基于PLC的汽車焊接機(jī)器人控制研究

摘 ?要：隨著高科技工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行有效的融合，焊接生產(chǎn)也因此得到不斷提高。在汽車工業(yè)領(lǐng)域中，智能化控制水平不斷提高，其中汽車焊接機(jī)器人在汽車制造中發(fā)揮著重大作用，焊接工藝逐漸向智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，通過(guò)PLC對(duì)汽車焊接機(jī)器人進(jìn)行有效的控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，是目前汽車行業(yè)制造的主要發(fā)展方向。本文以西門子S7-200為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接機(jī)器人的有效控制，確保在焊接時(shí)各個(gè)工序和機(jī)器人能夠協(xié)同工作。首先分析了焊接機(jī)器人在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用，并介紹了PLC控制器和汽車焊接生產(chǎn)線，包括車門焊接控制系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的硬件，最后基于PLC控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PLC控制器;汽車焊接機(jī)器人;自動(dòng)化焊接

中圖分類號(hào)：TP242;U468.2 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）12-0157-03

Abstract：With the continuous development of high-tech industrial technology，it has entered the industry 4.0 era，effectively integrating the internet of things technology，robots and automation technology，and welding production has also been continuously improved. In the automotive industry，the level of intelligent control is constantly improving，in which automotive welding robots play a major role in the manufacture of automobiles，and the welding process is gradually developing in the direction of intellectualization and automation，and effective control of automotive welding robots is carried out through PLC. Automatic welding is the main development direction of automobile manufacturing. Based on Siemens S7-200 as the core，this paper realizes the effective control of welding robot，and ensures that each process and robot can work together during welding. Firstly，the application of welding robot in automobile manufacturing industry is analyzed，and PLC controller and automobile welding production line are introduced，including door welding control system and corresponding hardware. Finally，the hardware and software design based on PLC control system is introduced.

Keywords：PLC controller;automotive welding robot;automatic welding

0 ?引 ?言

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)汽車的需求量不斷增多，并在一定程度上推動(dòng)了汽車行業(yè)的發(fā)展。隨著自動(dòng)化技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展，汽車制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，并大大改變了汽車制造模式，逐漸實(shí)現(xiàn)了精益化、個(gè)性化和柔性化的生產(chǎn)模式，在汽車生產(chǎn)過(guò)程中，汽車焊接的智能化和自動(dòng)化水平不斷提高，大大提高了汽車焊接質(zhì)量，在白車身焊接生產(chǎn)中基本上都是使用激光焊接機(jī)器人，推動(dòng)了汽車制造行業(yè)的發(fā)展。

1 ?焊接機(jī)器人在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

隨著自動(dòng)化和工業(yè)化不斷發(fā)展，機(jī)器人以高精度和高效率的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。在汽車制造行業(yè)中，尤其是轎車的生產(chǎn)節(jié)拍比較快，通常情況下都是在100秒左右。隨著消費(fèi)者對(duì)汽車質(zhì)量提出了更高的要求，汽車制造的焊接工藝也在不斷提升，其中的焊接速度和焊接精度逐漸提升，由于在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的煙塵、飛濺和火花，對(duì)于人體而言具有一定的危險(xiǎn)性，如果利用人進(jìn)行焊接不僅效率低，且危害性大，所以自動(dòng)焊接在汽車制造中得到了廣泛的應(yīng)用，其中最具有代表性的產(chǎn)物就是焊接機(jī)器人，并在一定程度上推動(dòng)了汽車制造的發(fā)展。焊接機(jī)器人的使用不僅提高了汽車生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，還確保了焊接操作的穩(wěn)定性。在整個(gè)制造業(yè)行業(yè)中，汽車制造行業(yè)是最早使用焊接機(jī)器人的，焊接機(jī)器人也是應(yīng)用最廣泛的機(jī)器人。

由于汽車制造程序和內(nèi)容比較復(fù)雜，且焊接種類多樣，對(duì)焊接工藝要求高，在汽車制造過(guò)程中，焊接機(jī)器人主要應(yīng)用在焊接比較復(fù)雜和要求較高的焊接工位，因?yàn)檫@些焊接工位人工操作不僅不方便，且也無(wú)法達(dá)到焊接要求，所以只能依靠焊接機(jī)器人，目前電焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人是汽車制造行業(yè)中應(yīng)用最多的機(jī)器人。

2 ?汽車焊接生產(chǎn)線和PLC控制器簡(jiǎn)介

PLC就是可編程控制器，應(yīng)用非常廣泛，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器有效的控制，并進(jìn)行模擬量處理和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)運(yùn)算，另外還能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的有效通訊[1]。PLC主要是為工業(yè)行業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)出的一種數(shù)字計(jì)算和運(yùn)算的控制器。PLC的存儲(chǔ)器具有可編制程序的作用，存儲(chǔ)器不僅可以進(jìn)行各種操作的指令，還能通過(guò)模擬式和數(shù)字式的輸出和輸入，從而實(shí)現(xiàn)控制各種機(jī)器的目標(biāo)。PLC控制器目前在汽車制造中得到了廣泛的應(yīng)用。S7-200系列的PLC不僅可以計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)控制和控制傳統(tǒng)的繼電器，還能支持多種形式和協(xié)議的通訊，進(jìn)行模擬量處理，應(yīng)具有可靠性高、編程靈活和功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，在汽車制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

汽車焊接生產(chǎn)線包括左工位、右工位、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)、PLC。采取左右工位的焊接夾具的目的是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)焊接和裝卸，且每個(gè)工位的夾具型號(hào)規(guī)格都不相同，可根據(jù)需求更換相應(yīng)的夾具使用。焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)在接受到PLC指令執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，同時(shí)PLC又實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的工作狀態(tài)，包括工作信號(hào)、傳感系統(tǒng)和指令[2]。另外，還需要接受人機(jī)界面信號(hào)、指令開(kāi)關(guān)信號(hào)和接近開(kāi)關(guān)信號(hào)。執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括定位裝置、卸料機(jī)構(gòu)和夾具的夾緊機(jī)構(gòu)，執(zhí)行結(jié)構(gòu)全部是由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)器人相互協(xié)調(diào)運(yùn)作。在汽車焊接生產(chǎn)線中都是通過(guò)終端操作進(jìn)行控制焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，確保每個(gè)動(dòng)作都能順利完成。

3 ?車門焊接控制機(jī)構(gòu)和硬件

在汽車焊接生產(chǎn)線中，車門焊接中需要兩臺(tái)激光焊接機(jī)器人，四個(gè)焊接工作平臺(tái)，每個(gè)焊接平臺(tái)都具有不同的作用，第一個(gè)焊接平臺(tái)的主要作用是防撞桿和焊裝玻璃引槽，第二個(gè)焊接平臺(tái)的作用是內(nèi)裝飾帶加強(qiáng)板、門鎖加強(qiáng)板和焊接鉸鏈加強(qiáng)板，第三個(gè)焊接平臺(tái)的作用是防撞桿和焊接鉸鏈加強(qiáng)板，第四個(gè)焊接平臺(tái)的作用是焊接外板窗框[3]。整個(gè)車門焊接控制系統(tǒng)包括激光焊接機(jī)器人、氣壓回路、夾具、操作平臺(tái)和PLC，PLC控制器在整個(gè)焊接控制系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，通過(guò)接受控制平臺(tái)的操作指令，并傳輸給焊接機(jī)器人、夾具和控制閥，在整個(gè)控制系統(tǒng)中PLC控制發(fā)揮著重要作用，對(duì)焊接機(jī)器人的動(dòng)作控制特別重要。

4 ?基于PLC的汽車焊接機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

在汽車焊接工藝組成中，夾具動(dòng)作的實(shí)施主要是通過(guò)氣壓回路的氣缸進(jìn)行控制，通常情況下每個(gè)氣缸上都會(huì)裝有電磁閥，通過(guò)電磁閥控制夾具的動(dòng)作，電磁閥的型號(hào)為三位五通。[4]每個(gè)焊接平臺(tái)上都會(huì)安裝對(duì)應(yīng)的氣缸，且每個(gè)氣缸上都會(huì)安裝傳感器，一般情況下都是在兩個(gè)位置分別安裝傳感器，I/O輸入點(diǎn)具有52路，另外，還有夾具體識(shí)別信號(hào)和機(jī)器人的通訊接I/O輸出輸入點(diǎn)控制在200以內(nèi)，S7-200型號(hào)的PLC具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以在硬件上不需要使用遠(yuǎn)程I/O模塊。另外，還需要兩個(gè)數(shù)字量I/O擴(kuò)張模塊，且型號(hào)分別為EM223和EM221，主要用途就是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入和輸出模塊，CPU的主要用途是中心控制器數(shù)字量輸入和輸出。

另外激光焊機(jī)機(jī)器人在焊接過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱和光，并在一定程度上影響到氣壓回路的壓力，氣壓回路的壓力又會(huì)影響到夾具的功能，那么為了保證夾具系統(tǒng)的夾緊功能，必須要對(duì)焊接過(guò)程的溫度進(jìn)行有效的控制，這里采用模擬量拓展模塊EM235對(duì)其進(jìn)行控制，確保氣壓系統(tǒng)的壓力和溫度都能在有效范圍內(nèi)，當(dāng)氣壓回路的壓力變大時(shí)，PLC直接輸出斷電信號(hào)，使整個(gè)焊接生產(chǎn)線停止工作，實(shí)現(xiàn)了全面保護(hù)焊接生產(chǎn)線的目的[5]。

5 ?基于PLC的汽車焊接機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

焊接生產(chǎn)線上的控制和焊接機(jī)器人的控制器是相互獨(dú)立的，且兩者之間能夠相互通訊，其通訊的效果將直接影響到焊接工作是否正常。機(jī)器人和PLC之間使用的通訊方式為問(wèn)答式串口通訊，結(jié)束符號(hào)、BBC檢驗(yàn)碼和起始符號(hào)保證了焊接機(jī)器人和PLC之間能夠正確通訊[6]。BBC檢驗(yàn)碼的主要作用是防止因外界影響干擾而導(dǎo)致執(zhí)行錯(cuò)誤狀況發(fā)生，保證了通訊正確。通訊是否正確通常情況下都是確認(rèn)指令發(fā)送方和接受方之間的真值進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)ASCⅡ碼是否以字節(jié)為單位作異或和并，真值相同那么就代表一切通訊正常。焊接機(jī)器人和PLC指令傳送圖如圖1所示。

按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，焊接機(jī)器人控制器和PLC之間恢復(fù)通電，并對(duì)所有位置的傳感器件進(jìn)行掃描，并確認(rèn)目前的狀態(tài)，然后將掃描的結(jié)果與存儲(chǔ)器的模塊參數(shù)進(jìn)行比較，如果參數(shù)相同那么就可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并使用存儲(chǔ)中的模塊進(jìn)行執(zhí)行。接著與焊接機(jī)器人直接通訊，PLC向焊接機(jī)器人發(fā)送指令，焊接機(jī)器人控制器接受到指令后，與焊接機(jī)器人控制器的中指令進(jìn)行對(duì)比，如果指令相同根據(jù)PLC指令選擇模塊程序，并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。在焊接過(guò)程中，焊接機(jī)器人的控制器通過(guò)控制通斷時(shí)間和電源電流的大小，完成焊接要求，并根據(jù)程序按照一定的順序進(jìn)行焊接工作。在機(jī)器人完成某一個(gè)動(dòng)作指令后，與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，并根據(jù)通訊指令向PLC回復(fù)制定結(jié)果[7]。PLC在接收到動(dòng)作完成的指令后，持續(xù)向激光焊接機(jī)器人控制器發(fā)送下一步操作指令，然后機(jī)器人根據(jù)指令進(jìn)行操作，按照這個(gè)順序循環(huán)下去，直到所有的操作指令全部完成。

西門子S7-200控制器具有編程的優(yōu)勢(shì)，使用模塊化編程，通過(guò)調(diào)用和選擇不同的子程序模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)動(dòng)作的控制，并按照相應(yīng)的順序進(jìn)行有效的控制。促使控制設(shè)計(jì)和調(diào)試更加簡(jiǎn)單、方便、靈活，確?？刂葡到y(tǒng)更加安全可靠，同時(shí)也保證了系統(tǒng)能夠有序和協(xié)調(diào)的完成焊機(jī)工藝。

6 ?結(jié) ?論

本文主要以西門子S7-200系列PLC對(duì)汽車焊接機(jī)器人控制進(jìn)行研究，PLC具有編程靈活、可靠性高和功能強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)，促使控制系統(tǒng)更加安全可靠，使汽車焊接工藝實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化，對(duì)汽車制造業(yè)來(lái)說(shuō)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王少昌，楊曉東，劉成華.基于PLC的汽車焊接機(jī)器人控制研究 [J].科技風(fēng)，2018（26）：10.

[2] 吳樂(lè)明.基于西門子PLC的汽車車門焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 [J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2018（20）：86-87.

[3] 李楊.汽車焊接件防漏焊一體化監(jiān)控系統(tǒng)的研制 [J].裝備制造技術(shù)，2018（9）：50-56.

[4] 邢行，馬永力.基于PLC的汽車自動(dòng)焊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，37（4）：96-99.

[5] 鐘平，李華雄.多機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng)在汽車焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用 [J].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，28（1）：31-34.

[6] 張?jiān)气?，申軍凱.基于PLC的汽車后橋殼焊接自動(dòng)找正校直裝置設(shè)計(jì)與研究 [J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（12）：4-5+8.

[7] 李楊.汽車焊接件防漏焊MES監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用 [J].廣西教育，2018（11）：187-192.

作者簡(jiǎn)介：丁姝慧（1992.01-），女，漢族，江蘇昆山人，就職于機(jī)電工程學(xué)院，碩士研究生，助教，研究方向：汽車電子、機(jī)電一體化。