動按鈕，啟動焊接機器人進行工位1焊接作業(yè)；人工對工位2進行上料作業(yè)；

(6)焊接過程中，人工打開安全門時，焊接機器人立即停止；安全門關閉后，且確認工作站內部無人，按下安全復位按鈕，再按下再啟動按鈕后，焊接機器人方可繼續(xù)工作；

(7)工位1焊接完成后，兩臺焊接機器人運行至安全位置或工位2進行焊接作業(yè)；人工打開安全門，進行工位1的下料、上料工作；

(8)雙工位輪流進行焊接作業(yè)，直至完成上位機下發(fā)的生產任務。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 電氣設計

工作站PLC通過工業(yè)以太網與上位機進行通訊，上傳工作站的狀態(tài)信息及生產數(shù)據(jù)，通過profinet現(xiàn)場總線實現(xiàn)和焊接機器人之間的數(shù)據(jù)交換及信號交互，通過RS232串行通訊讀取掃碼槍獲得的數(shù)據(jù)，通過I/O通訊方式實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的聯(lián)動控制[1]。焊接機器人通過工業(yè)以太網與線激光跟蹤系統(tǒng)進行通訊，通過Devicenet總線與焊接電源進行通訊?？刂葡到y(tǒng)預留工業(yè)以太網接口，方便實現(xiàn)與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)全廠數(shù)字化車間。

PLC選用西門子CPU 1214C，其擴展模塊包括2個DI16×24 VDC直流輸入模塊、2個DQ16×24 VDC/0.5 A直流輸出模塊和1個RS 232通訊模塊。觸摸屏選用10寸PROFACE觸摸屏，掃碼槍選用霍尼韋爾1902GSR串口手持無線掃碼槍。

圖2 側板焊接工作站控制系統(tǒng)框圖

2.2 軟件設計

側板焊接工作站控制系統(tǒng)的PLC程序采用模塊化結構[2]進行設計，如圖3所示。PLC運行時，首先調用初始化程序OB100，完成系統(tǒng)初始化操作[3]。系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行主程序OB1，依次調用各功能模塊，實現(xiàn)工作站的自動運行，以及與上位機、掃碼槍、焊接機器人等的數(shù)據(jù)交換及信號交互。圖4給出了掃碼槍模塊工作流程圖。

圖3 側板焊接工作站軟件結構圖

圖4 掃碼槍模塊工作流程圖

圖5 焊接機器人R1工作流程圖

工作站工位1、工位2分別對應GI1和GI2，焊接機器人R1/R2通過判斷GI1、GI2的值進而調用不同的焊接程序。圖5給出了各子程序中焊接機器人R1的工作流程圖。

表1 焊接程序調用

2.3 觸摸屏設計

圖6給出了側板焊接工作站的觸摸屏設計界面。主界面主要顯示焊接機器人R1/R2的當前狀態(tài)及R1/R2之間Y軸實時位置距離、掃碼槍讀取的最新數(shù)據(jù)、當前生產車型、工作模式以及數(shù)量在線統(tǒng)計等。手動操作界面可以完成相應的報警消除、機器人Y軸點動以及風扇照明等輔助設備的開關操作。掃碼槍界面可以實時地顯示當前的掃碼數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)，利于查找錯誤進行對比。工裝數(shù)據(jù)設置界面主要完成工裝型號判斷，判斷結果作為工作站自動運行的一個前提條件(如圖7所示)，掃描以及確認工裝型號、焊接區(qū)域步驟如下：

(1)點擊①框內區(qū)域1的下拉鍵，選擇工件有無或工序數(shù)，點擊“運行”按鍵，程序自動將①框內的選項賦值到②框內的相應位置；

(2)點擊③框內的下拉鍵，選擇區(qū)域1，點擊“運行”按鍵，使用掃碼槍掃描區(qū)域1工裝上的二維碼，掃描結果自動賦值到⑥框內的相應位置；

(3)點擊“開始校核”按鍵，核對成功則④框顏色變?yōu)榱了{色；核對不成功則⑤框顏色變?yōu)榱良t色，同時工位1變位機上紅色聲光報警燈發(fā)出“滴滴”報警聲，此時需檢查⑥框內的掃描結果和②框內的工裝型號是否匹配，整改成功并確認完畢后，點擊“復位錯誤結果”按鍵消除聲光報警輸出，再次點擊“開始校核”按鍵，直到④框顏色變?yōu)榱了{色。

圖6 觸摸屏界面

圖7 工作站自動運行條件

2.4 安全設計

側板焊接工作站的安全防護措施除了天軌立柱黃色保護罩、天軌各軸限位開關、安全提示標語、遮弧光安全圍欄及安全門(鎖)外，還設有安全光柵、單機急停按鈕、聯(lián)機急停按鈕、控制柜急停按鈕、急停復位按鈕、雙手啟動按鈕、觸摸屏“工位無人確認”按鍵(如圖6(b)所示)。天軌各軸限位開關、安全門鎖信號、安全光柵信號接至PLC，一旦被觸發(fā)后，焊接機器人將暫停工作；多路急停按鈕信號串接后通過安全繼電器接至焊接機器人的急?；芈?，一旦急停按鈕被按下，焊接機器人立即停止；急停復位按鈕、雙手啟動按鈕、觸摸屏“工位無人確認”按鍵功能為工作站自動運行的前提條件，多重防護確保工作站安全可靠運行。

3 工作站實現(xiàn)

按照工作站的布局規(guī)劃，最終實現(xiàn)的側板焊接工作站實物圖如圖8所示。3個月的試生產結果表明，該工作站運行穩(wěn)定、安全可靠，定位精度高，工藝一致性好，機器人焊接占比高達94.5%，焊縫不良品比率低至0.1%，單班產能提高67%。

圖8 側板焊接工作站實物圖

4 結語

該文設計的車身側板焊接工作站，以西門子PLC為控制核心，綜合運用全數(shù)字化自動控制技術、線激光尋位技術等，實現(xiàn)了兩種車身側板的自動焊接，解決了企業(yè)所面臨的側板焊接工作環(huán)境差、技工缺乏、生產效率低下等難題，節(jié)省了大量的人力成本。該工作站在特種車輛制造企業(yè)的投入使用，將促進特種車輛制造的自動化、智能化，具有廣闊的市場應用前景。