汽車螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究與行業(yè)影響

孫樹韜　劉洋　楊威

摘 要：汽車螺柱自動(dòng)焊接? 質(zhì)量受影響的因素較多，如板材尺寸變化、表面清潔度、焊接參數(shù)、焊接軌跡等均可能造成螺柱焊接不良，因此存在螺柱焊接開焊、內(nèi)部存在瑕疵的風(fēng)險(xiǎn)較大。2019年，根據(jù)大眾“康采恩質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”，汽車螺柱焊接檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)除三檢件時(shí)可利用力矩檢查外，其余零件只可用目視檢查，不允許使用橡膠錘敲擊螺柱。但目視檢查無(wú)法對(duì)存在問(wèn)題的螺柱準(zhǔn)確進(jìn)行檢測(cè)，也因此提高了汽車螺柱的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。本文以一汽-大眾汽車有限公司長(zhǎng)春生產(chǎn)焊裝二車間實(shí)際項(xiàng)目使用經(jīng)驗(yàn)，汽車螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在汽車制造業(yè)使用的應(yīng)用實(shí)例與分析研究，重點(diǎn)介紹汽車螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成、工作方案，尤其該系統(tǒng)對(duì)汽車制造行業(yè)產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。

關(guān)鍵詞：汽車螺柱焊接 螺柱質(zhì)量監(jiān)測(cè) 汽車制造業(yè)

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文作者所屬工作地為一汽-大眾汽車有限公司長(zhǎng)春生產(chǎn)焊裝二車間，焊裝二車間的自動(dòng)螺柱焊工位，由5套PLC控制8個(gè)自動(dòng)工位的27臺(tái)機(jī)器人，生產(chǎn)4個(gè)車型共計(jì)527個(gè)螺柱，螺柱焊接位置分為上表面區(qū)域和車身下表面區(qū)域，設(shè)立兩個(gè)檢查工位進(jìn)行檢查。

其中車身上表面區(qū)域螺柱是由3套PLC控制6個(gè)自動(dòng)工位19臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行焊接，跨越6個(gè)空中機(jī)械化區(qū)域，每個(gè)自動(dòng)工位生產(chǎn)4個(gè)車型共計(jì)269個(gè)螺柱，設(shè)立一個(gè)終檢工位。

車身車身下表面區(qū)域螺柱是由2套PLC控制2個(gè)自動(dòng)工位8臺(tái)機(jī)器人，需要重點(diǎn)說(shuō)明這兩個(gè)工位是由4個(gè)工作面的180度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)構(gòu)成，每個(gè)工位生產(chǎn)4個(gè)車型共計(jì)258個(gè)螺柱，設(shè)立一個(gè)終檢工位。

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案工作原理

整個(gè)焊接流程要求將527個(gè)螺柱焊接信息分別傳送到兩個(gè)終檢工位PLC中，通常情況下，PLC之間的信息傳遞都使用網(wǎng)關(guān)，但網(wǎng)關(guān)的缺點(diǎn)是傳遞信息量少，同時(shí)只能是相鄰的PLC之間進(jìn)行傳遞。

一汽-大眾汽車有限公司長(zhǎng)春生產(chǎn)焊裝二車間領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員、員工為解決這個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，創(chuàng)新性使用車身載碼體傳送螺柱信息。焊裝車間的每個(gè)加工的車身骨架（俗稱白車身）都有一個(gè)載碼體，車身載碼體承載著車身的車型、功能、配置等相關(guān)信息。在生產(chǎn)過(guò)程中，車身載碼體會(huì)固定在白車身上，跟隨車身共同前進(jìn)。

焊裝二車間使用的電子載碼體，具備可讀寫功能。載碼體內(nèi)部分為“UII讀寫”和“USER讀寫”等四個(gè)部分，前期制定方案將螺柱焊信息寫入“用戶寫入?yún)^(qū)域”， “用戶寫入?yún)^(qū)域”的存儲(chǔ)格式是64個(gè)字節(jié)（BYTE）512個(gè)位（BOOL），完全能夠滿足焊接信息存儲(chǔ)要求。目前“USER寫”這個(gè)部分在大眾集團(tuán)新電氣安裝標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有應(yīng)用。

機(jī)器人在焊接每一個(gè)螺柱前需要將螺柱編號(hào)信息發(fā)送給PLC，當(dāng)螺柱焊接出現(xiàn)焊接參數(shù)超差（包括焊接電壓、焊接電流、焊接時(shí)間、焊接能量、提升高度、熔池深度等超差）報(bào)警后，螺柱焊機(jī)將焊接質(zhì)量不合格報(bào)警信號(hào)發(fā)送機(jī)器人，機(jī)器人收到信息后發(fā)送給PLC。

當(dāng)PLC收到螺柱焊接質(zhì)量不合格報(bào)警信息后，將出現(xiàn)焊接質(zhì)量不合格報(bào)警的螺柱編號(hào)通過(guò)“RFID寫入命令”載碼體中指定的位置。車身到達(dá)終檢工位后，PLC通過(guò)“RFID讀取命令”取載碼體中“USER讀”部分的數(shù)據(jù)并在顯示屏上目視化，操作者根據(jù)目視化結(jié)果對(duì)出現(xiàn)焊接質(zhì)量不合格的螺柱進(jìn)行檢查。

1.2 螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能較多，重點(diǎn)突出以下六大功能的實(shí)現(xiàn)。

功能一：正確識(shí)別各車型，將車型在顯示屏進(jìn)行目視化展示;

功能二：系統(tǒng)對(duì)出現(xiàn)焊接質(zhì)量不合格的螺柱進(jìn)行目視化，不但要顯示螺柱型號(hào)，還需要顯示螺柱編號(hào)及在車身中的具體位置;

功能三：采用人機(jī)界面對(duì)相應(yīng)的車型、螺柱信息和位置進(jìn)行提示;

功能四：可以對(duì)螺柱焊接質(zhì)量不合格信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析查詢;

功能五：對(duì)焊接異常的報(bào)警螺柱進(jìn)行人工復(fù)檢，如確認(rèn)存在質(zhì)量缺陷將重新進(jìn)行焊接。

1.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程如下：

螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程如下：

第一步：螺柱焊機(jī)發(fā)送螺柱焊接故障信號(hào)給機(jī)器人;

第二步：機(jī)器人發(fā)送螺柱焊接故障信號(hào)給PLC;

第三步：PLC控制“RFID讀取命令”載碼體信息存儲(chǔ)到DB塊;

第四步：工作結(jié)束后，PLC將螺柱故障信息通過(guò)“RFID寫入命令”到載碼體;

第五步：載碼體跟隨車身進(jìn)入終檢工位;

第六步：PLC控制“RFID讀取命令”載碼體中螺柱信息存儲(chǔ)到DB塊中;

第七步：服務(wù)器讀取PLC中的DB塊信息目視化到顯示器上。

第八步：系統(tǒng)對(duì)螺柱焊接質(zhì)量不合格信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析查詢;

第九步：對(duì)焊接異常的報(bào)警螺柱進(jìn)行人工復(fù)檢，如確認(rèn)存在質(zhì)量缺陷將重新進(jìn)行焊接，見圖3。

2 車身上下表面區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

在汽車的車身骨架裸車生產(chǎn)過(guò)程中，整個(gè)車身螺柱總數(shù)量527個(gè)螺柱中，車身下表面區(qū)域螺柱數(shù)量占比例40%左右，上表面區(qū)域螺柱數(shù)量占比例60%左右。本文分別講解上下表面區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行模式。

2.1 車身上表面區(qū)域螺柱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)車身進(jìn)入第一套PLC的螺柱焊2工位后，PLC通過(guò)“RFID讀取命令”載碼體中的信息后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PLC的DB數(shù)據(jù)塊中，機(jī)器人焊接螺柱過(guò)程中如果出現(xiàn)螺柱焊接質(zhì)量不合格，PLC將修改DB數(shù)據(jù)塊中的相關(guān)信息，在螺柱焊2工位焊接結(jié)束后，PLC通過(guò)RFID將帶有本工位螺柱焊接信息的DB數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)寫入到載碼體中。請(qǐng)參照?qǐng)D2。

載碼體跟隨車身經(jīng)過(guò)空中機(jī)械化輸送裝置進(jìn)入第二套PLC的螺柱焊2工位，PLC使用同樣的方法，將帶有本工位螺柱焊接信息的DB數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)寫入到載碼體中，當(dāng)載碼體跟隨車身進(jìn)入終檢工位后，PLC通過(guò)RFID將讀取到的焊接質(zhì)量不合格螺柱信息通過(guò)顯示屏進(jìn)行目視化。

顯示屏上將顯示車型、車號(hào)和焊接質(zhì)量不合格螺柱的型號(hào)、編號(hào)、工位及機(jī)器人，當(dāng)沒(méi)有焊接質(zhì)量不合格螺柱時(shí)，只顯示車型、車號(hào)信息并且顏色為綠色。

當(dāng)有焊接質(zhì)量不合格螺柱時(shí)，顯示屏中顯示出現(xiàn)焊接質(zhì)量不合格的螺柱信息并且在車身圖示中有紅色原點(diǎn)標(biāo)注，同時(shí)車型、車號(hào)顯示為紅色，見圖4。

2.2 車身下表面區(qū)域螺柱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

相對(duì)于車身上表面區(qū)域，車身下表面區(qū)域的螺柱數(shù)量較多，焊接操作更加復(fù)雜，對(duì)螺柱焊接質(zhì)量的要求更嚴(yán)格。

2.2.1 車身下表面區(qū)域螺柱檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程

車身下表面區(qū)域螺柱焊工位是由V01面夾具組和V02面夾具組在一個(gè)180度翻轉(zhuǎn)的大型轉(zhuǎn)鼓上，本工位只有一個(gè)“RFID讀取命令”，位置在工位下面。

當(dāng)?shù)谝慌_(tái)車身進(jìn)入地面PLC1螺柱焊工位后，PLC通過(guò)“RFID讀取命令”載碼體中的信息后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PLC的DB數(shù)據(jù)塊中，這個(gè)DB數(shù)據(jù)塊是V02面夾具組單獨(dú)使用，以下簡(jiǎn)稱DB_V02。載碼體數(shù)據(jù)成功讀取車型后，工位轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行180度旋轉(zhuǎn)，這時(shí)V02面夾具組在工位上面，V01夾具組在工位下面，機(jī)器人進(jìn)入V02面夾具組進(jìn)行螺柱焊接并且將焊接質(zhì)量不合格螺柱信息寫入DB_V02數(shù)據(jù)塊。

同時(shí)第二臺(tái)車身進(jìn)入地面PLC1螺柱焊工位后，PLC通過(guò)“RFID讀取命令”載碼體中的信息后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PLC的DB數(shù)據(jù)塊中，這個(gè)DB數(shù)據(jù)塊是V01面夾具組單獨(dú)使用，以下簡(jiǎn)稱DB_V01。

V02面夾具組焊接結(jié)束，V01面車身進(jìn)入結(jié)束后，轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行180度翻轉(zhuǎn)，V02面重新回到工位下面，V01面夾具組回到上面，機(jī)器人進(jìn)入V01面夾具組進(jìn)行螺柱焊接并且將焊接質(zhì)量不合格螺柱信息寫入DB_V01數(shù)據(jù)塊。

第一臺(tái)車在離開工位前，將DB_V02數(shù)據(jù)塊內(nèi)容寫入到本工位共用數(shù)據(jù)塊DB中，PLC通過(guò)RFID執(zhí)行寫命令，將DB塊中的信息寫入到載碼體中。

綜上所述，當(dāng)?shù)诙_(tái)車在離開工位前，將DB_V01數(shù)據(jù)塊內(nèi)容寫入到本工位共用數(shù)據(jù)塊DB中，PLC通過(guò)RFID執(zhí)行寫命令，將DB塊中的信息寫入到載碼體中。

當(dāng)載碼體跟隨車身進(jìn)入終檢工位后，PLC通過(guò)RFID將讀取到的焊接質(zhì)量不合格螺柱信息通過(guò)顯示屏進(jìn)行目視化，顯示屏上將顯示車型、車號(hào)和焊接質(zhì)量不合格螺柱的型號(hào)、編號(hào)、工位及機(jī)器人，當(dāng)有焊接質(zhì)量不合格螺柱時(shí)，顯示出現(xiàn)焊接質(zhì)量不合格的螺柱信息并且在車身圖示中有紅色原點(diǎn)標(biāo)注，同時(shí)車型、車號(hào)顯示為紅色。當(dāng)沒(méi)有焊接質(zhì)量不合格螺柱時(shí)，只顯示車型、車號(hào)信息并且顏色為綠色。

3 螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)汽車制造行業(yè)的影響

螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但破解了人工檢測(cè)、目視檢測(cè)螺柱質(zhì)量存在的不準(zhǔn)確性，提高了螺柱焊接質(zhì)量檢測(cè)的精確度，也對(duì)汽車制造業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)汽車制造行業(yè)的影響如下：

（1）微觀上講，螺柱焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)螺柱焊接質(zhì)量提高了保障，螺柱在汽車行業(yè)制造中涉及諸多維度應(yīng)用，例：線速的固定、零部件安裝等。螺柱強(qiáng)度得到更高標(biāo)準(zhǔn)的保障就是對(duì)產(chǎn)品以及產(chǎn)品生命周期內(nèi)質(zhì)量的更高標(biāo)準(zhǔn)的保障。

（2）宏觀上講，通過(guò)載碼體方式的生產(chǎn)信息傳遞方式，對(duì)汽車生產(chǎn)模式影響巨大，這是一個(gè)平臺(tái)性的技術(shù)革新，日后可橫向拓展，打破以往生產(chǎn)信息傳遞受限制的局面，即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息跨工藝鏈條的超遠(yuǎn)傳遞、隨車身傳遞（作用相當(dāng)?shù)诙矸葑C的意義，可在身份證內(nèi)隨時(shí)寫、讀可變信息且對(duì)應(yīng)每個(gè)個(gè)體）汽車生產(chǎn)的起始工位信息可直接在終點(diǎn)讀取并伴有數(shù)據(jù)庫(kù)功能，可宮查詢、留存、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析使用。

（3）從制造模式上講，由大量的人工100%檢查變更為數(shù)字化的有針對(duì)性的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式檢查，帶來(lái)諸多優(yōu)點(diǎn)：

第一、降低人工操作工時(shí)節(jié)約人員;

第二、減少螺柱焊接生產(chǎn)成本;

第三、質(zhì)量更加穩(wěn)定（人工識(shí)別存在誤檢或漏檢，且標(biāo)準(zhǔn)因每個(gè)人理解不同而不同）;

第四、建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)以往數(shù)據(jù)可追述。

數(shù)字化生產(chǎn)是未來(lái)生產(chǎn)模式主流，在人員優(yōu)化、精益質(zhì)量控制、大數(shù)據(jù)等維度都有極其客觀的優(yōu)勢(shì)。本文主要思想是以數(shù)字化生產(chǎn)為背景，通過(guò)一系列設(shè)備改進(jìn)達(dá)到由原來(lái)簡(jiǎn)陋的人工生產(chǎn)模式升級(jí)為數(shù)字化生產(chǎn)模式，汽車制造過(guò)程中進(jìn)行技術(shù)革新，使用了新的監(jiān)測(cè)信息傳遞方式，并在螺柱焊接自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面在此得以應(yīng)用。

注：此項(xiàng)目中使用的RFID是SICK公司產(chǎn)品。