四川成焊寶瑪焊接裝備工程有限公司 朱品朝

德國倍福自動(dòng)化有限公司 陳冬

隨著(zhù)汽車(chē)行業(yè)競爭趨于白熱化，如何加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，使新車(chē)型既美觀(guān)，價(jià)格又合理，成為生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。品質(zhì)決定成敗，一條高效、穩定、可靠的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)成為各大汽車(chē)廠(chǎng)家共同追求的目標。倍福（Beckhoff）作為一家專(zhuān)注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，將基于PC控制技術(shù)的產(chǎn)品和解決方案成功應用于汽車(chē)行業(yè)，為自動(dòng)工裝夾具切換提供了良好的軟、硬件平臺。

圖1 焊裝工位

項目介紹

四川成焊寶瑪焊接裝備工程有限公司是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)工業(yè)及其它工業(yè)部門(mén)提供焊接成套設備開(kāi)發(fā)、設計、制造的高科技企業(yè)。主要產(chǎn)品包括為汽車(chē)白車(chē)身自動(dòng)裝焊生產(chǎn)線(xiàn)、焊接夾具、焊接機器人系統、焊接專(zhuān)用成套設備、焊接傳輸裝置等。

汽車(chē)是經(jīng)過(guò)沖壓、焊裝、涂裝、總裝四個(gè)主要工藝過(guò)程生產(chǎn)出來(lái)的，任何改變車(chē)身結構或外形的產(chǎn)品換型都會(huì )導致原有焊裝線(xiàn)有所改變。因此焊裝線(xiàn)成為車(chē)型升級換代的關(guān)鍵環(huán)節，而其中尤為重要和難于控制的是自動(dòng)工裝夾具切換環(huán)節。寶瑪公司在東風(fēng)汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上放棄了傳統的系統方案而采用了倍?；赑C的整套解決方案，同時(shí)為四種車(chē)型提供工裝夾具，從而實(shí)現同一條產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)多種車(chē)型的柔性制造能力。

BECKHOFF Automation優(yōu)化系統設計

倍福為自動(dòng)工裝夾具切換提供了良好的軟、硬件平臺。該工藝主要涉及四種不同工裝夾具的取出、平移、升降、固定、緩存及焊接控制，屬于焊裝車(chē)間的核心工藝段，其中涉及了倍福系統的多項核心技術(shù)。

圖2 系統結構

圖2所示系統主要涉及工裝夾具的X、Y、Z方向的高速、高精度移動(dòng)，通過(guò)這三個(gè)方向的運行實(shí)現工裝夾具的柔性切換，切換完成后由夾具夾緊車(chē)體，最后通過(guò)機械手實(shí)現精確焊接。用戶(hù)希望將切換節拍控制在8s以?xún)?，由于系統負載相對較大有3~4噸，因此其動(dòng)態(tài)響應性能成為控制的關(guān)鍵點(diǎn)。另外由于現場(chǎng)布線(xiàn)復雜、空間有限，如何選擇合適的現場(chǎng)I/O也相當重要。還有如何實(shí)現系統的高穩定、可靠性也是系統設計的一大要素。綜合以上情況，用戶(hù)在系統硬件上選用了倍福Intel Core i5, 2 Cores的高性能C6920-0030作為核心控制器，同時(shí)擴展兩塊FC9022 EtherCAT網(wǎng)口，并選用緊湊外形、高防護等級IP67的EP系列現場(chǎng)端子模塊來(lái)構建整個(gè)硬件平臺，其中每塊網(wǎng)卡都形成EtherCAT環(huán)網(wǎng)結構，其中一路用于I/O控制——專(zhuān)處理外部I/O，實(shí)現各種邏輯連鎖及輔助控制；另一路用于運動(dòng)控制——實(shí)現工裝夾具的高效傳動(dòng)。這樣的冗余環(huán)網(wǎng)結構讓控制系統的硬件可靠性提升了一倍。傳動(dòng)系統也采用了倍福高性能的AX5000系列、EtherCAT網(wǎng)絡(luò )伺服驅動(dòng)器及高動(dòng)態(tài)響應的AM8000及AM3000系列伺服電機。

為了滿(mǎn)足對大負載的精確高效控制，C6920-0030中裝載了倍福的TwinCAT NC PTP實(shí)時(shí)運動(dòng)控制軟件, 其位置算法周期可以低至500μs,是一套功能完善的經(jīng)典位置閉環(huán)算法。同時(shí)借助于EtherCAT的分布式時(shí)鐘技術(shù)（Distributed Clocks）實(shí)現了各伺服軸間的精確指令，同步消除了網(wǎng)絡(luò )傳輸的延時(shí)。運行過(guò)程中及最終定位的控制性能上采用TwinCAT NC PTP中的PID+速度+加速度前饋控制方式，很好地保證了速度動(dòng)態(tài)精度及消除了超調（如圖3所示），尤其在Z軸垂直升降運動(dòng)中工裝夾具與支撐托架總重量超過(guò)了5噸，系統需要出約3500N·m的力矩并且運動(dòng)過(guò)程還需要“懸?！?，這對系統提出了又一重大考驗。在應用了AX5000伺服系統“懸?！惫δ芎螅ㄈ鐖D4所示）我們可以看出：在整個(gè)過(guò)程中無(wú)論是帶載上行還是下行都無(wú)“溜車(chē)”現象。

高度統一的軟硬件、強大的控制功能、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易和易維護等特點(diǎn)為寶瑪公司順利完成本項目提供了堅實(shí)的基礎。

圖3 動(dòng)態(tài)性能

圖4 懸停曲線(xiàn)

用戶(hù)反饋

東風(fēng)的這條產(chǎn)線(xiàn)已于2017年5月份投產(chǎn)使用，從整體運行效果來(lái)說(shuō)完全滿(mǎn)足廠(chǎng)家設計需求。據寶瑪公司的項目負責人反饋：“精度很高很高效，大大超出了我們的預期，我相信倍福系統優(yōu)越的控制性能、完美的解決方案一定會(huì )為汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更多的驚喜，這將是我們良好合作的開(kāi)始?！?/p>

圖5 東風(fēng)汽車(chē)柔性焊裝線(xiàn)

精彩問(wèn)答

德國倍福自動(dòng)化有限公司華西南區技術(shù)主管 陳冬

自動(dòng)化博覽：倍福在汽車(chē)行業(yè)提供的主要產(chǎn)品有哪幾類(lèi)？主要用在哪部分工藝上？

陳冬：倍福所涉及到的產(chǎn)品包括：控制面板——CP2215；主控制器IPC——C6920；伺服驅動(dòng)器——AX5125、AX5118、AX5172；伺服電機——AM8071，AM8072，AM3084；I/O模塊——EP9224-0023、EP1809-0022、EP2038-0002、EP1122-0001、EP9224-0023。主要應用在焊裝工藝段，助力用戶(hù)實(shí)現不同車(chē)型的夾具自動(dòng)切換。

自動(dòng)化博覽：倍福在汽車(chē)行業(yè)的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢是什么？

陳冬：倍福在汽車(chē)行業(yè)的優(yōu)勢主要體現在：

（1）高性能：C6920-0030作為核心控制器使整個(gè)系統運算控制變得游刃有余；

（2）EtherCAT冗余環(huán)網(wǎng)：在幾乎不增加硬件成本的情況下實(shí)現系統網(wǎng)絡(luò )冗余，將系統數據鏈路可靠性提升一倍；

（3）豐富的外部接口：通過(guò)Ethernet/IP總線(xiàn)接口實(shí)現與AB系統的靈活通訊；

（4）高系統精度：采用TwinCAT NC PTP中的PID+速度+加速度前饋控制方式很好地保證了工裝夾具的X、Y、Z方向的高速、高精度移動(dòng)，從而實(shí)現工裝夾具的高速柔性切換為生產(chǎn)贏(yíng)得時(shí)間提升了生產(chǎn)效率；

（5）極間的系統維護：通過(guò)對主控制器硬盤(pán)的備份使難度很高的系統維護變?yōu)楹?jiǎn)單的部件更換型維護，大大降低了維護成本，縮短了維護時(shí)間。

自動(dòng)化博覽：您認為自動(dòng)化技術(shù)在中國的汽車(chē)行業(yè)中應用現狀如何？還存在哪些問(wèn)題？

陳冬：自動(dòng)化在汽車(chē)制造行業(yè)中應用越來(lái)越廣，使企業(yè)的生產(chǎn)效率在逐步提升，產(chǎn)能逐步擴大，滿(mǎn)足了目前國民對汽車(chē)日益增長(cháng)的需求，但同時(shí)隨著(zhù)消費者對汽車(chē)品質(zhì)的要求越來(lái)越高也導致了企業(yè)對更高性能的自動(dòng)化設備的需求。因此如何將PLC技術(shù)、變頻器技術(shù)、伺服技術(shù)、機器人技術(shù)更好地應用于汽車(chē)行業(yè)，實(shí)現從生產(chǎn)制造環(huán)節到后期設備升級維護環(huán)節全方位的降本增效是企業(yè)目前尤為關(guān)注的。

自動(dòng)化博覽：近幾年，柔性生產(chǎn)在汽車(chē)行業(yè)表現較為突出，您如何看待客戶(hù)的柔性生產(chǎn)需求？倍福在此方面有何舉措？

陳冬：所謂柔性生產(chǎn)是指同一條生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現多品種、大小批量的自由切換的生產(chǎn)方式，這也是構成未來(lái)智慧工廠(chǎng)的重要環(huán)節。就目前汽車(chē)行業(yè)而言，如何由一條柔性生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)出更多型號、規格、品牌的汽車(chē)是各車(chē)企共同追求的目標，可以說(shuō)這是“剛需”。

倍福將依托統一的軟硬件控制平臺讓柔性生產(chǎn)變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，成本越來(lái)越低，并且倍福更多地面向IoT、大數據、云平臺等技術(shù)的舉措也將推動(dòng)倍福的產(chǎn)品不僅能很好地服務(wù)汽車(chē)行業(yè)，同時(shí)也能為《中國制造2025》戰略服務(wù)并實(shí)現多贏(yíng)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年6月刊