伍佳　杨华

摘 要：通过分析机器人控制柜细化布局设计的时机、布置时的管线约束、空间要求、便利性要求，提升焊装线布局设计质量，有效避免控制柜现场布置时电缆长度不够、控制柜占用物流通道、调试时不方便等问题，减少对影响项目周期和成本的不良影响。

关键词：焊装线 机器人控制柜 布局设计

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

隨着汽车产业竞争加剧，为了降低制造成本、提升质量稳定性，车身焊装线大量使用工业机器人代替人工进行焊接、搬运、涂胶等操作。机器人焊装线开发时，机器人位置需要满足机器人运动学和周边设备的双重约束，通常使用专用软件进行仿真验证，目前焊装线的机器人布局设计方法已得到广泛研究[1]，而焊装线上的机器人控制柜如何布置却鲜有提及。机器人控制柜作为机器人最主要的附属设备，一条焊装线有数百台机器人，也对应着有数百台机器人控制柜，不仅数量多、占用场地大，而且调试时使用频繁。如果布局不合理，会对项目成本和周期、焊装线场地占用、物流通道、现场调试便利性带来较大不良影响。

2 机器人控制系统

工业机器人系统包含机器人本体、末端工具、控制系统，如图1。机器人本体就是机械结构部分，包含基座、执行机构、驱动单元等。机器人控制系统一般指常见的用于控制工业机器人的电气系统[2]，一般集成到控制柜内，由示教器、操作面板及主板、电池、电源单元、急停单元、伺服放大器、热交换器等构成，如图2。机器人控制系统通过精细复杂的算法[3]来控制机器人高精度、高速度运动[4]，机器人本体和控制系统之间通过动力线和信号线连接。在机器人控制柜上还配备示教器，用于进行机器人的手动操纵、程序编写、参数配置以及状态监控。

3 控制柜布局设计

3.1 控制柜布局设计的时机

车身焊装线建设涉及多个区域，为了缩短项目周期，需要各区域并行开展工作，多区域协同工作的基准之一是布局设计图。在项目前期，提供多个大概的布局设计图，各区域分别在此基础上进行成本和周期评估，进行方案对比和选择。方案确定后制定初版的布局设计图，供各区域进行细化设计和长周期件采购。然后，再对布局设计进行细化设计，并根据相关区域的输入对布局设计进行调整，最终锁定布局设计。

机器人布局设计是自动化焊装线设计的重点，其位置需要严格进行仿真验证才能确定。而机器人控制柜是机器人附属设备，布置在围栏外，位置要求相对灵活一些。再加上项目周期紧、设计工作量大时，机器人控制柜布局在项目早期往往容易被忽略，在布局细化设计阶段才得以明确。此时，机器人的动力电缆已经提前采购，容易导致电缆长度不足，需要重新采购，影响项目周期。应该在确定方案后，进行机器人布局设计同步进行控制柜布局设计。另外，在集约型产线设计时，需要在方案对比阶段就考虑控制柜布置，否则容易因为控制柜超出原定边界线，占用物流通道影响通行效率；或者需要新增空中钢构放置机器人控制柜，增加项目成本和周期。

3.2 管线约束

机器人控制柜和机器人本体之间有动力电缆、编码器电缆、刹车器电缆等管线连接，其中动力电缆有规格限制。以Fanuc机器人为例，通常动力电缆长度有7m、14m两种规格。受此约束，机器人与控制柜之间的距离不能大于动力电缆长度。为了避免意外损坏，生产线的管线统一布置在地面的槽式电缆桥架内，桥架截面尺寸200mm*400mm。受到其它周边设备的影响，通常桥架无法直线布置。以7m长的动力电缆为例，控制柜与机器人本体之间的直线距离需要控制在5m以内，接近5m时就要详细校核电缆长度。

图3为某工位布局设计，工位有4台焊接机器人和1台搬运机器人，右侧有上件位置占用机器人控制柜布置空间，导致右下角的 R2机器人的控制柜无法就近布置，需要布置在左上角。虽然R2机器人控制柜与机器人本体直线距离为5.8m，但是因为桥架绕行，各段桥架长度为1.4m、4.1m、6.1m，实际管线长度大于11.6m，需要选用14m的动力电缆。如果没有进行控制柜细化布局设计，此处动力电缆容易选成7m的，导致电缆长度不足。

机器人的示教器平时放在控制柜上，在生产线调试阶段需要经常拿到机器人旁边进行机器人手动操作和编程示教，在产线布局设计时需要校核示教器与控制柜的电缆长度。如果电缆长度不够，在机器人调试时调试人员无法手持示教器到达合适的观察位置，影响调试效率，甚至存在较大安全隐患。Fanuc机器人的示教器电缆长度有10m、20m两种规格，一般选择10m即可，如果动力电缆选用14m的，则需要按照实际桥架测量示教器电缆长度，确定是否使用20m的示教器电缆。

3.3 空间要求

机器人控制柜本身一般比较紧凑，如图4为某型机器人控制柜，长0.6m、宽0.47m、高0.5m。除了控制柜本身宽度外，还要留出控制柜的接线空间、维护空间。动力电缆连接到控制后部，电缆较粗，弯曲半径太小时容易损坏，控制柜后部与围栏或者其它设备之间的距离不能小于0.4m。如果机器人控制柜布置在物流通道旁，需要增加防撞杆，最小安装空间0.2m。为了节省空间，焊接控制器一般叠放到机器人控制柜顶部。而焊接控制器侧面有冷却水管占用空间，机器人控制柜也有接线，如图5。因此两个相邻机器人控制柜的最小距离为0.4m左右。即一台机器人控制柜的实际占地约为长1m、宽1.2m。

另外，焊接机器人需要冷却水，搬运机器人或者带换枪机构的机器人需要压缩空气，因此多台机器人控制柜并排布置时，需要留出水气点的位置，水气点实物如图6。一般一个水气点包含6组接口，需要留出1-2个作为备份或者预留，即每4-5台机器人控制柜需要留出一个水气位置，宽度约1.2m，如图7。水气点由土建和公用动力部门负责施工，最好在项目前期规划好水气点位置，并预留足够的空间，否则后期会产生大量的更改工作。

3.4 便利性要求

机器人控制柜的布置，需要考虑调试时的便利性。首先，在场地允许的情况下，尽量就近布置机器人控制柜。机器人控制柜操作面板上的按钮开关有急停按钮、报警解按钮、启动按钮、模式切换按钮等。在调试阶段，需要在控制柜操作面板上把机器人运行模式切换到到T1或者T2状态，再手持示教器到机器人本体附近进行调试或者观察。机器人与PLC有较多交互信号，在调试过程中不可避免产生报警信息，需要到控制上手动解除报警。调试时需要在控制柜和机器人之间频繁往返，距离太远会影響调试便利性，降低调试效率。如果调试时示教器电缆从安全门绕行不够长，也可以在围栏上开小窗口把示教器传递到围栏内，缩短线缆绕行距离。

控制柜的布置顺序要考虑生产线方向。如图8的生产线方向是从右向左，工位号从右向左递增，因此机器人控制柜编号也要从右向左递增，即L2/R2机器人控制柜布置在L1/R1左侧，这样布置便于调试、故障响应时快速找到对应控制柜。

4 结论

车身焊装线布局设计时，为避免出现重大偏差而影响方案可行性、项目周期和成本，对于机器人控制柜布局设计应该给予足够重视，尽早进行控制柜的详细布局设计。同时，控制柜布置需要考虑动力电缆、示教器电缆长度的约束，并给控制柜周边留出管线及配套水气点的空间。为了便于快速响应，控制柜的布置顺序尽量遵循按照产线方向编号递增的方式。如此才能确保布局设计的准确性、机器人调试便利性，避免控制柜占用物流通道、线缆长度不足需要重新采购等问题。

参考文献：

[1]郑宏良，覃鑫.车身焊装生产线机器人布局设计[J].科技创新导报，2014，11（31）：8-9.

[2]陈威，张展鸿，邓汝炬，冯奕强.机器人控制系统在整车焊装车间的扩展应用[J].汽车实用技术，2021，46（06）：120-123.

[3]王玉婷.工业机器人运动控制系统设计研究[J].微型电脑应用，2020，36（10）：86-88.

[4]林立，秦芳清，陈玮，陈鸿蔚，陈红专，万炳呈.工业机器人伺服控制系统建模及仿真[J].邵阳学院学报（自然科学版），2019，16（06）：25-32.