（机械电子工程专业论文）plc在汽车焊装生产线上的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的发展，大量新型汽车不断涌现。带来的最直接影响就是汽车构造的 显著改进、制造工艺的创新、新材料的应用，同时也不断推动汽车车身焊装工艺的发展 与提高，汽车车身焊装生产线也在逐渐向全自动化方向发展。为了赶上国际先进水平， 在提高产量的同时，要求努力提高汽车制造质量。众所周知，实现自动化的前提是零部 件的制造精度很高，希望焊接变形最小，焊接部位外观要清爽，故要求焊接技术越来越 高。焊接方面新技术的推广应用对汽车制造工业的发展有着极其重要的作用。 p l c 是以微处理器为核心发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过3 0 多年的 发展，在工业生产中获得了极其广泛的应用。p l c 在汽车焊装生产线上的应用，使得生 产线控制系统运行可靠、维修方便，在不改变硬件接线的情况下，通过改变控制程序即 可改变汽车焊装工艺。 本文结合生产设计的实际，探讨了p l c 在汽车焊装生产线上的应用。文中阐述了 汽车生产线的分类、汽车焊装工艺的现状与发展、对汽车焊装生产线的各主要组成部分 进行了剖析：通过介绍松下f p 系列p l c 的工作原理及基本指令系统，结合实际给出了 延边现通汽车有限责任公司c o n t y 微型客车焊装生产线p l c 控制系统的硬件设计与软 件设计方案。 延边现通汽车有限责任公司c o n t y 微型客车焊装生产线主要由底板组焊工位、自 动合装焊接工位和自动合装补焊工位组成。每个工位采用一台松下f p 系列p l c 进行控 制，主要控制设备为生产线上的自动焊装夹具和自动焊枪。所完成的生产线在几年的生 产过程中，运行可靠，大大提高了生产效率，取得了较好的效益。 关键词：汽车；焊装生产线；p l o 应用 p l c 在汽车焊装生产线上的应用研究 s t u d yo n t h ea p p l i c a t i o no fp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ri na u t o m o b i l e w e l d i n g p r o d u c t i o nl i n e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ，al o to fn e w - s t y l e a u t o m o b i l e sa r ee m e r g i n g i tb r i n g st h ea m e l i o r a t i o no fa m o m o b i l ec o n f i g u r a t i o no b v i o u s l y ， i n n o v a t i o n so fm a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r e s ，a n da p p l i c a t i o no fn e wm a t e r i a l s m e a n t i m e ，i t p u s h e st h ea u t o m o b i l e sb o d y w o r k - w e l d i n gp r o d u c t i o nl i n eu pt of u l la u t o m a t i cl i n e t oc a t c h u pw i t ht h ea d v a n c e di n t e r n a t i o n a ll e v e l ，a ti n c r e a s et h eo u t p u tt i m e ，e f f o r tt oi m p r o v et h e q u a l i t yo ft h ea u t o m o b i l e si sn e c e s s a r y a sw ek n o w ，t h ep r e c o n d i t i o no fa u t o m a t i z a t i o ni s h i g hp r e c i s i o no ft h ep a r t s ，l e a s tw e l d i n gd i s t o r t i o n , ac l e a rs u r f a c eo fw e l d i n gp o s i t i o n t h a t i sw h yw e l d i n gt e c h n o l o g yi sr e q u e s t e dh i g h e ra n dh i g h e r t h ea p p l i c a t i o no fn e ww e l d i n g t e c h n o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n te f f e c tf o rt h ep r o g r e s so fa u t o m o b i l e sm a n u f a c t u r i n gi n d n s t r y p l ci san e ws e r v o m e c h a n i s mb a s e do nt h e m i c r o p r o c e s s o r a f t e r 3 0y e a r so f d e v e l o p m e n t ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r yc o n t r o la r e a p l cc a nb eu s e di na u t o m o b i l e w e l d i n gp r o d u c t i o nl i n et or e p l a c et h et r a d i t i o n a lc o n t r o lf u n c t i o nw i t hr e l a ya n dc o n t a c t o r t h ec o n t r o la n do p e r a t i o nw i l lb es m a r ta n dr e l i a b l e e s p e c i a l l yw ec a no n l yt oa l t e rt h e w e l d i n gp r o c e d u r e si ns o f t w a r et oc h a n g et h ec a rw e l d i n gp r o g r e s sw i t h o u tc h a n g i n ga n y f i x e dc i r c u i tc o n n e c t i o n t h i sp a p e rc o m b i n e s 、析t l lt h ea u t h o r sp r a c t i c eo fd e s i g nt od i s c u s st h ea p p l i c a t i o no f p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) i nt h ea u t o m o b i l e sw e l d i n gp r o d u c t i o nl i n e i tp r e s e n t e dt h e c l a s s i f i c a t i o no fa u t o m o b i l ep r o d u c t i o nl i n e ，t h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e w e l d i n gt e c h n o l o g y i ti n t r o d u c e dt h em a i nc o m p o n e n to fw e l d i n gp r o d u c t i o nl i n e ，t h e p r i n c i p l ea n dt h ei n s t r u c t i o ns y s t e mo f n a i sf ps e r i e sp l c i nt h ee n d ，i tc o m b i n e dw i t ht h e p r a c t i c ea n d i n t r o d u c e dt h ep l cc o n t r o ls y s t e mo fc o n t ym i c r o b u sw e l d i n gp r o d u c t i o nl i n e u s e di ny a n b i a nx i a n t o n gc o ，l t d t h ec o n t ym i c r o b u sw e l d i n gp r o d u c t i o nl i n eu s e di ny a n b i a nx i a n t o n gc o ，l t d i s c o m p o s e db yt h es o l e p l a t ew e l d i n gp o s i t i o n ，c o m b i n a t i o nw e l d i n gp o s i t i o n , a n dc o m b i n a t i o n w e l d i n ga d d e dp o s i t i o n t h e ya r ec o n t r o l l e db yn a i sf ps e r i e sp l c t h em a i nc o n t r o l l e d e q u i p m e n t sa tt h ep r o d u c t i o nl i n ea r ew e l d i n gc l a m p e r sa n dw e l d i n gg u n s a f t e rb e i n gp u t i n t ou s ef o rs e v e r a ly e a r s ，t h ep r o d u c t i o nl i n eh a sb e e no fm a n yg o o dc h a r a c t e r ss u c ha s r e l i a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y ，a n dg o o db e n e f i t sh a v e b e e no b t a i n e df o rt h i sc o r p o r a t i o n k e y w o r d ：a u t o m o b i l e ；w e l d i n gp r o d u c t i o nl i n e ；p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e ra p p l i c a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：幽日期：地z 簟强乡碍 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文盼全都或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：丝垒囵 翩躲一掣一 大连理工大学硕士学位论文 引言 中国汽车工业起步于二十世纪五十年代，经过几十年的发展，无论是在生产规模上 还是在生产设备的先进程度上都有长足进步。虽然几家较大汽车生产企业的大型生产线 仍为进口，但近年来国内设备生产企业在汽车生产线设计、制造上所投入的财力、物力 也是巨大的，已完全可以生产出先进的汽车生产装备。 汽车生产线主要分为冲压生产线，焊装生产线、涂装生产线和总装生产线等。在生 产过程中，汽车焊装生产线的自动化程度最高，控制难度最大。从汽车的工业发展的历 史来看，汽车焊装生产线经历了5 0 - - 6 0 年代手工焊装线一7 0 年代的自动化刚性焊装线一 8 0 年代后期的机器人柔性焊装线等阶段。 汽车焊装生产线由于自动化程度较高，往往完成其固定的焊接工作，这就要求焊装 生产线具有安全、可靠、平稳及运行速度可调等功能，这样控制系统采用p l c 作为控 制核心设备是十分合适的。在汽车焊装生产线中，由于完成的主要工作是部件焊装，在 车身焊装过程中有两个明显的特点：一是具有程序性，指车身制件焊装的先后顺序：二 是在焊装过程中，需要使用专门的夹具来确定零件或合件的相对位置，并将其夹紧贴合 进行焊接。因而汽车焊装生产线主要是由各工序上的定位夹具、自动焊枪以及各工位间 进行产品传输的传动机构组成。 p l c 是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的 一种新型工业自动控制装置。经过3 0 多年的发展，在工业生产中获得了极其广泛的应 用。目前，可编程控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最广泛的控制装置之一， 居工业生产自动化三大支柱( 可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造) 的首位。 其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志n 】。 p l c 在汽车焊装生产线上的应用，大大提高了生产线自动化程度，使得生产线控制 系统运行可靠、维修方便，在不改变硬件接线的情况下，通过改变控制程序即可改变汽 车焊装工艺扣。 笔者有幸承担了国内几家汽车生产企业汽车生产线控制系统的设计与安装调试工 作，延边现通汽车有限责任公司c o n t y 微型客车的焊装生产线就是其中之一。此生产 线采用松下f p i 和f f 2 系列p l c 作为控制核心，完成了三段底板自动组焊、自动合装 焊接、自动合装补焊等任务，在此结合实际对延边现通汽车有限责任公司c o n t y 微型 客车焊装生产线p l c 控制系统的硬件设计与软件设计方案进行阐述。 p l c 在汽车焊装生产线上的应用研究 1 汽车生产线的分类与焊接工艺 1 1 汽车生产线的分类 汽车自动化生产线的生产过程主要分为以下几个工序： 冲压成型一车架焊装一车体焊装一车身焊装一焊后储存转运一前处理一电泳一油 漆一漆后储存一升降机运转一进入总装线一地面生产线低工位组装一升降机运转一高 工位组装一成车下线一检测合格一入库待出厂等0 1 。 汽车生产线通常分为冲压生产线、焊装生产线、涂装生产线、总装生产线等。 冲压生产线完成汽车外蒙皮的冲压成型工作。如车门的成型、侧围蒙皮的成型等等。 汽车焊装生产线是汽车白车身全部成型工位的总称，它是由总成线和许多分总成线 组成，每一条总成线或分总成线又由许多工位组成。完成部件总成的焊接及整个白车身 的合装焊接工作。如侧围的焊接、底板的焊接、将所有总成焊接成一体组成白车身等。 其主要设备包括传输装置、焊接装置、定位装置等。在生产过程中，汽车焊装生产线的 自动化程度最高，控制难度最大。从汽车的工业发展的历史来看，汽车焊装生产线经历 了5 0 - 6 0 年代手工焊装线一7 0 年代的自动化刚性焊装线- 8 0 年代后期的机器人柔性焊 装线等阶段。 汽车焊装生产线通常由以下四大部分组成：一是车身侧围总成线，完成左、右、前、 后侧围的焊接；二是车身门盖总成线，完成门盖的焊接；三是底板总成线，完成底板的 焊接：四是车身总成线，完成车身各部分的总体焊接。其中每一部分又有相应的主线、 子线、左右对称线和独立岛等。每条线又分为若干个工位，负责完成一部分工作。各工 位之间通过各种类型的传输装置连为一体，形成一条生产线。 涂装生产线完成汽车车身前处理、电泳、喷漆、烤漆等工作。包括自动转运设备、 自动喷涂设备、自动配漆设备、自动烤漆房等。涂装生产线直接影响到汽车的外观，是 非常重要的汽车生产线之一。 总装生产线将漆后车身通过升降机转运到地面单道板式输送线上，完成汽车内饰、 仪表、驱动总成、车门等低工位组装，再由升降机转运到高工位悬挂输送线上完成前后 桥、发动机、轮胎等组装，再输送至地面双道板式输送线上完成驾驶盘、座椅、风档、 油箱等组装，并注油。下线进入检测线检验。 在汽车自动化生产线中，焊装生产线其自动化程度最高，控制难度最大。在众多的 汽车生产企业中，焊装生产线均采用p l c 作为控制核心部件，无非采用的品牌、型号 大连理工大学硕士学位论文 不同而已如上海大众汽车公司主要采用西门子品牌p l c 、长春一汽大众主要采用a b 品牌p l c 等。 1 2 汽车焊接工艺与发展 随着我国汽车工业的发展，作为汽车生产重要组成部分之一的汽车焊装生产线将经 历从引进、消化、吸收到最终自行设计与制造的过程。 在汽车焊装生产线中焊接是至关重要的。 车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。电阻电焊通过施加在点焊电 极上的电流将零件的接触表面熔化，然后在压力作用下连接在一起，主要用于车身构件 及车架的焊接。缝焊用滚轮电极代替电阻电焊的点焊电极，滚轮电极传递焊接电流和压 力，其转动与零件的移动相互协调，产生连续的焊缝，主要用于密封性焊接或缝点焊工 件，例如油箱。二氧化碳焊是一种电弧焊，即局部加热来熔化和连接零件而不需要施压 的一种焊接方法，在电极与工件之间的电弧作为热源，同时施加二氧化碳遮住电弧和熔 化区，使之与大气隔开，主要用于车身蒙皮的焊接h 】。 根据不同的零件和要求，在汽车工业中采用了多样化的焊接技术，应用到的焊接技 术还有闪光焊、电子束焊、电栓焊、脉冲焊、摩擦焊等等。近年，还出现了激光焊，并 且发展得很快，我国生产的一些轿车车身焊接，也采用了激光焊接。激光技术采用偏光 镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，如果焦点靠近工 件，工仵就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺。激光焊接的特点是被 焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度宽度比高，因此焊接质量比传统焊接 方法高。但是，如想保证激光焊接的质量，也就是激光焊接过程监测与质量控制是一个 激光利用领域的重要内容，包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器，通过电子 计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测 等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现自动化激光焊接啪1 。 汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设 计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼 装技术完成车身某一部位的制造，例如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱 等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、 降低成本和提高尺寸精度等好处，目前已经被许多大汽车制造商和配件供应商所采用。 激光焊接主要用予车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的 电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可 以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度。激光焊接零部件，零件焊接部位几 p l c 在汽车焊装生产线上的应用研究 乎没有变形，焊接速度快，而且不需要焊后热处理，目前激光焊接零部件已经广泛采用， 常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等u 3 。 随着汽车工业的发展，汽车车身焊装生产线也在逐渐向全自动化方向发展，为了赶 上国际水平，在提高产量的同时，要求努力提高汽车制造质量。众所周知，实现自动化 的前提是零部件的制造精度要很高，希望焊接变形最小，焊接部位外观要清爽，故要求 焊接技术越来越高。焊接方面新技术的推广应用对汽车工业的品牌提升有着极其重要的 作用哺】。 1 2 1 汽车工业所用的焊接方法及零部件的应用情况 汽车制造业是焊接应用面最广的行业之一，所用的焊接方法也种类繁多，其应用情 况如下： ( 1 ) 电阻焊 点焊主要用于车身总成、地板、车门、侧围、后围、前桥和小零部件等。 多点焊用于车身底板、载货车车厢、车门、发动机盖和行李箱盖等。 凸焊及滚凸焊用于车身零部件、减震器阀杆、制动蹄、螺钉、螺帽和小支架等。 缝焊用于车身顶盖雨檐、减震器封头、油箱、消声器和机油盘等。 对焊用于钢圈、排进气阀杆、刀具等。 c 2 ) 电弧焊 c 0 2 保护焊用于车箱、后桥、车架、减震器阀杆、横梁、后桥壳管、传动轴、 液压缸和千斤项等的焊接。 氩弧焊用于机油盘、铝合金零部件的焊接和补焊。 焊条电弧焊用于厚板零部件如支架、备胎架、车架等。 埋弧焊用于半桥套管、法兰、天然气汽车的压力容器等。 ( 3 ) 特种焊 摩擦焊用于汽车阀杆、后桥、半轴、转向杆和随车工具等。 电子束焊用于齿轮、后桥等。 激光焊割用于车身底板、齿轮、零件下料及修边等。 ( 4 ) 氧乙炔焊 用于车身总成的补焊。 ( 5 ) 钎焊 用于散热器、铜和钢件、硬质合金的焊接。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 汽车工业中焊接新技术的应用 现今，汽车工业中的先进焊接技术很多，这里只列举出与车身焊接相关的焊接新技 术 ( 1 ) 电阻焊技术 联体悬挂式点焊机汽车工业中应用最多的是悬挂式点焊机，一个车间往往是几 十或上百台，其容量大多在1 0 0 k v a 以上，在汽车薄板的焊接中得到了广泛的应用 电阻焊机目前电阻焊机大量使用交流5 0 h z 的单相交流电源，容量大、功率因数 低发展三相低频电阻焊机、三相次级整流接触焊机( 已在普通型点焊机、缝焊机、凸 焊机中应用) 和i g b t 逆变电阻焊机，可以解决电网不平衡和提高功率因数，同时还可 进一步节约电能，利于实现参数的微机控制，可更好地适用于焊接铝合金、不锈钢及其 他难焊金属的焊接。另外还可进一步减轻设备重量】 ( 2 ) 气体保护焊接技术 表面张力过渡的波形控制法方法的关键是用2 个电流脉冲完成1 个熔滴过渡，第 1 个电流脉冲形成熔滴并使之长大，直至熔滴与工件短路；第2 个电流脉冲是1 个短时 窄脉冲，同时控制电流脉冲值，以产生适当的电磁收缩力，使熔滴颈部收缩变细，最后 熔池表面张力拉断，完成1 个熔滴过渡而不产生飞溅。 逆变电源波形控制利用逆变电源良好的动特性和灵活的可控性，采用波形控制， 在短路阶段初期抑制电流上升，以减少电磁力在刚形成小桥时熔滴过渡的阻碍和爆断， 减少大颗粒飞溅，并利于熔滴在熔池摊开；当熔滴在熔池摊开后，使电流迅速上升，以 加速形成缩颈，以后再慢速上升到一较低峰值，使小桥爆断时飞溅减少。 氩弧焊新技术氩弧焊有非熔化极( t i g ) 和熔化极( m i o ) 两种，均用于汽车工业有 色金属和高合金钢焊接中。为了改善c 0 2 气体保护焊的成形和减少飞溅，采用加入8 0 或2 0 a t 的混合气体保护焊。 ( 3 ) 高能柬热源焊接及加工技术 高能束热源是指能量密度已大于5x1 0 8 w m 2 的热源( 电子束、离子束和激光) ，在 汽车工业中均有应用，目前国外发展的新技术有： 激光和电弧复合加热焊接激光焊接可焊出窄而深的焊缝，电弧焊接可焊出宽而 浅的焊缝；前者投资大，后者成本低，两者特性组合，会大大提高焊接效率。激光和电 弧复合加热焊接的焊炬设计特别重要，两热源的夹角要尽可能小，焊炬也设计成激光+ 双电弧电源。 该方法已在4 8 m m 厚的钢结构中使用，正拟用于更薄的汽车部件生产和铝合金焊 p l c 在汽车焊装生产线上的应用研究 接中。激光除了在焊接及精密切割中应用外，还在摩擦面形成储油细花纹或重熔复合层， 以提高耐磨性方面应用。 等离子体的应用氩气保护的等离子焊接切割早已在各行业应用，主要用于合金 钢和有色金属加工。目前空气等离子切割已普遍应用于一般钢铁和有色金属的切割，国 内铁路客车厂引进了水下等离子切割，以减少变形和提高精度。发动机气阀体早已采用 填充圈等离子焊接。近十几年来粉末等离子堆焊有很大发展，可进行小熔合比的薄层料 精细堆焊，能堆焊各种特种合金表面。 1 2 ，3 汽车工业中焊接新材料的发展趋势 随着轿车发展的日趋紧凑小型化、轻量化、新材料的应用使轿车材料构成发生了明 显改变，未来轿车车身材料仍以钢板为主，为使钢板厚度减薄，将广泛采用高强度钢板。 同时为了提高车身的防腐蚀性能，世界上不少汽车厂家在轿车生产中大量应用了镀锌钢 板。另外，还使用铝合金、塑料及陶瓷等材料。据有关专家预测，到本世纪末并不会在 大批量轿车生产中出现全铝车身或全塑车身。 ( 1 ) 镀锌钢板 在美国焊接学会分会的会议上讨论汽车工业中应用的金属板焊接问题时，有关专家 指出，焊接镀锌钢板最有前途的方法是激光焊接。但是由于该过程现在自动化程度还不 够，必须完善汽车工业中广泛应用的接触点焊方法。这种方法的主要缺点是在焊件与电 极接触中锌的大量过渡而使电极烧损较快故建议使用a 1 2 0 3 弥散微粒强化的c u - z n 和c u - c r 合金制造的电极，可在最小电抗下焊接，以保证获得最小的焊接接头尺寸。 ( 2 ) 高强度钢板 为了实现汽车的轻量化，提高汽车安全性能，高强度钢板在汽车中的应用正在逐年 增加，现今出现了新代的高强度钢板材料超细晶粒钢。该钢种主要指在经济指标 迸一步提高的基础上，钢铁材料的强度、韧性比现有的钢材提高一倍。新一代超细晶粒 钢在组织结构上具有超细晶粒、高洁净度、高均匀度的特性 当前用于研究的新一代超细晶粒钢主要有4 0 0 m t a 级和8 0 0 m t a 级两种 在对新一代钢铁的研究上，我国与国际水平并没有什么差距，几乎是同时起步，同 日、韩两国共处世界的领先地位。但是由于出现的时间较短。所以参与研究的单位也并 不很多在对超细晶粒钢的焊接技术进行一定的研究后，取得了一些先进成果。 ( 3 ) 铝合金 铝合金具有重量轻、强度高及抗腐蚀等优点，是优良的建筑材料，汽车工业中也逐 渐在使用铝合金材料的零部件。铝合金焊接有五个主要的特点： 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 铝合金表面有一层致密的氧化薄膜( 熔点约2 0 5 0 ( 2 ) ，焊接时如未能将其清除，将 会影响基本金属的熔化质量，形成夹杂等质量问题。 热导率大( 约为钢的4 倍) ，导电性好，焊接时若要达到与钢相同的焊速，则焊接 热输入要比焊钢时大2 4 倍。 线膨胀系数大，焊件有产生较大的热应力、变形及裂纹的倾向。 易出现气孔。 铝合金焊接接头的强度降低。 铝合金焊接的这些特点，正是在研制焊接设备和焊接工艺时应认真对待的问题，只 有这样才能开发出适合铝合金焊接的设备、材料和焊接工艺刀。 1 2 4 汽车工业焊接的总体发展趋势 ( 1 ) 发展自动化柔性生产系统 纵观整个汽车工业的焊接现状，不难分析出汽车工业的焊接发展趋势为：发展自动 化柔性生产系统。而工业机器人，因集自动化生产和灵活性生产特点于一身，故轿车生 产近年来大规模、迅速地使用了机器人。在焊接方面，主要使用的是点焊机器人和弧焊 机器人。 焊装生产线要高度自动化，广泛采用6 自由度的机器人，且机器人具有焊钳储存库， 可根据焊装部位的不同要求或焊装产品的变更，自动从储存库抓换所需焊钳。传输装置 则已发展为采用无人驾驶的更具柔性化的感应导向小车。 ( 2 ) 发展轻便组合式智能自动焊机 国内汽车焊接水平与国外相比差距很大。近年来，国内的汽车制造厂都非常重视焊 接的自动化。如一汽引进的捷达车身焊装车间的1 3 条生产线的自动化率达8 0 以上。 各条线都由可编程控制器控制，自动完成工件的传送和焊接。焊接由r 3 0 型极坐标式机 器人和0 6 0 肘节式机器人6 l 台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带 记录仪输入和输出程序。机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化 水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗叫】。 电阻焊机在汽车工业上应用，主要是将冲压成形的薄板结构的车身覆盖件在其工件 搭接连接处利用电阻热熔化金属形成焊点，将焊件联为一体。一台轿车车身的焊点约在 3 5 0 0 - - 5 0 0 0 点之间。汽车车身点焊是电阻焊的主要形式之一，汽车车身焊装用的点焊设 备占全部电阻焊产品的9 0 以上。 用于汽车车身焊装用的点焊机主要有三类：普通点焊机、多点焊机和点焊机器人h 】。 普通点焊机是适用于各种场合、各类焊接对象的通用点焊设备，也是组成汽车焊装自动 p l c 在汽车焊装生产线上的应用研究 化生产线的主要设备。汽车焊装自动化生产线根据其年生产纲领、汽车年产量不同，每 条生产线需普通点焊机几十台到几百台不等。普通点焊机根据机器结构和应用场合的不 同又分为移动式点焊机和固定式点焊机；移动式点焊机根据其结构不同，又分为悬挂式 点焊机和手提式点焊机。 多点焊机是为焊装特定工件设计、制造的专用焊接设备，其优点是生产效率高，适 合大批量单品种生产，适用于焊装结构形状复杂、焊点密集、接头搭边小、操作困难、 焊接质量难以保证等因素的工件。其缺点是设备投资多、专用性强，将逐步由焊接机器 人和相应工装夹具组合取代。多点焊机除用于焊接各种车辆构件之外，还应用于家用电 器如电冰箱、洗衣机，钢制家具、交通设施、板式散热器等各种薄金属构件制造行业。 机器人无论在国际还是国内，近年来发展速度不断加快，应用领域越来越广，新技 术不断采用，机器人数量越来越多。汽车厂使用的机器人主要用于搬运、焊接、涂敷和 装配等工作。汽车厂冲压、焊装、涂装及总装四大工序中使用机器人的水平和数量，代 表着该厂自动化、现代化的水平。国外全部使用机器人的无人操作汽车厂屡见不鲜渐成 主流，这也将是国内汽车工业发展到一定阶段的必然产物和发展方向。应用机器人不仅 能进行复杂的工艺操作、适应恶劣工作环境，取代笨重、单调、重复的人工体力劳动， 保证产品质量，提高工效、节约能源、安全生产、消除一切人为影响产品质量因素，还 能迅速组成柔性生产系统，特别适宜于新产品开发和多品种生产需要，产品换型上马快、 周期短、应变能力强阻i 】。 无论哪种类型的点焊机，其结构均由三大部分组成：电源及控制装置( 阻焊控制器) 、 能量转换装置( 焊接变压器) 和焊接执行机构( 点焊钳或点焊枪) 。上文提到的三种类 型的点焊机，其主要区别在于焊接执行机构不同。普通点焊机是由工人手抱点焊钳逐点 对工件焊接，多点焊机顾名思义是由安装在多种形式机架上的多把点焊枪同时焊接，点 焊机器人模仿人工动作使用安装在机械手臂上的点焊钳对工件焊接。 现代电阻焊技术和工艺的发展对阻焊控制器提出了更高的要求，这些要求离开了电 子计算机是无法实现的。阻焊控制器控制电路在经历了分立元件、集成电路等发展阶段 之后，目前已进展到以单片微型计算机为主的阶段。计算机的应用使阻焊控制器的功能 更加强大、性能更加完善、可靠性进一步提高。 现代阻焊控制器应具有下列功能： 可靠地控制电阻焊机接通、关断电源； 焊接电流精确可调； 焊接时间精确可调且无误差： 能够实现焊接过程各部分简单或复杂的循环； 大连理工大学硕士学位论文 能够存储多套焊接规范； 能够产生多种焊接电流波形； 具有多次通电功能( 多脉冲焊接) ； 具有对电极压力进行闭环控制功能； 具有尽可能多的故障自诊断和报警、显示功能； 能够实现焊接质量监控。 电阻焊质量监控包括实时稳定焊接参数和反映焊点状态两个方面。实现电阻焊质量 监控对于提高焊接接头的可靠性，保证焊接质量具有重要意义脚】。 目前，阻焊控制器所采用的质量监控方式主要为在电源电压补偿基础上实施恒流控 制。恒流控制是一种简单可靠、易于实现的方法，通过电流采样( 通常是初级电流) 与 给定值比较，通过调整主电力开关一晶闸管的导通角调整焊接变压器输入电压来保证次 级电流的恒定。恒流控制在电源电压波动和焊接回路阻抗变化时，可以稳定焊接电流， 从而保持焊点熔核尺寸一致，保证了焊接质量。但是，它只是控制焊接回路电流的恒定， 不是控制形成焊点的电流恒定，因此该方式无法克服影响电流密度的因素，如电流分流、 电极磨损等。由于恒流监控检测电流异常，对焊接电流进行补偿时，可能影响焊接速度。 对采用程序控制的多点焊机以及点焊机器人来说，出现电流异常可能导致程序出错。 除了恒流控制之外，动态电阻监控、热膨胀监控、超声波监控，红外监控等监控方 式都有产品运用。 动态电阻即焊点加热冷却过程中电阻变化的规律，可以较好地反映焊点熔核的形成 过程，对焊件的表面状态、材料厚度变化、电流分流以及电源电压变化都有较灵敏的反 映，它可以由测量焊接电流和电极间电压经计算求得。同理，形成焊点的能量焊接 电流与电极问电压的乘积，也可作为监控的信息。 阻焊控制器还应具有功率因数自适应、电极磨损焊接电流自动补偿及电极更新报 警、方便的中文菜单式编程等冬种功能。有群控接口，便于焊机之间通信和对焊机进行 集中管理，使用上位计算机及集中控制管理器可实现对几十台以至几百台控制器联网和 集中管理。 目前广泛使用的电阻焊机主要还是单相交流工频焊机，是一种大容量的用电设备。 主电力开关一晶闸管导通，关断5 0h z 交流电，焊接变压器将电能变换成低电压，几伏 到二十几伏：大电流，常用的轿车车身焊接电流约80 0 0 到1 50 0 0a ；底盘和某些零部 件需要的焊接电流还要大。虽然要将焊机均衡安装到三相电源上，但设备工作的不确定 性，无法保证三相电源平衡用电；多台焊机同时通电将使网压大幅度下降，功率因数降 低，影响焊接质量；晶闸管元件的非线性使电源正弦波波形发生严重畸变，产生电磁 p l c 在汽车焊装生产线上的应用研究 干扰。另外，单相交流电阻焊机尤其是分体式悬挂点焊机焊接时约9 0 以上的能量消 耗在焊接回路( 主要是通水焊接电缆) 上，能源利用率极低。因此，无论从节能或电网 平街角度，还是从焊接质量及对材料的适用性角度考虑，单相交流工频电阻焊电源都不 是一种理想的电源。 从发展情况来看，近一、二十年来工频电阻焊控制技术没有取得重大突破性进展， 还停留在恒流控制、恒电压控制等早期控制技术上。而像恒功率( 或恒热量) 控制，由 于工频控制速度较低( 周波数量级，2 0 m s 周波) 并未取得较好的应用结果。动态电阻 监控虽然是一种较为理想的质量监控方法但由于其采样传感器的复杂性和某些不适用 的材料限制例如不锈钢板材其电阻曲线为平特性，生产中并未得到广泛推广，只有少量 产品应用在航空航天飞行器焊接中。因此对电阻焊控制技术研究的重点应放在逆变式电 阻焊机和机器人焊钳等新产品上 在工频阻焊控制器研究上，除了焊接质量监控外，还应在某些有用的自检和保护功 能方面以及可靠性方面下功夫，主要有： 电极粘连检测功能，这是机器人焊钳控制和多点焊机、自动焊专机必须具备的 功能 焊接变压器击穿时，空气开关自动跳闸保护功能，该功能关系到人身安全。 移动式点焊机是汽车车身焊装自动化生产线上完成汽车车身组焊任务的主要设备， 适用于焊接结构尺寸大、形状复杂、不便于移动的焊件和大型薄壁结构工件移动式点 焊机中的悬挂式点焊机又分为两种结构形式，一种是阻焊控制器与焊接变压器分开布 置，控制器与焊接变压器使用软电缆进行电气连接的分体式悬挂点焊机，我国从苏联、 日本等国引进的早期产品以及我国2 0 世纪9 0 年代产品均以此为主。另种是同体式悬 挂点焊机，将阻焊控制器和焊接变压器组装于一体，整机结构紧凑合理；节省使用空间、 安装材料和动力管道，操作控制器方便；欧美国家均使用该形式焊机，也是目前我国移 动式点焊机的主导产品两种焊机的焊接执行机构是完全相同的，都是由通水焊接电缆 连接点焊钳传递焊接电流，通常配两把焊钳轮流工作：其优点为操作灵活方便、焊钳形 式多样。缺点为焊接回路长、阻抗大、功率因数低、功率损耗大；同时通水焊接电缆由 于在大电流情况下频繁扭曲使用，使遁水焊接电缆成为该类焊机的主要“耗材”二十 世纪九十年代七所高科公司销售的悬挂式点焊机产品7 0 以上为分体式悬挂点焊机， 近年来悬挂式点焊机产品9 0 以上为同体式悬挂点焊机。从产品功率参数看，目前售 出的悬挂式点焊机约7 0 为1 6 0 k v a 的，约3 0 为2 0 0k v a 的。2 0 世纪9 0 年代 常用的8 0k v a 、1 0 0k v a 以及1 2 5k v a 等功率焊机，近年来已无人订货。原因主要有 两方面，一是新材料如镀锌钢板、高强度钢板、铝合金板的应用，迫使焊接电流要增加 大连理工大学硕士学位论文 很多n 7 】；二是考虑到悬挂式点焊机的寿命一般都在1 0 年以上，但焊接变压器的内阻会 逐年增加，导致最大出力逐年减少，所以订货时留有余量。 移动式点焊机中的手提式点焊机将焊接变压器与焊钳制造为一体，没有成本高、阻 抗大、笨重的焊接电缆，也有叫做一体化或一体式点焊机的。该类机型与分体式悬挂点 焊机比较减轻重量约7 0 ；借助于平衡器，焊机可在工作空间上任意移动位置，焊机 本身也可作垂直或水平任意方向3 6 0 。转动，焊接系统简便轻巧，操作轻便灵活，能实 现全位置焊接。产生焊接电流的焊臂及电极采用插接结构安装于主机上，易拆卸易更换， 因此，不同形状、不同长度的焊臂及电极可在同一焊机上互换使用，实现一机多用。由 于焊接回路减少，焊机出力能力提高，悬挂式点焊机比较，可节约电能7 5 以上，同 时可减少水、气耗量，并可简化悬挂焊机的桁架结构，节省配套设备，例如供电站的功 率以及动力电缆、空气开关的额定参数均可减小，节约安装材料和安装工时。由于该产 品节能显著、性价比高，焊接电流出力大，其应用越来越广泛；尤其是在电网增容困难 的汽车厂扩大产能工程中，手提式点焊机成为首选产品。七所高科公司销售的移动式点 焊机产品前几年9 0 为悬挂式点焊机，手提式点焊机仅占1 0 ；近年来，手提式点 焊机销量逐年增加，其产量增加到3 0 。其功率参数主要为2 5k v a 和4 0 k v a ，少部 分为6 3k v a 。从功率参数对比也可看出手提式点焊机的节能效果。 固定式点焊机除了在汽车整车厂得到应用外，还大量应用于汽车零部件制造厂。该 焊机机身笨重、固定，人工或机器人夹持工件移动，完成焊接。装有凸焊电极台板、对 事先预制好凸点的工件完成凸焊工作例如常见的凸焊螺钉螺母的焊机成为凸焊机。一般 在用户订货要求时，焊机可实现点焊、凸焊两种功能，也叫做点( 凸) 焊机。固定式点 焊机要求有良好的机械本体强度和抗振动、耐冲击刚度，防止加压时电极移位，保证高 质量的焊接需要。同时要采用摩擦系数小的导向轴承，提高连续加压的快速性，尤其是 当焊件厚度变化时，电极压力应无显著变化固定式点焊机焊接回路短、导电截面大， 能获得较大的焊接功率和焊接电流。常用的有6 3k v a 、1 0 0k v a 和2 0 0k v a 等功率参 数焊机，能满足一般低碳钢材料焊接需要。 焊接执行机构点焊钳或点焊枪，大部分为气动或气液动加压方式，依靠直线运动的 气缸或在较低气压时提高压力的气一液压增压缸，产生电极压力作为夹紧焊件的动力和 维持焊接过程中的锻压力。目前这种常用的加压方式的压力建立时间长，需要设置较长 的预压时间才能达到压力的平衡阶段，从而使生产率降低，另外加压时冲击大，加速电 极工作面的塑性变形，降低电极寿命，同时会在工件表面上产生压痕，影响焊接表面质 量。新型伺服焊钳实现了电极加压软接触，而且达到1 0 0 加压力的时间比传统气动 加压快5 倍，较好地解决了传统加压方式存在的问题。新型伺服焊钳具有气电两种动力 p l c 在汽车焊装生产线上的应用研究 来源，是电阻焊领域的最新应用技术，既可采用传统的气( 液压) 缸也可采用交直流伺 服电机作为焊钳驱动装置。其特点为：压力建立过程迅速、机械负载降低、噪声低、飞 溅少、无冲击施压电极寿命长，伺服电机驱动和气缸驱动任意变换，可实现压力的实时 调节，即可在焊接过程中改变压力，可实现恒压力、梯形、马鞍形以及任意可调的稳定 压力循环曲线，提高生产效率。在工艺要求较高的场合采用伺服电机驱动电极可省去压 缩空气节约能源，电能消耗成本低于压缩空气消耗成本，自动补偿电极磨损，焊钳动作 速度提高，电极压力稳定，提高焊接精度和焊点质量。新型伺服焊钳的优异性能使其成 为机器人焊钳的首选辅助设备。 随着汽车产能扩大、生产节拍提高。汽车焊装自动化生产线规模在不断扩大，使用 的点焊机数量也在不断增多。为适应集中管理、信息化管理需要，将现代企业信息管理 方式与当代计算机技术、计算机网络以及通信技术结合，建立基于现场总线的点焊机集 中控制系统( 可简称为联网系统或群控系统) 已成为汽车焊装自动化生产线技术发展趋 势和汽车厂现代化信息管理的基础设施。 现场总线是当今自动化技术发展的热点之一，现场总线系统既是一个开放的通信网 络，又是一种低成本、高可靠性的分布式控制系统。处于总线上的任何设备可不分类型、 不限功能对其实施集中控制和管理。点焊机集中控制系统在上位计算机及集中控制管理 器控制下可根据需要设置多个管理层次，例如设为现场控制层、中间监控层和企业管理 层三个级别的管理层次。现场控制层着重实施对各类焊机的实时管理和监控，进一步可 建立点焊工艺参数选择系统、电阻焊专家系统，实现点焊工艺参数在线智能选择。中间 监控层着重产品产量、质量统计和生产调度。企业管理层着重决策支持，建立焊接数据 库，可以数据共享方式与企业管理网络建立信息交换，甚至与i n t e r n e t 连接，可实 现公司、部门对生产厂的远程监控及生产调度，真正实现管理、控制一体化。 现场控制层对各类焊机的实时管理和监控，包括焊接参数查询、焊接规范编程、焊 机故障实时监视、故障分析与复位等；焊机特殊功能的设置与撤销，例如设置电极寿命 终了报警、根据电极磨损情况实施焊接电流自动补偿或根据焊点数的增加实现焊接电流 按比例递增。根据事先设定和电网变化自动限制同时通电的焊机数量，并达到三相用电 的功率平衡，可降低供电变压器容量，节约能源。存储各类有关数据( 如焊点计数，焊 点质量参数、故障记录、通水焊接电缆的寿命统计等) 、生成生产报表嘶】。 大连理t 大学硕士学位论文 2 汽车焊装生产线的组成 2 1 概述 汽