車身焊裝線的機(jī)器人控制柜布局設(shè)計(jì)

伍佳　楊華

摘 要：通過分析機(jī)器人控制柜細(xì)化布局設(shè)計(jì)的時(shí)機(jī)、布置時(shí)的管線約束、空間要求、便利性要求，提升焊裝線布局設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效避免控制柜現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)電纜長(zhǎng)度不夠、控制柜占用物流通道、調(diào)試時(shí)不方便等問題，減少對(duì)影響項(xiàng)目周期和成本的不良影響。

關(guān)鍵詞：焊裝線 機(jī)器人控制柜 布局設(shè)計(jì)

Layout Design of Robot Control Cabinet in Body Welding Line

Wu Jia Yang Hua

Abstract：Through the analysis of detailed layout design timing ， pipeline constraints， space requirements， convenience requirements for robot control cabinet placement， to improve the quality of welding line layout design， which can effectively avoid problems such as insufficient cable length， occupying logistics channels， inconvenience in robot teaching， so as to avoid damage to the project schedule and cost.

Key words：welding line; robot controller cabinet;layout design

1 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，為了降低制造成本、提升質(zhì)量穩(wěn)定性，車身焊裝線大量使用工業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行焊接、搬運(yùn)、涂膠等操作。機(jī)器人焊裝線開發(fā)時(shí)，機(jī)器人位置需要滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和周邊設(shè)備的雙重約束，通常使用專用軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，目前焊裝線的機(jī)器人布局設(shè)計(jì)方法已得到廣泛研究[1]，而焊裝線上的機(jī)器人控制柜如何布置卻鮮有提及。機(jī)器人控制柜作為機(jī)器人最主要的附屬設(shè)備，一條焊裝線有數(shù)百臺(tái)機(jī)器人，也對(duì)應(yīng)著有數(shù)百臺(tái)機(jī)器人控制柜，不僅數(shù)量多、占用場(chǎng)地大，而且調(diào)試時(shí)使用頻繁。如果布局不合理，會(huì)對(duì)項(xiàng)目成本和周期、焊裝線場(chǎng)地占用、物流通道、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試便利性帶來較大不良影響。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包含機(jī)器人本體、末端工具、控制系統(tǒng)，如圖1。機(jī)器人本體就是機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，包含基座、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)單元等。機(jī)器人控制系統(tǒng)一般指常見的用于控制工業(yè)機(jī)器人的電氣系統(tǒng)[2]，一般集成到控制柜內(nèi)，由示教器、操作面板及主板、電池、電源單元、急停單元、伺服放大器、熱交換器等構(gòu)成，如圖2。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過精細(xì)復(fù)雜的算法[3]來控制機(jī)器人高精度、高速度運(yùn)動(dòng)[4]，機(jī)器人本體和控制系統(tǒng)之間通過動(dòng)力線和信號(hào)線連接。在機(jī)器人控制柜上還配備示教器，用于進(jìn)行機(jī)器人的手動(dòng)操縱、程序編寫、參數(shù)配置以及狀態(tài)監(jiān)控。

3 控制柜布局設(shè)計(jì)

3.1 控制柜布局設(shè)計(jì)的時(shí)機(jī)

車身焊裝線建設(shè)涉及多個(gè)區(qū)域，為了縮短項(xiàng)目周期，需要各區(qū)域并行開展工作，多區(qū)域協(xié)同工作的基準(zhǔn)之一是布局設(shè)計(jì)圖。在項(xiàng)目前期，提供多個(gè)大概的布局設(shè)計(jì)圖，各區(qū)域分別在此基礎(chǔ)上進(jìn)行成本和周期評(píng)估，進(jìn)行方案對(duì)比和選擇。方案確定后制定初版的布局設(shè)計(jì)圖，供各區(qū)域進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)和長(zhǎng)周期件采購。然后，再對(duì)布局設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)相關(guān)區(qū)域的輸入對(duì)布局設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，最終鎖定布局設(shè)計(jì)。

機(jī)器人布局設(shè)計(jì)是自動(dòng)化焊裝線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其位置需要嚴(yán)格進(jìn)行仿真驗(yàn)證才能確定。而機(jī)器人控制柜是機(jī)器人附屬設(shè)備，布置在圍欄外，位置要求相對(duì)靈活一些。再加上項(xiàng)目周期緊、設(shè)計(jì)工作量大時(shí)，機(jī)器人控制柜布局在項(xiàng)目早期往往容易被忽略，在布局細(xì)化設(shè)計(jì)階段才得以明確。此時(shí)，機(jī)器人的動(dòng)力電纜已經(jīng)提前采購，容易導(dǎo)致電纜長(zhǎng)度不足，需要重新采購，影響項(xiàng)目周期。應(yīng)該在確定方案后，進(jìn)行機(jī)器人布局設(shè)計(jì)同步進(jìn)行控制柜布局設(shè)計(jì)。另外，在集約型產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)，需要在方案對(duì)比階段就考慮控制柜布置，否則容易因?yàn)榭刂乒癯鲈ㄟ吔缇€，占用物流通道影響通行效率；或者需要新增空中鋼構(gòu)放置機(jī)器人控制柜，增加項(xiàng)目成本和周期。

3.2 管線約束

機(jī)器人控制柜和機(jī)器人本體之間有動(dòng)力電纜、編碼器電纜、剎車器電纜等管線連接，其中動(dòng)力電纜有規(guī)格限制。以Fanuc機(jī)器人為例，通常動(dòng)力電纜長(zhǎng)度有7m、14m兩種規(guī)格。受此約束，機(jī)器人與控制柜之間的距離不能大于動(dòng)力電纜長(zhǎng)度。為了避免意外損壞，生產(chǎn)線的管線統(tǒng)一布置在地面的槽式電纜橋架內(nèi)，橋架截面尺寸200mm*400mm。受到其它周邊設(shè)備的影響，通常橋架無法直線布置。以7m長(zhǎng)的動(dòng)力電纜為例，控制柜與機(jī)器人本體之間的直線距離需要控制在5m以內(nèi)，接近5m時(shí)就要詳細(xì)校核電纜長(zhǎng)度。

圖3為某工位布局設(shè)計(jì)，工位有4臺(tái)焊接機(jī)器人和1臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，右側(cè)有上件位置占用機(jī)器人控制柜布置空間，導(dǎo)致右下角的 R2機(jī)器人的控制柜無法就近布置，需要布置在左上角。雖然R2機(jī)器人控制柜與機(jī)器人本體直線距離為5.8m，但是因?yàn)闃蚣芾@行，各段橋架長(zhǎng)度為1.4m、4.1m、6.1m，實(shí)際管線長(zhǎng)度大于11.6m，需要選用14m的動(dòng)力電纜。如果沒有進(jìn)行控制柜細(xì)化布局設(shè)計(jì)，此處動(dòng)力電纜容易選成7m的，導(dǎo)致電纜長(zhǎng)度不足。

機(jī)器人的示教器平時(shí)放在控制柜上，在生產(chǎn)線調(diào)試階段需要經(jīng)常拿到機(jī)器人旁邊進(jìn)行機(jī)器人手動(dòng)操作和編程示教，在產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)時(shí)需要校核示教器與控制柜的電纜長(zhǎng)度。如果電纜長(zhǎng)度不夠，在機(jī)器人調(diào)試時(shí)調(diào)試人員無法手持示教器到達(dá)合適的觀察位置，影響調(diào)試效率，甚至存在較大安全隱患。Fanuc機(jī)器人的示教器電纜長(zhǎng)度有10m、20m兩種規(guī)格，一般選擇10m即可，如果動(dòng)力電纜選用14m的，則需要按照實(shí)際橋架測(cè)量示教器電纜長(zhǎng)度，確定是否使用20m的示教器電纜。

3.3 空間要求

機(jī)器人控制柜本身一般比較緊湊，如圖4為某型機(jī)器人控制柜，長(zhǎng)0.6m、寬0.47m、高0.5m。除了控制柜本身寬度外，還要留出控制柜的接線空間、維護(hù)空間。動(dòng)力電纜連接到控制后部，電纜較粗，彎曲半徑太小時(shí)容易損壞，控制柜后部與圍欄或者其它設(shè)備之間的距離不能小于0.4m。如果機(jī)器人控制柜布置在物流通道旁，需要增加防撞桿，最小安裝空間0.2m。為了節(jié)省空間，焊接控制器一般疊放到機(jī)器人控制柜頂部。而焊接控制器側(cè)面有冷卻水管占用空間，機(jī)器人控制柜也有接線，如圖5。因此兩個(gè)相鄰機(jī)器人控制柜的最小距離為0.4m左右。即一臺(tái)機(jī)器人控制柜的實(shí)際占地約為長(zhǎng)1m、寬1.2m。

另外，焊接機(jī)器人需要冷卻水，搬運(yùn)機(jī)器人或者帶換槍機(jī)構(gòu)的機(jī)器人需要壓縮空氣，因此多臺(tái)機(jī)器人控制柜并排布置時(shí)，需要留出水氣點(diǎn)的位置，水氣點(diǎn)實(shí)物如圖6。一般一個(gè)水氣點(diǎn)包含6組接口，需要留出1-2個(gè)作為備份或者預(yù)留，即每4-5臺(tái)機(jī)器人控制柜需要留出一個(gè)水氣位置，寬度約1.2m，如圖7。水氣點(diǎn)由土建和公用動(dòng)力部門負(fù)責(zé)施工，最好在項(xiàng)目前期規(guī)劃好水氣點(diǎn)位置，并預(yù)留足夠的空間，否則后期會(huì)產(chǎn)生大量的更改工作。

3.4 便利性要求

機(jī)器人控制柜的布置，需要考慮調(diào)試時(shí)的便利性。首先，在場(chǎng)地允許的情況下，盡量就近布置機(jī)器人控制柜。機(jī)器人控制柜操作面板上的按鈕開關(guān)有急停按鈕、報(bào)警解按鈕、啟動(dòng)按鈕、模式切換按鈕等。在調(diào)試階段，需要在控制柜操作面板上把機(jī)器人運(yùn)行模式切換到到T1或者T2狀態(tài)，再手持示教器到機(jī)器人本體附近進(jìn)行調(diào)試或者觀察。機(jī)器人與PLC有較多交互信號(hào)，在調(diào)試過程中不可避免產(chǎn)生報(bào)警信息，需要到控制上手動(dòng)解除報(bào)警。調(diào)試時(shí)需要在控制柜和機(jī)器人之間頻繁往返，距離太遠(yuǎn)會(huì)影響調(diào)試便利性，降低調(diào)試效率。如果調(diào)試時(shí)示教器電纜從安全門繞行不夠長(zhǎng)，也可以在圍欄上開小窗口把示教器傳遞到圍欄內(nèi)，縮短線纜繞行距離。

控制柜的布置順序要考慮生產(chǎn)線方向。如圖8的生產(chǎn)線方向是從右向左，工位號(hào)從右向左遞增，因此機(jī)器人控制柜編號(hào)也要從右向左遞增，即L2/R2機(jī)器人控制柜布置在L1/R1左側(cè)，這樣布置便于調(diào)試、故障響應(yīng)時(shí)快速找到對(duì)應(yīng)控制柜。

4 結(jié)論

車身焊裝線布局設(shè)計(jì)時(shí)，為避免出現(xiàn)重大偏差而影響方案可行性、項(xiàng)目周期和成本，對(duì)于機(jī)器人控制柜布局設(shè)計(jì)應(yīng)該給予足夠重視，盡早進(jìn)行控制柜的詳細(xì)布局設(shè)計(jì)。同時(shí)，控制柜布置需要考慮動(dòng)力電纜、示教器電纜長(zhǎng)度的約束，并給控制柜周邊留出管線及配套水氣點(diǎn)的空間。為了便于快速響應(yīng)，控制柜的布置順序盡量遵循按照產(chǎn)線方向編號(hào)遞增的方式。如此才能確保布局設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、機(jī)器人調(diào)試便利性，避免控制柜占用物流通道、線纜長(zhǎng)度不足需要重新采購等問題。

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