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摘 要： 近年来，随着电子技术、计算机技术以及机器人技术的高速发展，工业机器人越来越广泛地应用于汽车制造业中。本文以汽车制造业中柔性化程度最高的焊装生产线为对象，通过研究焊装生产线的设计方法，希望能够为焊装生产线设计提供一些新的思路。
关键词： 机器人；焊装线；自动化
中图分类号：TP242.2 文献标识码：A
1 焊装生产线简介
焊装生产线是将带有焊枪和抓手的工业机器人、焊装夹具、周边管线设备、物流装置和控制电路这几部分集成起来所构成的复杂系统。焊装线上的工业机器人一般采用六轴关节式机器人，每个轴上所安装的伺服电机能够保证工作范围内任意位姿的可达性，焊装线上的抓取、焊接、涂胶等都能交给它完成。此外，工业机器人还具有编程灵活的特点，可根据工艺流程的不同来调用合适的工艺处理程序。选择焊装生产线来代替工人手工焊接够极大地提升生产线的自动化、柔性化和智能化程度，显著提高焊接精度和质量，同时能够降低人工成本，缩短生产周期。
2 焊装线的工艺规划
焊装生产线的工艺规划必须满足产品各个部分的工艺要求，焊装线上的工艺种类众多，其中自动化程度和资金预期直接决定了工艺规划的方向[1]。焊装线工艺规划首先需要确定产品各部分的上件工序，随后进行各工序的焊点分配，同时分析各工位的生产节拍、核算人机工效、整线物流分析等工作，最终得到相对合理的焊装线初步规划。
2.1 工艺规划的意义
工艺规划的合理程度决定了焊装生产线的可实现性，直接影响焊装生产线的开发周期和成本。进行焊装线工艺规划具有如下几点好处：
（1） 优化焊装生产线设计方案，减少投资成本。
（2） 确定工艺流程，平衡生产节拍，尽量避免停机等待现象。
（3） 缩短焊装线设计开发周期，为仿真验证提供参考。
2.2 焊装线的工艺规划流程
焊装线工艺规划的流程包括：明确设计条件、生产节拍计算、焊接流程规划、焊点规划、撰写工艺规划书、工位节拍分析、人机工效核算、物流分析这八个方面。
3仿真验证
3.1 三维仿真验证的意义
根据工艺规划设计的焊装线规划只能从理论上实现焊装线的工艺方案，不能反映焊装线各设备的实际运行状况，无法暴露工艺规划方案中的问题点，存在很大弊端，因而在实际安装前应该进行三维仿真验证。
三维仿真验证是指依据工艺规划方案，将焊装线上所有对象（工业机器人、焊枪和抓手、焊装夹具、围栏、控制柜、输送装置、工艺设备等）的三维模型导入仿真软件中，建立起焊装线的虚拟三维数模，通过仿真软件模拟运行焊装线工作内容。通过动态的数字化模拟仿真来检查各工作对象间是否存在干涉等问题，同时优化工艺布局方案，能够在安装前提前发现前期工艺规划方案的问题点[2]。在多机器人协同作业工位，通过三维仿真还可得到最优的机器人焊点分配，尽可能地避开或减少干涉区，优化工位的生产节拍。通过三维仿真可反馈工艺规划方案的问题点，规避方案设计的风险，优化焊装线结构，缩短焊装线开发周期。
3.2 仿真验证流程
（1）根据前期焊装线规划将各个仿真对象导入仿真软件中，初步建立它们的相对位置关系。
（2）对机器人的作业内容进行可达性验证，检查机器人作业过程中工艺设备间是否存在干涉，如干涉需要调整相对位置。
（3）根据工艺内容规划各个机器人的作业轨迹，对于多机器人作业工位还需要考虑如何避免干涉区出现，同时避免机器人等待的情况出现。
（4）输出仿真验证报告，反馈工艺规划方案的问题点，不断进行优化改进，最后输出平面布局图。
3.3 输出平面布局图
平面布局图体现了焊装线仿真验证的成果，将最终通过三维仿真验证的三维模型投影成二维图像便可得到最终的平面布局图，在图上能够反映焊装生产线上所有组成对象的相对位置关系[3]。作为现场架设生产线的依据，准确合理的平面布局图对于焊装线工艺规划方案的正确实施至关重要。
4焊装生产线系统设计
焊装生产线的设备数量众多，工艺要求多样，控制难度相对较大，一般情况下系统控制程序都是由PLC系统程序和机器人系统程序两部分组成。焊装线的程序结构设计和选择的编程方法直接决定了系统调试和运行的难易程度和速度。本文采用面向对象[4]的编程方式，把设备按照类型划分之后，将这些控制对象分為几个不同类型来处理。同种类型的设备工作原理大体相同，控制逻辑相似，运用面向对象的编程方法来抽象出控制对象类型的控制逻辑能显著提高编程效率，同时得到的程序可反复调用，便于程序的维护和扩展。
4.1 PLC系统程序设计
PLC 作为焊接生产线的控制核心，主要任务是生产线的工艺流程控制、设备运行控制、机器人运动控制及其它周边设备的控制。主要分为以下几个模块：
（1）系统模式选择：焊接生产线的系统一般分为单任务模式、自动模式和手动模式三类，可以由工人在外部操作生产线的系统模式。
（2）公共报警处理：有油压不足、气压不足、穿越隔离光栅和机器人报警等情况都会触发公共报警，一般通过一个报警功能块来对这些信息进行统一监控和处理。
（3）故障安全处理： 根据IEC61508标准中的规定，需要将急停按钮被按下、机器人急停、安全门异常开启等信号放在安全功能块中处理。
（4）工艺数据处理：主要是对焊装线的工艺流程、生产节拍进行记录，以确保发生故障时可以快速查找记录。
（5）工艺设备控制：通过PLC系统来协调各个机器人上设备的使用和转换。
（6）水气单元控制：该模块用于处理焊装上设备的水气供应，把所有设备放在同一个模块中处理，便于前期调试和后期维护。 （7）物流设备控制：将焊装线物流设备的逻辑控制放在一个模块中，便于设备的调试和维护。
（8）工位控制程序：用于对各个工位的操作模式、焊装夹具和机器人进行控制。
通过模块化的程序结构设计将复杂的焊装线控制任务细分为多个模块来处理，使得控制程序设计直观明了，便于程序的調试和维护。采用面向对象的编程方法对焊装线的标准设备建立通用的标准功能块，可大大提高编程效率。
4.2 机器人系统程序设计
工业机器人作为一个独立的智能单元，由机器人解释器和控制解释器两部分组成。机器人解释器用于运行机器人运动程序，控制解释器则用于运行逻辑控制程序以控制机器人的运动。在进行机器人程序设计时，可以运用面向对象的编程方式来开发各种工艺或逻辑处理库函数，采用结构化的编程思路来进行系统程序架构设计。
运用结构化编程方法进行机器人程序设计具有如下几个优点：
（1）根据不同结构进行分段编程，便于错误程序诊断；
（2）以清晰易懂的方式来展示基本的控制方法；
（3）提高维护、修改和扩展程序的效率；
（4）把复杂的控制程序划分为几个简单的子程序；
（5）降低编程的耗时；
（6）相同性能的程序组成部分可以互换；
（7）可单独开发各工艺任务的库函数，便于调用。
工业机器人大体上由主程序、后台程序和中断处理程序三部分组成。通过主程序的循环扫描来执行PLC系统指定的工艺程序；后台程序作为后台并行的处理程序，可用来处理与PLC系统交互的一些需要实时监控的信号，如判断电极是否需要修磨或更换；中断处理程序一般用于对程序运行错误的信号进行接收以触发系统中断。
5 总结与展望
本文对汽车焊装生产线设计过程中的工艺规划、仿真验证和系统设计做了简单的介绍，希望能够为焊装生产线的设计研究提供一些参考。目前在我国，自动化生产线设计往往依托技术人员的经验，仿真技术仍非常薄弱。机器人仿真技术的应用，是加快我国汽车自动化生产线革新的重要方法，也是我国工业机器人未来的发展方向。
参考文献
[1] 王亮，宋林森.白车身侧围焊装工艺规划分析[J].机械工程师，2016（6）：33-35.
[2] 马增辉. 轿车后轮罩总成焊接机器人工作站规划及仿真[D].长春：吉林大学，2012.
[3] RobCAD eM-Workplace[M].SIEMENS Corporation，2009.
[4] 王维刚. 智能化汽车焊接生产线设计和实现[D].济南：山东大学，2016.
关键词： 机器人；焊装线；自动化
中图分类号：TP242.2 文献标识码：A
1 焊装生产线简介
焊装生产线是将带有焊枪和抓手的工业机器人、焊装夹具、周边管线设备、物流装置和控制电路这几部分集成起来所构成的复杂系统。焊装线上的工业机器人一般采用六轴关节式机器人，每个轴上所安装的伺服电机能够保证工作范围内任意位姿的可达性，焊装线上的抓取、焊接、涂胶等都能交给它完成。此外，工业机器人还具有编程灵活的特点，可根据工艺流程的不同来调用合适的工艺处理程序。选择焊装生产线来代替工人手工焊接够极大地提升生产线的自动化、柔性化和智能化程度，显著提高焊接精度和质量，同时能够降低人工成本，缩短生产周期。
2 焊装线的工艺规划
焊装生产线的工艺规划必须满足产品各个部分的工艺要求，焊装线上的工艺种类众多，其中自动化程度和资金预期直接决定了工艺规划的方向[1]。焊装线工艺规划首先需要确定产品各部分的上件工序，随后进行各工序的焊点分配，同时分析各工位的生产节拍、核算人机工效、整线物流分析等工作，最终得到相对合理的焊装线初步规划。
2.1 工艺规划的意义
工艺规划的合理程度决定了焊装生产线的可实现性，直接影响焊装生产线的开发周期和成本。进行焊装线工艺规划具有如下几点好处：
（1） 优化焊装生产线设计方案，减少投资成本。
（2） 确定工艺流程，平衡生产节拍，尽量避免停机等待现象。
（3） 缩短焊装线设计开发周期，为仿真验证提供参考。
2.2 焊装线的工艺规划流程
焊装线工艺规划的流程包括：明确设计条件、生产节拍计算、焊接流程规划、焊点规划、撰写工艺规划书、工位节拍分析、人机工效核算、物流分析这八个方面。
3仿真验证
3.1 三维仿真验证的意义
根据工艺规划设计的焊装线规划只能从理论上实现焊装线的工艺方案，不能反映焊装线各设备的实际运行状况，无法暴露工艺规划方案中的问题点，存在很大弊端，因而在实际安装前应该进行三维仿真验证。
三维仿真验证是指依据工艺规划方案，将焊装线上所有对象（工业机器人、焊枪和抓手、焊装夹具、围栏、控制柜、输送装置、工艺设备等）的三维模型导入仿真软件中，建立起焊装线的虚拟三维数模，通过仿真软件模拟运行焊装线工作内容。通过动态的数字化模拟仿真来检查各工作对象间是否存在干涉等问题，同时优化工艺布局方案，能够在安装前提前发现前期工艺规划方案的问题点[2]。在多机器人协同作业工位，通过三维仿真还可得到最优的机器人焊点分配，尽可能地避开或减少干涉区，优化工位的生产节拍。通过三维仿真可反馈工艺规划方案的问题点，规避方案设计的风险，优化焊装线结构，缩短焊装线开发周期。
3.2 仿真验证流程
（1）根据前期焊装线规划将各个仿真对象导入仿真软件中，初步建立它们的相对位置关系。
（2）对机器人的作业内容进行可达性验证，检查机器人作业过程中工艺设备间是否存在干涉，如干涉需要调整相对位置。
（3）根据工艺内容规划各个机器人的作业轨迹，对于多机器人作业工位还需要考虑如何避免干涉区出现，同时避免机器人等待的情况出现。
（4）输出仿真验证报告，反馈工艺规划方案的问题点，不断进行优化改进，最后输出平面布局图。
3.3 输出平面布局图
平面布局图体现了焊装线仿真验证的成果，将最终通过三维仿真验证的三维模型投影成二维图像便可得到最终的平面布局图，在图上能够反映焊装生产线上所有组成对象的相对位置关系[3]。作为现场架设生产线的依据，准确合理的平面布局图对于焊装线工艺规划方案的正确实施至关重要。
4焊装生产线系统设计
焊装生产线的设备数量众多，工艺要求多样，控制难度相对较大，一般情况下系统控制程序都是由PLC系统程序和机器人系统程序两部分组成。焊装线的程序结构设计和选择的编程方法直接决定了系统调试和运行的难易程度和速度。本文采用面向对象[4]的编程方式，把设备按照类型划分之后，将这些控制对象分為几个不同类型来处理。同种类型的设备工作原理大体相同，控制逻辑相似，运用面向对象的编程方法来抽象出控制对象类型的控制逻辑能显著提高编程效率，同时得到的程序可反复调用，便于程序的维护和扩展。
4.1 PLC系统程序设计
PLC 作为焊接生产线的控制核心，主要任务是生产线的工艺流程控制、设备运行控制、机器人运动控制及其它周边设备的控制。主要分为以下几个模块：
（1）系统模式选择：焊接生产线的系统一般分为单任务模式、自动模式和手动模式三类，可以由工人在外部操作生产线的系统模式。
（2）公共报警处理：有油压不足、气压不足、穿越隔离光栅和机器人报警等情况都会触发公共报警，一般通过一个报警功能块来对这些信息进行统一监控和处理。
（3）故障安全处理： 根据IEC61508标准中的规定，需要将急停按钮被按下、机器人急停、安全门异常开启等信号放在安全功能块中处理。
（4）工艺数据处理：主要是对焊装线的工艺流程、生产节拍进行记录，以确保发生故障时可以快速查找记录。
（5）工艺设备控制：通过PLC系统来协调各个机器人上设备的使用和转换。
（6）水气单元控制：该模块用于处理焊装上设备的水气供应，把所有设备放在同一个模块中处理，便于前期调试和后期维护。 （7）物流设备控制：将焊装线物流设备的逻辑控制放在一个模块中，便于设备的调试和维护。
（8）工位控制程序：用于对各个工位的操作模式、焊装夹具和机器人进行控制。
通过模块化的程序结构设计将复杂的焊装线控制任务细分为多个模块来处理，使得控制程序设计直观明了，便于程序的調试和维护。采用面向对象的编程方法对焊装线的标准设备建立通用的标准功能块，可大大提高编程效率。
4.2 机器人系统程序设计
工业机器人作为一个独立的智能单元，由机器人解释器和控制解释器两部分组成。机器人解释器用于运行机器人运动程序，控制解释器则用于运行逻辑控制程序以控制机器人的运动。在进行机器人程序设计时，可以运用面向对象的编程方式来开发各种工艺或逻辑处理库函数，采用结构化的编程思路来进行系统程序架构设计。
运用结构化编程方法进行机器人程序设计具有如下几个优点：
（1）根据不同结构进行分段编程，便于错误程序诊断；
（2）以清晰易懂的方式来展示基本的控制方法；
（3）提高维护、修改和扩展程序的效率；
（4）把复杂的控制程序划分为几个简单的子程序；
（5）降低编程的耗时；
（6）相同性能的程序组成部分可以互换；
（7）可单独开发各工艺任务的库函数，便于调用。
工业机器人大体上由主程序、后台程序和中断处理程序三部分组成。通过主程序的循环扫描来执行PLC系统指定的工艺程序；后台程序作为后台并行的处理程序，可用来处理与PLC系统交互的一些需要实时监控的信号，如判断电极是否需要修磨或更换；中断处理程序一般用于对程序运行错误的信号进行接收以触发系统中断。
5 总结与展望
本文对汽车焊装生产线设计过程中的工艺规划、仿真验证和系统设计做了简单的介绍，希望能够为焊装生产线的设计研究提供一些参考。目前在我国，自动化生产线设计往往依托技术人员的经验，仿真技术仍非常薄弱。机器人仿真技术的应用，是加快我国汽车自动化生产线革新的重要方法，也是我国工业机器人未来的发展方向。
参考文献
[1] 王亮，宋林森.白车身侧围焊装工艺规划分析[J].机械工程师，2016（6）：33-35.
[2] 马增辉. 轿车后轮罩总成焊接机器人工作站规划及仿真[D].长春：吉林大学，2012.
[3] RobCAD eM-Workplace[M].SIEMENS Corporation，2009.
[4] 王维刚. 智能化汽车焊接生产线设计和实现[D].济南：山东大学，2016.