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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

隨著汽車行業競爭趨于白熱化，如何加快產品的更新換代，使新車型既美觀，價格又合理，成為生產企業關注的重點。品質決定成敗，一條高效、穩定、可靠的自動化生產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的德資企業，將基于PC控制技術的產品和解決方案成功應用于汽車行業，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及其它工業部門提供焊接成套設備開發、設計、制造的高科技企業。主要產品包括為汽車白車身自動裝焊生產線、焊接夾具、焊接機器人系統、焊接專用成套設備、焊接傳輸裝置等。

汽車是經過沖壓、焊裝、涂裝、總裝四個主要工藝過程生產出來的，任何改變車身結構或外形的產品換型都會導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鍵環節，而其中尤為重要和難于控制的是自動工裝夾具切換環節。寶瑪公司在東風汽車生產線上放棄了傳統的系統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，從而實現同一條產線生產多種車型的柔性制造能力。

BECKHOFF Automation優化系統設計

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的多項核心技術。

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，通過這三個方向的運行實現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精確焊接。用戶希望將切換節拍控制在8s以內，由于系統負載相對較大有3~4噸，因此其動態響應性能成為控制的關鍵點。另外由于現場布線復雜、空間有限，如何選擇合適的現場I/O也相當重要。還有如何實現系統的高穩定、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，同時擴展兩塊FC9022 EtherCAT網口，并選用緊湊外形、高防護等級IP67的EP系列現場端子模塊來構建整個硬件平臺，其中每塊網卡都形成EtherCAT環網結構，其中一路用于I/O控制——專處理外部I/O，實現各種邏輯連鎖及輔助控制；另一路用于運動控制——實現工裝夾具的高效傳動。這樣的冗余環網結構讓控制系統的硬件可靠性提升了一倍。傳動系統也采用了倍福高性能的AX5000系列、EtherCAT網絡伺服驅動器及高動態響應的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典位置閉環算法。同時借助于EtherCAT的分布式時鐘技術（Distributed Clocks）實現了各伺服軸間的精確指令，同步消除了網絡傳輸的延時。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精度及消除了超調（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，系統需要出約3500N·m的力矩并且運動過程還需要“懸停”，這對系統提出了又一重大考驗。在應用了AX5000伺服系統“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”現象。

高度統一的軟硬件、強大的控制功能、開發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。

圖3 動態性能

圖4 懸停曲線

用戶反饋

東風的這條產線已于2017年5月份投產使用，從整體運行效果來說完全滿足廠家設計需求。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，我相信倍福系統優越的控制性能、完美的解決方案一定會為汽車行業的發展帶來更多的驚喜，這將是我們良好合作的開始。”

圖5 東風汽車柔性焊裝線

精彩問答

德國倍福自動化有限公司華西南區技術主管 陳冬

自動化博覽：倍福在汽車行業提供的主要產品有哪幾類？主要用在哪部分工藝上？

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

自動化博覽：倍福在汽車行業的主要特點和優勢是什么？

陳冬：倍福在汽車行業的優勢主要體現在：

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

（2）EtherCAT冗余環網：在幾乎不增加硬件成本的情況下實現系統網絡冗余，將系統數據鏈路可靠性提升一倍；

（3）豐富的外部接口：通過Ethernet/IP總線接口實現與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，從而實現工裝夾具的高速柔性切換為生產贏得時間提升了生產效率；

（5）極間的系統維護：通過對主控制器硬盤的備份使難度很高的系統維護變為簡單的部件更換型維護，大大降低了維護成本，縮短了維護時間。

自動化博覽：您認為自動化技術在中國的汽車行業中應用現狀如何？還存在哪些問題？

陳冬：自動化在汽車制造行業中應用越來越廣，使企業的生產效率在逐步提升，產能逐步擴大，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的要求越來越高也導致了企業對更高性能的自動化設備的需求。因此如何將PLC技術、變頻器技術、伺服技術、機器人技術更好地應用于汽車行業，實現從生產制造環節到后期設備升級維護環節全方位的降本增效是企業目前尤為關注的。

自動化博覽：近幾年，柔性生產在汽車行業表現較為突出，您如何看待客戶的柔性生產需求？倍福在此方面有何舉措？

陳冬：所謂柔性生產是指同一條生產線實現多品種、大小批量的自由切換的生產方式，這也是構成未來智慧工廠的重要環節。就目前汽車行業而言，如何由一條柔性生產線生產出更多型號、規格、品牌的汽車是各車企共同追求的目標，可以說這是“剛需”。

倍福將依托統一的軟硬件控制平臺讓柔性生產變得越來越簡單，成本越來越低，并且倍福更多地面向IoT、大數據、云平臺等技術的舉措也將推動倍福的產品不僅能很好地服務汽車行業，同時也能為《中國制造2025》戰略服務并實現多贏。

摘自《自動化博覽》2017年6月刊