德国汽车工业技术在一汽

GXF360 2017-12-30

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德国汽车工业技术在一汽-大众冲压车间的应用

文/唐士东，柳承峰，何伟·一汽-大众汽车有限公司

德国是现代汽车的发源地，是生产汽车历史最悠久的国家之一。自从1886年卡尔-本茨发明第一辆汽车至今，德国的汽车工业已经走过了131年的发展历程，其汽车工业技术处于世界领先地位，本文将介绍德国汽车工业技术在一汽-大众汽车有限公司成都分公司冲压车间中的应用以及成都分公司在此基础上开展的改进工作。

一汽-大众成都分公司冲压车间

一汽-大众汽车有限公司成都分公司冲压车间总占地面积近65000m2、建筑面积近68000m2，是按照德国康采恩集团“完美工厂”标准建设的全新现代化冲压车间。冲压车间从2009年5月奠基施工，共分三期建设，2014年5月开卷落料线通过终验收，实现了“5+1”的设备布局，5条自动化生产线、5台调试压机、1条开卷落料线（图1）。其中，德国米勒·万家顿调试压机4台、生产线4条；国产济二调试压机1台、生产线1条；德国舒勒开卷落料线1条。德国米勒·万家顿全自动化冲压生产线（图1）应用了VMT板料对中系统、KUKA机器人，舒勒开卷落料线采用了SIMOTION运动控制系统等德国先进技术。

图1 德国米勒·万家顿自动高速冲压线

德国先进技术的应用

VMT板料对中系统

冲压车间MW生产线为实现板料位置校正而采用VMT摄像对中系统技术，该技术利用先进的软硬件测量技术实现了零件的无接触测量、精确定位，位置容错范围大，并可实现对两个板料的位置确定。

VMT摄像对中系统的核心是一个具有学习功能的神经网络系统，它通过对检测标记点的特征模板进行学习，能够识别任意的特征标记或边缘特征；而系统内置各种亚像素级别的搜索识别算法，使得特征点的识别可以达到最佳精确度。操作人员可以通过不断增加该模板的特征点的方式，使系统达到很高的特征点识别率。尤其是当环境不稳定或图像背景变化时，通过简单的优化学习就能解决问题。

VMT对中系统的操作界面简洁直观、操作简单，一般操作人员只要1到2天的培训就可以掌握。VMT摄像对中系统作为自动控制系统的一个智能从站，运行稳定可靠。当出现异常时，可以利用过程数据和自带的辅助工具来对干扰进行分析，并排除干扰源。VMT摄像对中系统和VMT对中系统的操作界面如图2所示。

图2 VMT摄像对中系统和VMT对中系统的操作界面

拆垛KUKA机器人

生产线线首的板料拆垛工作主要由德国KUKA公司的四轴拆垛机器人来实现，其中每条生产线有两台KUKA机器人配合工作，其中一台KUKA机器人将板料从料垛小车抓起放到节拍皮带机上，另一台机器人与VMT对中系统配合，完成板料的位置校正，并将板料从节拍皮带机上转向90°放置在储料台上。

KUKA四轴拆垛机器人具备高精度、高速度、高可靠、高安全，同时兼顾柔性化生产等优异特点，可以在左右两个料垛车之间移动，上料时不会造成停台，确保了整线自动化生产的连续性。

拆垛机器人尤其是对中机器人，需要具有极高的重复定位精度，而KUKA机器人的重复精定位能实现±0.20mm。除抓放板料精准，KUKA机器人动作响应速度极快，可以实现14次/分钟的抓取速度。

实现以上指标的基础在于KUKA机器人的动作通过专用的伺服控制系统以及成熟可靠的机器传动结构实现，达到4轴的整体联动，具有较高的运动自由度。通过示教器编程或离线编程，KUKA机器人能够实现不同位置的动作，并可针对不同板料快速切换端拾器，并利用双料检测装置一起工作筛除不合格板料。

KUKA机器人自身的控制系统通过PROFIBUS总线连接到拆垛总控PLC系统，从而不止实现了对于PLC CPU的信号通讯，也实现了通过其他接口接入PLC的子系统通讯（如双料检测、真空检测以及对中系统等），使机器人实现了更为复杂的功能，保证了整个拆垛自动化功能系统的实现。而通过安全总线与PILZ安全PLC的连接也实现了整个系统高标准的安全监控。KUKA四轴拆垛机器人如图3所示。

西门子S120

西门子S120、S150系列变频器是西门子公司推出的全新的集成V/F、矢量控制及伺服控制的驱动控制系统。该系统不仅能控制普通的三相异步电动机，还能控制同步电机；在冲压车间，该类型变频器主要用于对压机单元飞轮驱动的三相交流异步电机的控制。

目前采用的是机柜型的S120、S150系列变频器，它们特别适合于搭配在动态响应、速度精确度、高频制动以及四象限运行方面有很高要求的变速驱动器上。

驱动系统采用独立的功率单元与控制单元，可有效进行配置，同时采用了节能设计，将轴的能量反馈回电网，即使在达到最高的供电能力时，也不会在控制柜内产生多余的热量。该系统的电源模块还具备防止电容性和电感性无功电流的功能，并确保了供电过程中不会出现多余的功率损耗，并消除了电流谐波。

S120/150驱动系统主要包括电源模块、滤波模块和功率模块等三部分组成，机柜采用内部风冷的方式来为IGBT散热；该类型变频器采用ProfiBus进行数据通信，将相关控制信号发送至西门子PLC，西门子PLC通过ProfiBus网络来控制该变频器，根据生产线设定的冲程次数，上位机控制功率模块输出一定频率的交变电流，从而实现了压机线不同冲程次数的生产任务。

Beckhoff在冲压车间的应用

冲压车间的生产线无论国外厂家（德国Schuler）和国内厂家（JIER），均采用高速化自动传输机械手在压机中间进行板料的传输，但传输机械手由于运动速度快，位置响应要求高，普通的PLC的CPU响应以及处理的时间已经无法满足需求，为实现该功能，生产线厂家均采用德国Beckhoff的自动化控制系统来实现。德国Beckhoff的自动化控制系统如图4所示。

Beckhoff自动化控制系统是由德国倍福公司与微软公司进行深度合作开发而成的，代表了未来PLC的趋势。整个控制系统的循环周期最快可以达到50微秒，区别于传统的BUS通讯，Beckhoff采用EtherCAT通讯总线，一网到底，每个模块都可以在线诊断，提供了更智能的解决方案。

图3 KUKA四轴拆垛机器人

图4 德国Beckhoff的自动化控制系统

传统的PLC都是由硬件组成，并需要外界的编程器进行编程开发，而Beckhoff开发的TwinCAT控制系统，正是基于了Windows界面开发，即使工控PC安装了TwinCAT软件后，也能成为可以控制外部逻辑的软PLC，这样的方式便于软件的编程与开发，以及后期的HMI的集成。并且安装后TwinCAT最多只占用PC CPU80%的使用率，剩下的20%，交给Windows系统，使整个配比是动态变化的，保证了操作系统与控制系统任务负荷的合理分配。

德国Schuler和中国JIER的TwinCAT控制方式各有不同，德国Schuler在程序应用上仅可以将程序源代码下载，并不开放程序，但是相应的诊断界面做的非常丰富与详细，方便指导维修人员的故障排查工作；而JIER厂家的TwinCAT程序为完全开放的模式，这样增加了维护的难度，但同时也开放了功能接口，方便扩展功能。

SIMOTION运动控制系统

开卷落料线将卷料通过开卷、切头、清洗、矫直、步进式送料、压机成形、堆垛生产工艺流程完成整个生产过程，在生产过程中，各个轴之间的同步精度对于整个生产尤为重要。如果把整个生产线设计实施比作描绘一条巨龙，那么解决控制问题就好比为这条龙注入灵魂的动力——点睛。该点睛之笔采用西门子提供的SIMOTION运动控制系统——开卷部分采用1台SIMOTION D445运动控制器，堆垛部分采用1台SIMOTION D435运动控制器、15台伺服同步电机。

开卷部分、堆垛部分和压机的控制系统进行实时的数据交换，送料系统读取压机主轴编码器数据，知道压机主轴的位置，实现轴同步，精准控制送料的连续性，提高生产效率。整个系统在功效、精度、节能多方面的整体性能各具独特之处。目前压机最高冲程次数可达每分钟105次，整线冲程次数目前最快的零件可达每分钟78次。

基于SIMOTION的堆垛系统可以实现停落功能，和以往的抛落形式相比，零件质量得以有效控制，有效遏制了板料边缘变形和料屑的问题。另外压机部分采用最先进的伺服技术和能量回收系统，西门子提供的ALM模块，可以在制动过程中对电机产生的三相交流电进行整流，并在检测到直流母线电压升高时将多余能量回馈给电网，供其他设备使用。该器件的能量反馈效率极高，电机制动期间由机械能转化成的电能几乎能够无损地返回电网，以此大大降低了整条生产线的综合能耗。

一汽-大众开展的改进工作

清洗机自动加油系统改造

由于冲压工艺特性，外表面制件板料需要清洗机进行清洗，可以将板料表面附着的灰尘、碎屑清洗干净，清洗过后的板料表面会残留一层油膜，可以起到成品制件防锈的作用。2016年初，因为清洗机清洗板料效果不好导致质量问题频发，严重制约了生产效率，同时质量不稳定也增加了返修人员的工作负荷，产生了“质量问题多→停台多→返修量大→工作负荷高→工作情绪低”的恶性循环。

一汽-大众汽车有限公司冲压车间借助黏度仪、油膜厚度仪等先进工具，结合业内公开发表的论文资料，经过3个月的数据收集、研究分析、模拟验证，最终发现引起制件质量不稳定的根本原因是由于清洗油的黏度变化造成的，清洗油的黏度与清洗油的液位有一定的对应关系。总结出了板料残油油膜厚度、清洗油黏度、清洗油液位的变化规律，以此实验数据为基础设计了一套清洗油在线自动加油系统，自主完成了硬件设计和软件开发，最终实现了清洗机智能“喝”油，不再依靠人工“喂”油，清洗油黏度、油膜厚度得到了有效控制。清洗机自动加油系统改造如图5所示。

图5 清洗机自动加油系统改造

开卷线托料杆滚轮改进

开卷落料线是将卷料生产为板料的设备，也是冲压制件质量控制的第一道防线。2016年年初，多种板料表面均出现了板料有包的质量缺陷，严重制约了生产效率。经过冲压车间研究分析，发现传输皮带上的金属滚轮是罪魁祸首，板料在传输过程中与金属滚轮有碰撞，从而产生了包的缺陷。通过与一汽-大众其他生产基地冲压车间的交流，发现这是设备的共性问题，设备设计上存在的固有缺陷，并决定从滚轮材质上进行改进。经过金属、橡胶、尼龙、滚毛等不同材质的实验，发现滚毛材质对质量影响最小。通过对毛刷滚轮进行测绘加工并试装测试，优化设备的参数和改进机械结构。经过两个月的跟踪观察，板料磕碰出包的问题彻底消除，并且滚轮从金属材质改为毛刷材质之后的维护成本也减少了5万/年，既解决了质量缺陷又节省了成本，改进效果显著。