四川成焊宝玛焊接装备工程有限公司 朱品朝

德国倍福自动化有限公司 陈冬

随着汽车行业竞争趋于白热化，如何加快产品的更新换代，使新车型既美观，价格又合理，成为生产企业关注的重点。品质决定成败，一条高效、稳定、可靠的自动化生产线成为各大汽车厂家共同追求的目标。倍福（Beckhoff）作为一家专注于自动化新技术的德资企业，将基于PC控制技术的产品和解决方案成功应用于汽车行业，为自动工装夹具切换提供了良好的软、硬件平台。

图1 焊装工位

项目介绍

四川成焊宝玛焊接装备工程有限公司是专门为汽车工业及其它工业部门提供焊接成套设备开发、设计、制造的高科技企业。主要产品包括为汽车白车身自动装焊生产线、焊接夹具、焊接机器人系统、焊接专用成套设备、焊接传输装置等。

汽车是经过冲压、焊装、涂装、总装四个主要工艺过程生产出来的，任何改变车身结构或外形的产品换型都会导致原有焊装线有所改变。因此焊装线成为车型升级换代的关键环节，而其中尤为重要和难于控制的是自动工装夹具切换环节。宝玛公司在东风汽车生产线上放弃了传统的系统方案而采用了倍福基于PC的整套解决方案，同时为四种车型提供工装夹具，从而实现同一条产线生产多种车型的柔性制造能力。

BECKHOFF Automation优化系统设计

倍福为自动工装夹具切换提供了良好的软、硬件平台。该工艺主要涉及四种不同工装夹具的取出、平移、升降、固定、缓存及焊接控制，属于焊装车间的核心工艺段，其中涉及了倍福系统的多项核心技术。

图2 系统结构

图2所示系统主要涉及工装夹具的X、Y、Z方向的高速、高精度移动，通过这三个方向的运行实现工装夹具的柔性切换，切换完成后由夹具夹紧车体，最后通过机械手实现精确焊接。用户希望将切换节拍控制在8s以内，由于系统负载相对较大有3~4吨，因此其动态响应性能成为控制的关键点。另外由于现场布线复杂、空间有限，如何选择合适的现场I/O也相当重要。还有如何实现系统的高稳定、可靠性也是系统设计的一大要素。综合以上情况，用户在系统硬件上选用了倍福Intel Core i5, 2 Cores的高性能C6920-0030作为核心控制器，同时扩展两块FC9022 EtherCAT网口，并选用紧凑外形、高防护等级IP67的EP系列现场端子模块来构建整个硬件平台，其中每块网卡都形成EtherCAT环网结构，其中一路用于I/O控制——专处理外部I/O，实现各种逻辑连锁及辅助控制；另一路用于运动控制——实现工装夹具的高效传动。这样的冗余环网结构让控制系统的硬件可靠性提升了一倍。传动系统也采用了倍福高性能的AX5000系列、EtherCAT网络伺服驱动器及高动态响应的AM8000及AM3000系列伺服电机。

为了满足对大负载的精确高效控制，C6920-0030中装载了倍福的TwinCAT NC PTP实时运动控制软件, 其位置算法周期可以低至500μs,是一套功能完善的经典位置闭环算法。同时借助于EtherCAT的分布式时钟技术（Distributed Clocks）实现了各伺服轴间的精确指令，同步消除了网络传输的延时。运行过程中及最终定位的控制性能上采用TwinCAT NC PTP中的PID+速度+加速度前馈控制方式，很好地保证了速度动态精度及消除了超调（如图3所示），尤其在Z轴垂直升降运动中工装夹具与支撑托架总重量超过了5吨，系统需要出约3500N·m的力矩并且运动过程还需要“悬停”，这对系统提出了又一重大考验。在应用了AX5000伺服系统“悬停”功能后（如图4所示）我们可以看出：在整个过程中无论是带载上行还是下行都无“溜车”现象。

高度统一的软硬件、强大的控制功能、开发简易和易维护等特点为宝玛公司顺利完成本项目提供了坚实的基础。

图3 动态性能

图4 悬停曲线

用户反馈

东风的这条产线已于2017年5月份投产使用，从整体运行效果来说完全满足厂家设计需求。据宝玛公司的项目负责人反馈：“精度很高很高效，大大超出了我们的预期，我相信倍福系统优越的控制性能、完美的解决方案一定会为汽车行业的发展带来更多的惊喜，这将是我们良好合作的开始。”

图5 东风汽车柔性焊装线

精彩问答

德国倍福自动化有限公司华西南区技术主管 陈冬

自动化博览：倍福在汽车行业提供的主要产品有哪几类？主要用在哪部分工艺上？

陈冬：倍福所涉及到的产品包括：控制面板——CP2215；主控制器IPC——C6920；伺服驱动器——AX5125、AX5118、AX5172；伺服电机——AM8071，AM8072，AM3084；I/O模块——EP9224-0023、EP1809-0022、EP2038-0002、EP1122-0001、EP9224-0023。主要应用在焊装工艺段，助力用户实现不同车型的夹具自动切换。

自动化博览：倍福在汽车行业的主要特点和优势是什么？

陈冬：倍福在汽车行业的优势主要体现在：

（1）高性能：C6920-0030作为核心控制器使整个系统运算控制变得游刃有余；

（2）EtherCAT冗余环网：在几乎不增加硬件成本的情况下实现系统网络冗余，将系统数据链路可靠性提升一倍；

（3）丰富的外部接口：通过Ethernet/IP总线接口实现与AB系统的灵活通讯；

（4）高系统精度：采用TwinCAT NC PTP中的PID+速度+加速度前馈控制方式很好地保证了工装夹具的X、Y、Z方向的高速、高精度移动，从而实现工装夹具的高速柔性切换为生产赢得时间提升了生产效率；

（5）极间的系统维护：通过对主控制器硬盘的备份使难度很高的系统维护变为简单的部件更换型维护，大大降低了维护成本，缩短了维护时间。

自动化博览：您认为自动化技术在中国的汽车行业中应用现状如何？还存在哪些问题？

陈冬：自动化在汽车制造行业中应用越来越广，使企业的生产效率在逐步提升，产能逐步扩大，满足了目前国民对汽车日益增长的需求，但同时随着消费者对汽车品质的要求越来越高也导致了企业对更高性能的自动化设备的需求。因此如何将PLC技术、变频器技术、伺服技术、机器人技术更好地应用于汽车行业，实现从生产制造环节到后期设备升级维护环节全方位的降本增效是企业目前尤为关注的。

自动化博览：近几年，柔性生产在汽车行业表现较为突出，您如何看待客户的柔性生产需求？倍福在此方面有何举措？

陈冬：所谓柔性生产是指同一条生产线实现多品种、大小批量的自由切换的生产方式，这也是构成未来智慧工厂的重要环节。就目前汽车行业而言，如何由一条柔性生产线生产出更多型号、规格、品牌的汽车是各车企共同追求的目标，可以说这是“刚需”。

倍福将依托统一的软硬件控制平台让柔性生产变得越来越简单，成本越来越低，并且倍福更多地面向IoT、大数据、云平台等技术的举措也将推动倍福的产品不仅能很好地服务汽车行业，同时也能为《中国制造2025》战略服务并实现多赢。

摘自《自动化博览》2017年6月刊