基于PLC的汽車副車架焊接系統(tǒng)的研制

藍(lán)偉銘 李楊

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 廣西 柳州 545005)

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基于PLC的汽車副車架焊接系統(tǒng)的研制

藍(lán)偉銘 李楊

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 廣西 柳州 545005)

針對(duì)當(dāng)前汽車副車架的焊接由手工或半手工焊接而導(dǎo)致的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了某款汽車副車架自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)，并論述了硬件選型，PLC控制程序設(shè)計(jì)的思路、步驟以及各功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí)還使用了PLC與觸摸屏一體的HMC設(shè)計(jì)了監(jiān)控界面,該界面可以將PLC數(shù)據(jù)與監(jiān)控界面進(jìn)行對(duì)接，有效地簡(jiǎn)化系統(tǒng)程序及實(shí)時(shí)修改參數(shù)從而提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車副車架的自動(dòng)焊接，經(jīng)過工程實(shí)踐該系統(tǒng)完全達(dá)到功能要求。

汽車副車架；點(diǎn)焊；伺服；PLC；觸摸屏

0 引言

近年來，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，汽車的產(chǎn)銷量連年上升，尤其是某微型車的市場(chǎng)占有率穩(wěn)居世界前列，隨著國(guó)家引進(jìn)的技術(shù)和國(guó)內(nèi)研發(fā)的自動(dòng)化產(chǎn)品逐漸成熟后，對(duì)于汽車零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。在對(duì)柳州汽車零配套部件企業(yè)當(dāng)前的自動(dòng)化設(shè)備及工藝的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)目前某款車型副車架在進(jìn)行焊接加工中使用傳統(tǒng)的手工焊接方式造成的焊點(diǎn)質(zhì)量問題，以及焊接效率低的現(xiàn)實(shí)情況，采用可編程序控制器作為控制核心，研發(fā)一套適用于副車架的自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)來代替人工焊接。

汽車副車架是汽車的重要組成部件，它對(duì)于汽車的安全行駛來說至關(guān)重要。副車架是組成前后車橋骨架的一部分。其主要作用是支撐前后車橋及懸掛支架，通常稱之為“副車架”。副車架的另一個(gè)作用是減少車輛的噪聲與振動(dòng)，同時(shí)還可以提高懸掛系統(tǒng)的剛度。

1 人工焊接的弊端

由于人工焊接存在著很多主觀的因素，比如員工的素質(zhì)，員工容易受到自身和外來的影響，導(dǎo)致焊接的工藝存在差異。眾所周知，焊接會(huì)有一定的危險(xiǎn)性和焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒的氣體，導(dǎo)致如今較少人愿意從事焊接工這份工作。企業(yè)流失的焊接工不在少數(shù)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊接工緊缺的情況。在板件焊接過程中，焊接件行程不長(zhǎng)，一般在800-1 000 mm范圍內(nèi)，焊接工在焊接一定時(shí)間后，由于體力消耗過大，不能保證每個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍都能一致，企業(yè)監(jiān)控相對(duì)較難。所以，焊接速度需要在生產(chǎn)節(jié)拍的要求下進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)才能使得產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率都能得到保證。此外，焊接件工裝以往在設(shè)計(jì)初就作為類似組合機(jī)床來進(jìn)行設(shè)計(jì)，工裝位置固定，對(duì)焊接件的要求單一，沒有靈活的柔性生產(chǎn)，這也限制了單臺(tái)設(shè)備的效率。

2 自動(dòng)焊接系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)思路

整體副車架是由1序和2序兩道工序按照順序完成，本工序?yàn)檎麄€(gè)副車架自動(dòng)焊接系統(tǒng)的第一道工序，副車架1序工藝由三個(gè)拼焊件組焊而成，此工序的工藝將會(huì)影響整體副車架的后期制作質(zhì)量。副車架自動(dòng)焊接系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 副車架系統(tǒng)數(shù)模圖

當(dāng)前的工藝采用純?nèi)斯ず附臃绞?，每件焊接件需要兩個(gè)工人進(jìn)行焊接，平均工時(shí)為75 s。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用當(dāng)前較為流行的伺服技術(shù)來實(shí)現(xiàn)代替人工的焊點(diǎn)定位，采用滾珠絲桿滑臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行XY軸定位，快速性和準(zhǔn)確性大為提高，尤其是在保證焊接節(jié)拍上可以達(dá)到廠方要求焊接總體功能要求，焊接總體功能要求如下：

(1)完成焊接件的前8個(gè)焊點(diǎn)、后8個(gè)焊點(diǎn)、左弧面3個(gè)焊點(diǎn)、右弧面3個(gè)焊點(diǎn)的點(diǎn)焊；

(2)整個(gè)工裝平臺(tái)夾具可以自動(dòng)完成夾緊和松開功能，能夠水平位移，可將工裝平臺(tái)自動(dòng)移至焊接工位，自動(dòng)退回操作工位；

(3)焊接控制要求達(dá)到不小于16 000 A的電阻焊峰值電流，保證焊點(diǎn)焊接牢固可靠；

(4)焊接系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏組態(tài)監(jiān)控方式進(jìn)行操作控制；

(5)焊點(diǎn)可以在觸摸屏上修改，可以增加焊點(diǎn)數(shù)量及坐標(biāo)位置；

(6)具有各種報(bào)警提醒等功能；

(7)生產(chǎn)節(jié)拍在60 s/件以內(nèi)(不包括人工放料、取料時(shí)間)。

為了保證節(jié)拍工藝，在進(jìn)行焊接的位置移動(dòng)中，選擇高速伺服電機(jī)，速度為3 000 r/min，驅(qū)動(dòng)一個(gè)焊點(diǎn)的移動(dòng)時(shí)間約為1.5 s，前焊點(diǎn)與后焊點(diǎn)可同時(shí)位移焊接，擬完成時(shí)間為12 s；由于左右弧面需要變位軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所需時(shí)間各為3 s；左弧面3個(gè)焊點(diǎn)位移時(shí)間約為4.5 s、右弧面3個(gè)焊點(diǎn)的位移時(shí)間為4.5 s；每個(gè)焊點(diǎn)焊接時(shí)所需時(shí)間為1 s，所有焊點(diǎn)焊接約為22 s，輸送平臺(tái)至焊接位置時(shí)間約2 s。預(yù)期設(shè)計(jì)總時(shí)間在51 s左右。符合預(yù)期生產(chǎn)節(jié)拍60 s/件以內(nèi)的工藝要求。

3 點(diǎn)焊控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制方案的確定

自動(dòng)點(diǎn)焊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)工藝要求，綜合考慮性價(jià)比選擇系統(tǒng)硬件，主要對(duì)幾大主要模塊進(jìn)行選型：PLC及觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I/O模塊、工裝夾具、氣動(dòng)組件、點(diǎn)焊系統(tǒng)。在選型方面參考了中達(dá)電通公司的運(yùn)動(dòng)控制方案[1]。

3.2 控制器件硬件選型

由于PLC與外部單元連接非常方便，如與各類開關(guān)、傳感器、執(zhí)行對(duì)象、數(shù)字顯示單元、運(yùn)動(dòng)控制部分等的連接，以及PLC的綜合性能優(yōu)良，抗干擾能力強(qiáng)，由用戶程序本身引起的故障極少發(fā)生，所以本文設(shè)計(jì)的汽車副車架自動(dòng)點(diǎn)焊控制電氣系統(tǒng)采用PLC與伺服系統(tǒng)、觸摸屏、外部單元等相組合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。PLC及觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)選擇中達(dá)電通公司的HMC08-N500S52型觸摸屏，該觸摸屏自帶PLC控制器。采用臺(tái)達(dá)高速運(yùn)動(dòng)總線DMCNET，DMCNET是一種實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real Time System)并具有通訊備援(Redundancy)的功能、軸卡更新12軸的命令只需1 ms等優(yōu)點(diǎn)[2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

3.3 系統(tǒng)焊機(jī)部分設(shè)計(jì)

為了能夠進(jìn)行精確的焊接，更好的控制焊接的工藝質(zhì)量，選擇了小原(南京)機(jī)電有限公司的成套點(diǎn)焊機(jī)設(shè)備。根據(jù)點(diǎn)焊工藝及喉寬喉深的要求，選擇了OBARA PE1-C0531型號(hào)的電焊槍，且由廠家專門定制[3]。本系統(tǒng)選擇的點(diǎn)焊變壓器型號(hào)參數(shù)為：RT7521-385。電阻焊機(jī)控制箱根據(jù)系統(tǒng)點(diǎn)焊控制要求，選擇了小原OBARAST21C-L2-MWT1A型電阻焊機(jī)控制箱對(duì)焊接過程的電流大小等焊接工藝進(jìn)行控制。

3.4 伺服系統(tǒng)的選型

根據(jù)本系統(tǒng)傳動(dòng)控制的需要，最終選擇中達(dá)電通公司的ASDA-A2-E型高性能通訊型伺服驅(qū)動(dòng)器。中達(dá)電通ECMA-C20807RS絕對(duì)型交流伺服電機(jī)。

3.5 工裝夾具氣缸的選型

圖3 副車架工裝夾具安裝結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用的氣缸有AIRTAC(亞德客)MCKA50X50HSY，MCKA50X75HSY，ACQ50X15SB超薄氣缸等[4]。工裝夾具完成機(jī)械部分安裝后，即可安裝用于頂料作用的頂料氣缸，用于夾緊工件的夾緊氣缸，以及用于第六軸的回轉(zhuǎn)氣缸，并在各個(gè)氣缸的前后兩端安裝磁性開關(guān)用于檢測(cè)氣缸伸出及縮回到位情況并將檢測(cè)信號(hào)發(fā)回PLC。圖3為副車架工裝夾具氣動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)圖。

3.6 PLC開關(guān)量輸入/輸出信號(hào)及端口分配

由于本文研制的控制系統(tǒng)采用觸摸屏作為系統(tǒng)監(jiān)控界面，同時(shí)觸摸屏與PLC是集成一體的，節(jié)省了它們之間的連接通信線。在對(duì)控制臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中只做了少量的按鈕、開關(guān)、指示燈等器件，例如在控制臺(tái)上只安裝了如手動(dòng)/自動(dòng)方式選擇開關(guān)、模擬/焊接選擇、報(bào)警急停指示燈等，而其他大部分需要進(jìn)行顯示和控制的元器件均通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)計(jì)完成，大大節(jié)省了PLC的數(shù)字量點(diǎn)數(shù)。表1 為系統(tǒng)各開關(guān)量I/O模塊輸入輸出信號(hào)分配表。

表1 系統(tǒng)各開關(guān)量I/O模塊輸入輸出信號(hào)分配表

3.7 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在開始進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)焊系統(tǒng)的應(yīng)用程序編寫之前，要根據(jù)副車架點(diǎn)焊工藝過程梳理控制流程，明確需要完成的功能結(jié)構(gòu)，并根據(jù)流程來繪制系統(tǒng)的程序框圖，包括與主程序相關(guān)的各個(gè)子程序的框圖，以便于整理整體的程序設(shè)計(jì)思路。圖4及圖5為焊接系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖。

圖4 焊接系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖1

圖5 焊接系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖2

程序編程采用臺(tái)達(dá)的編程軟件DOPSoft(1.01.08)。對(duì)于各個(gè)伺服軸進(jìn)行選擇控制，可以根據(jù)臺(tái)達(dá)伺服軸的手冊(cè)查出各個(gè)伺服軸與PLC對(duì)應(yīng)的通信地址，從而進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于采用DMCnet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，通過表2伺服通訊地址對(duì)應(yīng)可以查到，如第1軸命令代碼為W512，第2軸命令代碼為W768，以此類推。在需要發(fā)送對(duì)應(yīng)功能命令時(shí)可以直接發(fā)送到對(duì)應(yīng)地址即可。表2為伺服通訊地址對(duì)應(yīng)表[5]。

表2 伺服通訊地址表

在圖6中主軸回原點(diǎn)按鈕M225按下后可以將1送至W512，即激活第1伺服軸進(jìn)行直線同動(dòng)命令。W518為速度設(shè)定地址，主軸回原點(diǎn)速度與倍率值相乘后將速度值(32位)寫入該地址，伺服系統(tǒng)會(huì)按照該地址進(jìn)行速度的進(jìn)給。圖6為舉例回原點(diǎn)程序。

圖6 回原點(diǎn)程序

3.8 主界面設(shè)計(jì)

3.8.1 觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏由于最終交付對(duì)象是現(xiàn)場(chǎng)一線的操作工人，且同時(shí)要完成放料和取料工作，所以設(shè)計(jì)時(shí)要考慮觸摸屏界面功能清晰明了、方便用戶操作等。觸摸屏主界面提供了進(jìn)入各個(gè)分界面的入口，可以監(jiān)控焊點(diǎn)完成情況，方便工人進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)的主界面和登錄界面如圖7和圖8所示。

圖7 系統(tǒng)主界面

圖8 點(diǎn)焊專機(jī)系統(tǒng)用戶登錄界面

3.8.2 示教界面設(shè)計(jì)

按觸摸屏設(shè)計(jì)功能和使用要求，在示教主界面上，設(shè)計(jì)了1-6軸各軸當(dāng)前位置顯示、各步序點(diǎn)焊點(diǎn)位置值、氣缸動(dòng)作狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置界面，這些數(shù)據(jù)與PLC鏈接，示教時(shí)將每一步當(dāng)前的狀態(tài)寫入行列式步序中，記錄每一步需要?jiǎng)幼鞯臓顟B(tài)，在PLC程序中按照焊接工藝進(jìn)行調(diào)用完成控制。圖9為行列式示教界面，圖10為副車架焊點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面[6]。

圖9 行列式示教界面

圖10 副車架焊點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

4 系統(tǒng)調(diào)試及驗(yàn)證分析

圖11 自動(dòng)點(diǎn)焊設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖

系統(tǒng)工程安裝現(xiàn)場(chǎng)為柳州某車體實(shí)業(yè)有限公司副車架生產(chǎn)車間，如圖11所示。

為了保證節(jié)拍工藝，在進(jìn)行焊接的位置移動(dòng)中，通過機(jī)械和電氣伺服的不斷調(diào)整速度配合，驅(qū)動(dòng)一個(gè)焊點(diǎn)的移動(dòng)時(shí)間為1.5 s，前焊點(diǎn)與后焊點(diǎn)可同時(shí)位移焊接，擬完成時(shí)間為12 s；由于左右弧面需要變位軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，為了能夠留有旋轉(zhuǎn)緩沖時(shí)間，所需時(shí)間各為4 s；左弧面3個(gè)焊點(diǎn)位移時(shí)間為4.5 s、右弧面3個(gè)焊點(diǎn)的位移時(shí)間為4.5 s；通過調(diào)整焊接控制器，保證了每個(gè)焊點(diǎn)焊接時(shí)所需時(shí)間為1 s，所有焊點(diǎn)焊接約為22 s，輸送平臺(tái)至焊接位置時(shí)間約2 s?？倳r(shí)間控制在58 s左右。符合預(yù)期生產(chǎn)節(jié)拍60 s/件以內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。

整機(jī)調(diào)試從工裝夾具的控制，工裝平臺(tái)的移送，焊鉗位置定位，焊點(diǎn)焊接質(zhì)量等方面進(jìn)行了綜合調(diào)試，現(xiàn)已交付工段進(jìn)行試生產(chǎn)。該系統(tǒng)完全符合設(shè)計(jì)要求，滿足工段焊接要求，使用該自動(dòng)點(diǎn)焊系統(tǒng)后，企業(yè)可從表3了解獲益情況。

表3 改造前后工位情況對(duì)比表

(1)副車架1區(qū)A序焊接工位在沒有改造之前需要2個(gè)操作工面對(duì)面分別對(duì)一個(gè)副車架進(jìn)行焊接操作，工作過程中除了進(jìn)行焊接工作，同時(shí)還需要裝取工件，工作強(qiáng)度很大，通過改造后如今只需要1人單獨(dú)完成1個(gè)工位的工裝夾取工作，而不需要進(jìn)行焊接工作，焊接過程全部由點(diǎn)焊系統(tǒng)自動(dòng)完成。

(2)改造前，兩個(gè)操作工焊接還會(huì)出現(xiàn)有一個(gè)操作工焊接完成后、要等另一個(gè)操作工也焊接完成才能將工件取出，多出了不可預(yù)見的等待時(shí)間。

(3)改造前的生產(chǎn)節(jié)拍為70 s，現(xiàn)在節(jié)拍為58 s，比原先節(jié)拍提升了12 s。

(4)改造前，由于人工操作有一定的主觀因素，造成人工焊接會(huì)有漏焊現(xiàn)象，改造后補(bǔ)焊次數(shù)由原來的1/5件縮減為0件，基本消除漏焊現(xiàn)象。

(5)改造之前的人工焊接廢品率由原來的1/10件，縮減為現(xiàn)在的0件。

(6)每年因?yàn)檎泄栴}影響生產(chǎn)的現(xiàn)象有了明顯的緩解，采用自動(dòng)點(diǎn)焊系統(tǒng)后，不需要焊接工人，只需要裝取工件的操作工即可，招工對(duì)象易于從前。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)具備性價(jià)比高、性能可靠、生產(chǎn)效率較人工焊接要高的特點(diǎn)。點(diǎn)焊專機(jī)帶來的高穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品質(zhì)量可靠，可以替代人工從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，工件焊接質(zhì)量的提高，生產(chǎn)節(jié)拍的穩(wěn)定，也是這套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的，通過此套設(shè)備的投入運(yùn)行，解決了企業(yè)的實(shí)際困難。

(1)從產(chǎn)品質(zhì)量來說：由于專機(jī)是由控制器進(jìn)行控制，在機(jī)械部分保證可靠維護(hù)的前提下，軟件程序基本不會(huì)出現(xiàn)問題，這樣大大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性及可靠性，尤其是質(zhì)量可以控制到每一個(gè)產(chǎn)品都能幾乎完全一樣，避免了人工因素的影響。

(2)從高勞動(dòng)生產(chǎn)率方面來說：機(jī)器人可以根據(jù)要求修改參數(shù)提高生產(chǎn)節(jié)拍效率，而且沒有疲勞的情況，可以實(shí)現(xiàn)三班倒的工作。隨著高速焊接設(shè)備的研發(fā)，焊接效率會(huì)更加顯著。

(3)從改善工人的勞動(dòng)條件角度來說，采用了專機(jī)焊接，使得工人不需要進(jìn)行繁重的手工焊接方式，舉著笨重的點(diǎn)焊焊鉗進(jìn)行工作，且手工焊接過程中的弧光、飛濺及煙霧等都會(huì)對(duì)人身造成一定的傷害。

(4)從生產(chǎn)管理的角度來說，由于專機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)節(jié)拍固定，所以產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量，企業(yè)可以有計(jì)劃的進(jìn)行產(chǎn)量控制。

(5)從工藝研發(fā)的角度來看，專機(jī)的方式可縮短產(chǎn)品改型換代的周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；本專機(jī)還可以同時(shí)為兩款車型進(jìn)行切換生產(chǎn)，只需要控制定位銷的位置即可完成。

(6)從性價(jià)比方面看，隨著伺服系統(tǒng)及機(jī)器人性能的不斷提高，技術(shù)區(qū)域成熟大眾化，價(jià)格也不斷下降，為企業(yè)更多的使用這些技術(shù)進(jìn)行設(shè)備改造提供了更多的機(jī)會(huì)。

[1]徐宏海,陶廣軍,張財(cái)政. 臺(tái)達(dá)PLC與觸摸屏在分子篩灌裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2010(7):142-144.

[2]臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司.臺(tái)達(dá)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案[Z].2012.

[3]OBARA株式會(huì)社.固定式焊鉗(EQ GUN)培訓(xùn)資料[Z].2013.

[4]亞德客股份有限公司.亞德客產(chǎn)品型錄(中文)[Z].2015.

[5]臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司.臺(tái)達(dá)人機(jī)控制器HMC系列使用手冊(cè)[Z].2014：26-27.

[6]臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司.DOP-B_M_SC系列人機(jī)界面使用手冊(cè)(宏)[Z].2009:165-166.

[責(zé)任編輯 劉景平]

Development of Welding System for Automobile Accessory Frame Based on PLC

LAN Weiming， LI Yang

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Liuzhou Vocational and Technical College， Liuzhou, Guangxi 545005, China)

Aiming at the unstable quality of the current welding for automotive sub frames by manual or semi manual welding, an automatic sub frame welding system control is adopted. It includes hardware selection, PLC control program design ideas, steps, and each function module realization method. It also uses the HMC with PLC and touch screen in one to design the monitoring interface which can dock the PLC data and monitoring interface, effectively simplify the system program and modify parameters in real time so as to improve the efficiency, enrich the visual function of the system, and realize the automatic welding for automobile sub frames. Engineering practice proves that the system fully meet the functional requirements.

automobile auxiliary frame; spot welding; servo; PLC; touch screen

TP273

A

1672-9021(2016)05-0082-09

藍(lán)偉銘(1982-)，男(壯族)，廣西忻城人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系工程師，主要研究方向：工業(yè)電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化技術(shù)。

廣西教育廳高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(KY2016YB635)。

2016-06-07