周克良，曹茂虎，聶 磊

（江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，江西贛州341000）

基于PLC的轎車機艙焊接電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

周克良，曹茂虎，聶 磊

（江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，江西贛州341000）

根據(jù)某轎車制造廠焊裝車間機艙區(qū)域生產(chǎn)現(xiàn)狀和工藝特點，為實現(xiàn)焊接流水線的自動流轉(zhuǎn)和各焊接工位電氣控制與ABB焊接機器人的協(xié)調(diào)配合，設(shè)計出一套基于西門子S7-300 PLC的自動焊接電氣控制系統(tǒng)，使轎車機艙的焊接過程通過若干個流水線焊接工位逐步完成.采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)焊接機器人和PLC電控系統(tǒng)的實時通訊，以觸摸屏作為PLC的上位機，通過WinCC flexible軟件對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控.經(jīng)調(diào)試運行，該系統(tǒng)自動運行穩(wěn)定，焊接位置精確，不合格件比率降至2%，同時生產(chǎn)節(jié)拍提高了28%，平均日產(chǎn)量達(dá)到180件.

機艙；自動焊接；PLC；Profibus-DP；組態(tài)監(jiān)控

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平的提高，轎車普及程度越來越高.由于市場競爭日益激烈，提高汽車質(zhì)量成為各大轎車制造廠的當(dāng)務(wù)之急[1]，作為汽車制造過程中的重要環(huán)節(jié)，焊裝質(zhì)量不容忽視.目前國內(nèi)大部分汽車制造廠焊裝車間采用的還是以人工為主的傳統(tǒng)焊接方式[2].一方面焊接時由于要融化金屬焊絲，所以高溫下會產(chǎn)生很多有毒氣體，焊接點處會產(chǎn)生強光，對人體健康危害大，而且焊點精確度不高；另一方面焊接機器人可以創(chuàng)造的價

值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雇傭焊工，焊接機器人不但可以大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平，還可以保證提高并長時間保證焊縫質(zhì)量處于統(tǒng)一水平，次品率大大低于人工焊接[3]；所以企業(yè)希望盡量擺脫對專門人員的依賴，采用自動化機器設(shè)備來保證產(chǎn)品質(zhì)量及效率[4].

PLC以其強大的功能、高可靠性、編程靈活等特點在汽車焊裝生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用[5]，為改善傳統(tǒng)焊接方式存在的諸多缺陷，我們設(shè)計出了一套以西門子S7-300系列PLC為核心控制器，以西門子觸摸屏為上位機，以ABB機器人為焊接執(zhí)行器的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了轎車機艙的全自動流水焊接，大大提高了生產(chǎn)效率.目前該系統(tǒng)已在某SUV車型焊裝車間生產(chǎn)線上投入使用，整體運行效果良好.

1 系統(tǒng)工藝流程

轎車機艙由左右縱梁、前圍、前圍橫梁、前地板等部件組合焊接而成.為了滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)節(jié)拍要求，將焊接過程分為7個流水工位，由14臺機器人完成.每個工位獨立完成一定的焊接工藝，各工位的焊接時間平均分配在3 min左右.當(dāng)每個工位既定工序完成，輸送小車被頂升氣缸頂升，在往復(fù)桿的帶動下向前移動，運行至下一工位，頂升氣缸下降放下工件，小車后退至原來工位，等待下一次頂升前進(jìn)，如此沿著流水線“步進(jìn)式”焊接，直至整個機艙件焊接完成，圖1為流水線焊接工藝圖.

圖1中A、B為左右縱梁上件處，1#機器人根據(jù)其后的工件架需要抓取縱梁（工件架上裝有工件檢測傳感器），抓取縱梁后進(jìn)行弧焊和二保焊，焊接完成后放在其后的工件架101上.2#機器人緊接著抓取該工件進(jìn)行螺柱焊，過程與1#機器人類似.自3#、4#機器人開始，各工位開始有各自的輸送小車和隨行回擺，以便完成流水線自動焊接工藝過程.C為前圍橫梁上件處，ER10工位將左右縱梁焊接件與前圍橫梁組合焊接起來，為加快生產(chǎn)節(jié)拍，將ER20工位作為ER10工位的補焊工位.后續(xù)工位雖然工藝不相同，但控制方法類似.其中D為前圍上件處，E為前地板上件處，F(xiàn)為焊接完成的機艙件輸送升降機.

圖1 機艙流水線工藝圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)選用西門子S7 315F-2DP/PN為系統(tǒng)控制器，觸摸屏作為上位機進(jìn)行各工位I/O狀態(tài)監(jiān)控和故障實時報警[6]，同時還可以進(jìn)行流水線運行模式選擇和部分手動控制，系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示.

對于輸入輸出信號，有兩種控制方式，一種通過硬接線方式將I/O信號連接至中間繼電器進(jìn)行中轉(zhuǎn)和電氣隔離；另一種通過Profibus-DP通訊方式將現(xiàn)場輸入信號連至ECO（智能傳感器模組），將輸出信號通過閥島（支持Profibus通訊的電磁閥模組）控制工位夾具氣缸活動.相比之下，后者可以減少大量硬接線，節(jié)約控制柜I/O模塊，減少部分硬件成本.往復(fù)桿運行電機在變頻器的控制下可運行在低速、中速、高速模式，分別用于手動、自動和無工件模擬運行.安全模塊的信號擁有最高中斷優(yōu)先級，常用于現(xiàn)場安全性要求較高處，如急停按鈕、線體安全門插銷和安全光柵，這些信號在程序中通常選取常閉觸點，當(dāng)條件被觸發(fā)，整個線體停止，從而保證人員和設(shè)備的安全.焊接機器人的控制器與焊接生產(chǎn)線上的控制相對獨立，兩者之間的通訊是確保焊接機器人及整個生產(chǎn)線正常工

作的關(guān)鍵[7].ABB機器人作為焊接過程的終端執(zhí)行器，它和PLC之間也建立了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信，通過機器人示教器可以標(biāo)定工件的焊點坐標(biāo)并設(shè)定移動軌跡，從而保證焊接位置的精確和統(tǒng)一.

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以分兩層：上層的工業(yè)以太網(wǎng)和下層的Profibus-DP網(wǎng).以太網(wǎng)主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸速度要求高的場合[8]；Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)適用于工業(yè)現(xiàn)場級數(shù)據(jù)傳輸，這類數(shù)據(jù)對傳輸速度要求相對較低，但可靠性要求很高[9].系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信如圖3所示，其中以太網(wǎng)用于新線與老線CPU間的數(shù)據(jù)傳遞，同時實現(xiàn)和上層MES系統(tǒng)對接，其中工控機用于中央控制室的遠(yuǎn)程監(jiān)控，Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)用于CPU主站與各遠(yuǎn)程從站之間的數(shù)據(jù)通信.

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)控制流程

生產(chǎn)線可以根據(jù)需要生產(chǎn)左舵車型和右舵車型，不同車型焊點坐標(biāo)不同，焊槍的運行軌跡也有所差異，為此，編寫了兩套不同的子程序?qū)?yīng)兩種車型.通過選擇開關(guān)和觸摸屏選定車型后，車型信息在機器人開始工作時由PLC傳送給機器人，機器人根據(jù)選擇調(diào)用左右舵車型程序.根據(jù)結(jié)構(gòu)化編程思想，在獲取機器人工作狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，

通過基本指令編寫具有特定功能的自定義程序塊（FB或FC）[10]，例如機器人的焊接過程可以分解為若干個步序——抓件、放件、取焊槍、焊接、抓手離開等，對應(yīng)每個步序，在STEP 7中可以編寫統(tǒng)一的FC功能(JOB塊)，系統(tǒng)總體控制流程如圖4所示，JOB塊的程序流程如圖5所示.

圖4 系統(tǒng)總體控制流程圖

3.2 組態(tài)界面設(shè)計

人機界面模塊是人機交互的聯(lián)系紐帶[11]，WinCC flexible是西門子新一代觸摸屏組態(tài)軟件，具有開放簡易的擴展功能，可以與STEP 7集成在一起[12].它集數(shù)據(jù)顯示、報表顯示和報警顯示等于一體，同時可以方便快捷的向工業(yè)現(xiàn)場發(fā)布控制命令，實現(xiàn)實時控制的功能[13].設(shè)計選用西門子64色彩屏觸摸屏MP 377 12″，它采用24 DC供電，支持Profibus-DP通信.

1）主監(jiān)控畫面．主畫面提供各個子畫面間的切換選擇，在正常生產(chǎn)時可以方便的觀察機艙件焊接過程中各工位狀態(tài)變化和所需數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對流水線的實時在線監(jiān)控，同時在停線檢修時提供維修操作功能，保護人員安全.觸摸屏主界面如圖6所示，系統(tǒng)包括11個子畫面，主界面上兼有維修模式、急?？倧?fù)位、產(chǎn)量統(tǒng)計和手動清零.維修模式用于流水線檢修時部分工位的手動控制，為確保人身安全，該手動操作是受限制的.

圖5 JOB程序流程圖

圖6 HMI主界面

2）往復(fù)桿監(jiān)控界面．往復(fù)桿上各工位輸送小車頂升狀態(tài)和回擺位置，變頻器上電狀態(tài)、手動運行控制功能、運行頻率，往復(fù)桿運行時間等信息都集中在往復(fù)桿監(jiān)控界面.圖7所示即為往復(fù)桿監(jiān)控界面.

圖7 往復(fù)桿監(jiān)控界面

4 結(jié)束語

系統(tǒng)根據(jù)轎車機艙的焊接工藝過程及控制要求，設(shè)計了一套以西門子S7-300系列PLC為控制器的自動焊車系統(tǒng).該系統(tǒng)取代了以人工為主的傳統(tǒng)焊接方式，節(jié)省人力成本近70%，生產(chǎn)節(jié)拍由改造前的180 s提高至140 s，機艙焊接件不合格比率由9%下降至2%.通過近兩個月的調(diào)試運行，生產(chǎn)線日平均產(chǎn)量能夠達(dá)到180件，完全能夠滿足該汽車廠的生產(chǎn)計劃.

[1]王元勛，何可敬.車身焊裝生產(chǎn)線焊裝主線設(shè)計研究[J].中國機械工程,2001,12(11):1248-1250.

[2]程世玉，杜華，孫余強.焊接機器人系統(tǒng)在汽車底盤焊接中的應(yīng)用[C].上海：2003汽車焊接國際論壇，2003.

[3]周潔﹒4自由度直角坐標(biāo)焊接機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[D]﹒哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[4]王昆峰﹒液壓支架焊接機器人本體和控制系統(tǒng)研究[D]﹒西安：西安科技大學(xué)，2008.

[5]徐祥兵﹒基于PLC的汽車車門焊接機器人控制研究[J]﹒鑄造技術(shù)，2013，34（9）：1222-1224.

[6]陳章平，楊澤，沈國宇.西門子S7-300/400 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[7]薛龍，焦向東，蔣力培﹒基于S7-200型PLC焊接機器人的研制[J]﹒低壓電器，2002（2）：36-38.

[8]崔堅，李佳，楊光﹒西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南（下）[M]﹒北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[9]崔堅，李佳﹒西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南（上）[M]﹒北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[10]歐元賢，劉旺玉﹒用PLC實現(xiàn)對焊接機器人的控制[J]﹒機械與電子，2004（12）：70-72.

[11]蘭春良﹒焊接機器人的本體設(shè)計及其精度分析[D]﹒秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

[12]廖常初，陳曉東.西門子人機界面（觸摸屏）組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[13]王志剛，虎恩典，王寧.PLC和觸摸屏在活性炭混捏成型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2013,35(12): 12-15.

Electrical control system design of car’s engine room welding based on PLC

ZHOU Keliang,CAO Maohu,NIE Lei
(School of Electrical Engineering and Automation,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

According to the production status of engine room and the craftwork characteristics of car’s manufactory welding shop,and in order to realize automatic operating welding assembly line and to coordinate work with ABB welding robot,a set of automatic welding electrical control system based on PLC has been designed,then the welding procedure of engine room workpiece could be completed step by step.In this system,real-time communication of robots and PLC control system is complied by Profibus-DP network,using touch screen as host computer of PLC,system configuration and monitoring is finished by WinCC flexible software.After debugging,it has proved that the system can operate steadily,and more accurate welding point position could be achieved.As a result,the inferior rate declined to 2 percent and the production circle time increased 28 percent,the average daily output reached 180 pieces.

engine room;automatic welding;PLC;Profibus-DP;configuration monitoring

TP29

A

2014-06-06

江西省教育廳科技資助項目（GJJ13429）

周克良（1963-），男，教授，主要從事過程控制等方面的研究，E-mail:1214780904@qq.com.

2095-3046(2014)05-0051-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.05.010