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四川成焊寶瑪焊接裝備工程有限公司 朱品朝

德國倍福自動化有限公司 陳冬

隨著汽車行業(yè)競爭趨于白熱化，如何加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，使新車型既美觀，價格又合理，成為生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點。品質(zhì)決定成敗，一條高效、穩(wěn)定、可靠的自動化生產(chǎn)線成為各大汽車廠家共同追求的目標。倍福（Beckhoff）作為一家專注于自動化新技術(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(yīng)用于汽車行業(yè)，為自動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門為汽車工業(yè)及其它工業(yè)部門提供焊接成套設(shè)備開發(fā)、設(shè)計、制造的高科技企業(yè)。主要產(chǎn)品包括為汽車白車身自動裝焊生產(chǎn)線、焊接夾具、焊接機器人系統(tǒng)、焊接專用成套設(shè)備、焊接傳輸裝置等。

汽車是經(jīng)過沖壓、焊裝、涂裝、總裝四個主要工藝過程生產(chǎn)出來的，任何改變車身結(jié)構(gòu)或外形的產(chǎn)品換型都會導(dǎo)致原有焊裝線有所改變。因此焊裝線成為車型升級換代的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而其中尤為重要和難于控制的是自動工裝夾具切換環(huán)節(jié)。寶瑪公司在東風(fēng)汽車生產(chǎn)線上放棄了傳統(tǒng)的系統(tǒng)方案而采用了倍福基于PC的整套解決方案，同時為四種車型提供工裝夾具，從而實現(xiàn)同一條產(chǎn)線生產(chǎn)多種車型的柔性制造能力。

BECKHOFF Automation優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計

倍福為自動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，屬于焊裝車間的核心工藝段，其中涉及了倍福系統(tǒng)的多項核心技術(shù)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2所示系統(tǒng)主要涉及工裝夾具的X、Y、Z方向的高速、高精度移動，通過這三個方向的運行實現(xiàn)工裝夾具的柔性切換，切換完成后由夾具夾緊車體，最后通過機械手實現(xiàn)精確焊接。用戶希望將切換節(jié)拍控制在8s以內(nèi)，由于系統(tǒng)負載相對較大有3~4噸，因此其動態(tài)響應(yīng)性能成為控制的關(guān)鍵點。另外由于現(xiàn)場布線復(fù)雜、空間有限，如何選擇合適的現(xiàn)場I/O也相當重要。還有如何實現(xiàn)系統(tǒng)的高穩(wěn)定、可靠性也是系統(tǒng)設(shè)計的一大要素。綜合以上情況，用戶在系統(tǒng)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(xiàn)場端子模塊來構(gòu)建整個硬件平臺，其中每塊網(wǎng)卡都形成EtherCAT環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中一路用于I/O控制——專處理外部I/O，實現(xiàn)各種邏輯連鎖及輔助控制；另一路用于運動控制——實現(xiàn)工裝夾具的高效傳動。這樣的冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)讓控制系統(tǒng)的硬件可靠性提升了一倍。傳動系統(tǒng)也采用了倍福高性能的AX5000系列、EtherCAT網(wǎng)絡(luò)伺服驅(qū)動器及高動態(tài)響應(yīng)的AM8000及AM3000系列伺服電機。

為了滿足對大負載的精確高效控制，C6920-0030中裝載了倍福的TwinCAT NC PTP實時運動控制軟件, 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。同時借助于EtherCAT的分布式時鐘技術(shù)（Distributed Clocks）實現(xiàn)了各伺服軸間的精確指令，同步消除了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r。運行過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態(tài)精度及消除了超調(diào)（如圖3所示），尤其在Z軸垂直升降運動中工裝夾具與支撐托架總重量超過了5噸，系統(tǒng)需要出約3500N·m的力矩并且運動過程還需要“懸停”，這對系統(tǒng)提出了又一重大考驗。在應(yīng)用了AX5000伺服系統(tǒng)“懸停”功能后（如圖4所示）我們可以看出：在整個過程中無論是帶載上行還是下行都無“溜車”現(xiàn)象。

高度統(tǒng)一的軟硬件、強大的控制功能、開發(fā)簡易和易維護等特點為寶瑪公司順利完成本項目提供了堅實的基礎(chǔ)。

圖3 動態(tài)性能

圖4 懸停曲線

用戶反饋

東風(fēng)的這條產(chǎn)線已于2017年5月份投產(chǎn)使用，從整體運行效果來說完全滿足廠家設(shè)計需求。據(jù)寶瑪公司的項目負責(zé)人反饋：“精度很高很高效，大大超出了我們的預(yù)期，我相信倍福系統(tǒng)優(yōu)越的控制性能、完美的解決方案一定會為汽車行業(yè)的發(fā)展帶來更多的驚喜，這將是我們良好合作的開始。”

圖5 東風(fēng)汽車柔性焊裝線

精彩問答

德國倍福自動化有限公司華西南區(qū)技術(shù)主管 陳冬

自動化博覽：倍福在汽車行業(yè)提供的主要產(chǎn)品有哪幾類？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(qū)動器——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(yīng)用在焊裝工藝段，助力用戶實現(xiàn)不同車型的夾具自動切換。

自動化博覽：倍福在汽車行業(yè)的主要特點和優(yōu)勢是什么？

陳冬：倍福在汽車行業(yè)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

（1）高性能：C6920-0030作為核心控制器使整個系統(tǒng)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現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路可靠性提升一倍；

（3）豐富的外部接口：通過Ethernet/IP總線接口實現(xiàn)與AB系統(tǒng)的靈活通訊；

（4）高系統(tǒng)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，從而實現(xiàn)工裝夾具的高速柔性切換為生產(chǎn)贏得時間提升了生產(chǎn)效率；

（5）極間的系統(tǒng)維護：通過對主控制器硬盤的備份使難度很高的系統(tǒng)維護變?yōu)楹唵蔚牟考鼡Q型維護，大大降低了維護成本，縮短了維護時間。

自動化博覽：您認為自動化技術(shù)在中國的汽車行業(yè)中應(yīng)用現(xiàn)狀如何？還存在哪些問題？

陳冬：自動化在汽車制造行業(yè)中應(yīng)用越來越廣，使企業(yè)的生產(chǎn)效率在逐步提升，產(chǎn)能逐步擴大，滿足了目前國民對汽車日益增長的需求，但同時隨著消費者對汽車品質(zhì)的要求越來越高也導(dǎo)致了企業(yè)對更高性能的自動化設(shè)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(yīng)用于汽車行業(yè)，實現(xiàn)從生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)到后期設(shè)備升級維護環(huán)節(jié)全方位的降本增效是企業(yè)目前尤為關(guān)注的。

自動化博覽：近幾年，柔性生產(chǎn)在汽車行業(yè)表現(xiàn)較為突出，您如何看待客戶的柔性生產(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)線實現(xiàn)多品種、大小批量的自由切換的生產(chǎn)方式，這也是構(gòu)成未來智慧工廠的重要環(huán)節(jié)。就目前汽車行業(yè)而言，如何由一條柔性生產(chǎn)線生產(chǎn)出更多型號、規(guī)格、品牌的汽車是各車企共同追求的目標，可以說這是“剛需”。

倍福將依托統(tǒng)一的軟硬件控制平臺讓柔性生產(chǎn)變得越來越簡單，成本越來越低，并且倍福更多地面向IoT、大數(shù)據(jù)、云平臺等技術(shù)的舉措也將推動倍福的產(chǎn)品不僅能很好地服務(wù)汽車行業(yè)，同時也能為《中國制造2025》戰(zhàn)略服務(wù)并實現(xiàn)多贏。

摘自《自動化博覽》2017年6月刊