臧悦、盛梓俊、张祁付、崔玉顺、陈淑亮、盛保柱
安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽省 合肥市 230601
摘要：近几年随着自动化技术的飞速发展，像工业视觉相机这类新型设备不断涌现，使自动化焊接设备逐渐获得市场青睐。想要实现自动化焊接，关键点在于焊缝的定位，目前行业内主要有激光焊缝定位、视觉焊缝定位两大类。其中激光焊缝定位分为：光束式激光传感器、光幕式激光传感器等，具有成本低、使用环境要求低等特点；视觉焊缝定位分为：单相机定位，多相机定位等，具有精度高，支持复杂场景等特点。
关键词：激光焊缝跟踪；自动化焊接；车厢地板自动焊
引言
近年来我公司原厂车厢受到市场青睐，传统手工焊接的车厢地板焊点不均匀、虚焊漏焊的情况会影响车厢焊接质量。通过对车厢地板的工艺流程调研，决定采用光束式激光传感器实现焊缝定位，希望通过自动化焊接设备来提高生产可靠性，让操作员工从繁琐的焊接中解脱出来，提高焊接质量、生产效率。以下阐述焊接专机的设计制造思路和实施过程。
一、方案背景
现有的焊接工艺为手工焊接，操作工先将两块需要拼焊的板件搬运至台架上，然后使用手弧焊焊接焊缝，最后将板材搬运至工位器具。两块板件拼焊长度2310mm，需要两名操作工进行焊接，焊接时长约3min，人工焊接质量无法保证，新操作工需较长时间学习才能勉强应对，熟练工也会因稍微疏忽而导致虚焊漏焊的现象发生。焊接示意如图1-1所示。
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图1-1 厢式车地板面板焊接示意图
二、方案设计
2.1方案的目标
通过设计制造一台全新的焊接专机，使用自动化焊接设备来取代人工焊接，实现厢式车地板面板焊接自动化，并能安全可靠地运行，提高生产的可靠性和稳定性，维护方便，减少人员劳动强度，提高生产效率。
2.2方案的确定
为实现既定目标，需要从机械结构设计、电气原理图设计、电气元件选型方面逐一设计，以下将详细阐述设计方案。
2.2.1机械结构设计
经过现场调研，确定了40S/台的生产节拍要求、焊接5mm以下板材的生产工艺要求。在查阅资料后，发现焊接2mm板材时，板件会弯曲变形5°，针对这种情况，在机械结构设计时选取12件亚德客ACQ80X45-S气缸均布按压在板件周围，单个气缸工作在0.6Mpa工况时可以提供3015.9N力，能够抑制板件弯曲变形。选取100*80*5mm方管，这样可以避免方管强度不足。
针对传感器寻缝和焊枪焊接的固定，将两个元器件使用机构固定，连接到伺服电机上，设备工作时气缸推动机构下降，实现电机行走时带动两个元器件工作，传感器在前面扫描焊缝信息，焊枪在后实时修正焊接，设备不工作时气缸拉动机构上升，实现焊枪收回防止误焊。
经过solidworks2016机械仿真模拟实验，确定该设备稳定可靠，生产效率达30S/台，设计方案如图2-1所示。
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图2-1 自动焊接专机示意图
2.2.2电气原理图设计
在完成机械结构设计后，就开始着手设计控制电路，根据整个流程的工艺要求，确认主要设备及数量，画好主电路图，接着根据主电路、控制电路及安全因素绘制控制电路图。
2.2.3电气元件选型
光束式激光传感器是利用三角测距的原理，测量与工件之间的距离。选择位移传感器时，需要先考虑以下条件，然后再选择机型。1，测量对象物：根据材质、大小、形状、表面状态，从激光、视觉中选择测量方法；2、周边环境：是否在油雾环境中进行测量，还要根据环境温度等来选择可使用的机型；3、精度：以多高的精度来测量对象物，对所需要的精度和机型的分辨率直线性进行比较，然后选型；4、响应速度：测量时间要多久？是否处于移动状态？根据这些内容来确定响应速度，并选择机型；5、测量范围：根据与测量对象物之间的安装距离、测量范围等来选择机型。结合生产实际需求，最终选取了松下HG-C1050-P光束式激光传感器。
三、方案实施
3.1程序实现
整个动作流程：工作开始→板件压紧→机头降→传感器扫描→滑台右移→开始焊接→焊接结束→传感器复位→焊枪复位→机头升→板件松开→滑台左移→工作结束。
在程序设计过程中，最重要的环节就是传感器识别焊缝，记录焊缝位置，焊枪按照焊缝位置实施焊接。为了实现这个目标，以下将详细阐述程序设计方案。
3.1.1传感器识别焊缝的实现
激光传感器固定在机头上发射激光指向板件，通过移动传感器就可以实时测量出板件的高度变化，需要拼焊的两块板件的焊缝处预留有1mm-2mm的宽度间隙，激光传感器的激光点在此处直接照射到铜板上，测量的数值相较别处会有很大变化。传感器数值突然变大时可以认为找到焊缝一条边，传感器继续移动，数值突然变小可以认为找到了焊缝另一条边。利用这两个数值可以分析出焊缝的位置以及焊缝的宽度，焊缝的宽度即可当作焊枪摆动幅度。传感器识别焊缝示意如图3-1所示。
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图3-1传感器识别焊缝示意图
3.1.2焊枪跟踪焊缝的实现
在进行程序设计时将焊枪设计为摆动焊接模式，如果焊枪不摆动，当缝隙比较大时可能无法焊接。在传感器识别到焊缝后，会记录焊缝的X、Y点坐标以及摆幅，其中X点为焊枪修正点，表示焊枪到达该点必须要进行摆幅修正及摆动中点修正。Y点为摆动中点。摆幅表示焊枪摆动幅度。这三项数据会按照先后顺序存储在PLC的全局DB块中的三个数组。当设备开始工作时，传感器会不断扫描数据，依次叠加记录在DB块中，焊枪依次读取修正点，每到达一个记录点执行一次修正，直到系统下达停止修正指令。
3.1.3其他功能的实现
根据原理图确定输入、输出元件地址分配。根据元件地址分配表，根据控制要求编制 PLC 梯形图及HMI界面。
3.2硬件实现
按照机械设计图，加工零部件，然后进行组装，最后刷漆。为了保护操作工安全，设计两个启动按钮放置在入料口，只有同时按下时才能工作。按照设备最大可移动位置，确定所有的传感器安装位置。在控制箱适当位置固定PLC和其他元器件，将PLC的各个输入输出点按原理图连接到指定的元器件上。整理接线，整理线槽，盖好盖板。
3.3联机调试
在接通主电源前，先断开各支路断路器，并测量主电路和各支路有无短路和接地故障，如有故障，应先排除故障再通电。
接通主电源，然后依次接通各支路电源，看 PLC 运行指示灯是否正常，按照顺序依次检查 PLC 输入、输出是否正常，模拟运行中的各种工况，看PLC 输出是否正常。
设备通电试运行，首先关闭焊机，空运行查看传感器能否识别焊缝，焊枪能否实时修正，焊枪摆幅是否正常，电机行走速度是否正常，如有问题，逐一检查并解决问题。都正常后，接通焊机进行统调，检测焊缝质量，通过调整焊接电流、电压，确保焊缝美观饱满。
在运行中测试急停开关是否有效，观察塔灯颜色和现场实际状态是否吻合。经几个循环确认无误后，指导操作人员掌握具体操作的过程和应急处理的方法，并再检测一段时间，若无异常则可交付于使用。
四、结论
厢式车地板面板焊接实现全自动后，焊接效率提升30%以上。设备运行稳定，无任何异常发生。相较于传统手工焊接，自动焊接专机具有生产效率高，产品质量高等一系列优点。
自动化焊接技术还可以在其他地方发挥着作用，例如自动化涂胶，只要设定好参数，更改涂胶枪头，修改部分程序，即可实现功能，具有很大的推广使用价值。
本次设计制造的自动焊接专机目前存在着以下问题：无法实现长时间的大电流焊接。由于采购的焊枪不是专用焊枪，不能使用循环冷却水对其降温，只能使用自然降温。焊接专机结构紧凑，无法提供充足的降温环境，连续工作一段时间后，导电嘴发热变形，容易堵丝，需要手动清理。针对这种情况，目前避免焊接4mm-5mm板件，或者降低焊接电流。下一步计划跟换专用焊枪，配备循环冷却水装置。
参考文献
（1） SIEMENS S7-1200 可编程控制器系统手册 V4.3.0.
（2） SIEMENS S7-1200 可编程序控制器产品样本 08.2012.
（3） Panasonic 伺服电机·驱动器MINAS A4系列使用说明书( 综合篇 )
（4） AIRTAC 2007产品综合型录