0 前言

　　汽車制造業(yè)的自動化生產(chǎn)線最早可追溯到20世紀20年代的福特生產(chǎn)線，歷經(jīng)了手工——(半)自動剛性——(半)自動柔性生產(chǎn)線等不同發(fā)展階段。目前，流行了半個多世紀的美國福特公司的單一品種、大批量生產(chǎn)模式已被日本豐田公司的多品種、中小批量生產(chǎn)模式所替代。隨著汽車T業(yè)的發(fā)展和自動化水平要求的不斷提高，焊接機器人在汽車白車身制造中得到了越來越多的應(yīng)用。在汽車行業(yè)的制造模式步入按用戶要求進行柔性加1二的精益生產(chǎn)階段，激光焊接技術(shù)正向高速度、高精度、高柔性、低成本、智能化、集成化的方向發(fā)展，基于激光焊接機器人的白車身生產(chǎn)線系統(tǒng)的開發(fā)具有十分重要的意義。

　　PLC是一種實現(xiàn)控制功能的工業(yè)控制計算機，由于它具有功能強，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力強，以及接線簡單，編程靈活、方便等特點，因此在各類生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文從自車身系統(tǒng)實際出發(fā)，用PLC設(shè)計了白車身生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)與機器人進行通訊，滿足了系統(tǒng)順序控制的要求。

1 白車身系統(tǒng)的組成

　　白車身是指尚未進入涂裝和內(nèi)飾件總裝階段之前的車身，它是轎車的動力系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、內(nèi)外裝飾件等轎車子系統(tǒng)的載體，是轎車動力性、舒適性.平順性等性能的載體，是轎車外觀形象、外觀質(zhì)量的載體。因此，轎車白車身制造是轎車總車制造中一項關(guān)鍵的制造技術(shù)。本系統(tǒng)針對白車身的車門部分進行焊接加工設(shè)計。如圖1所示，第一工位為小件焊接，負責焊接玻璃導(dǎo)槽、防撞桿。第二工位為內(nèi)板焊接，負責焊接鉸鏈加強板、門鎖加強板、內(nèi)裝飾帶加強板。第三工位為內(nèi)板焊接，負責焊接玻璃導(dǎo)槽、外裝飾帶加強板、防撞桿，焊接完即成內(nèi)板總成。第四一位為外板焊接，負責焊接外板窗框，焊完即成整個車門。第一臺機器人負責第一，四這兩個工位的激光搭接焊，第二臺機器人負責第二、第三兩個工位中的激光填絲焊。生產(chǎn)線的物流方式，均采用液壓手推車，搬運方式均采用人工搬運。系統(tǒng)中兩臺激光焊接機器人共用一個激光焊接器，采用分時操作的方法，即在同一時間內(nèi)只有一臺機器人使用激光器工作。為了保證整個生產(chǎn)線T作的效率，另一臺機器人則可以進行不需要使用激光器的位姿操作。

2 基于PLC控制系統(tǒng)的組成

　　焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由激光焊接機器人及控制器、PLC控制系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、助力臂系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)通過PLC控制器控制激光焊接機器人及夾具系統(tǒng)按程序設(shè)定的順序動作，實現(xiàn)車門按照規(guī)定的工藝流程進行加工;控制焊接機器人激光器的功率按照焊接工藝要求進行調(diào)節(jié);控制焊接機器人的激光器按照操作順序要求進行分時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)一個激光器為兩個激光焊接機器人供光�，F(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控、記錄激光焊接機器人的運行狀況，并能對加T軌跡進行實時跟蹤。在電氣柜操作臺上裝有PLC的運行狀態(tài)指示燈以及對系統(tǒng)進行手動控制的按鈕。

3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　PLC在整個生產(chǎn)線中處于核心的控制地位。負責協(xié)調(diào)機器人和夾具、機器人與激光器、機器人與焊接電源的動作，并對現(xiàn)場按鈕與顯示燈進行控制。PLC與機器人的通訊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，同時PLC能對夾具體的軟件進行自動識別，極大地方便了對系統(tǒng)夾具體的維護和對生產(chǎn)線功能的擴展。PLC軟件的模塊化編程對系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了重要的作用，也極大地方便了對系統(tǒng)的調(diào)試和檢測。

　　3.1 PLC的硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)中共有4個工位。每個工位上裝有一套夾具，每套夾具上的氣缸為一組，由一個三位五通電磁換向閥來控制。每個氣缸配有兩個位置傳感器(干簧管磁性開關(guān))，為了方便對夾具體進行識別，每套夾具上氣缸的數(shù)量不一樣，根據(jù)位置傳感器數(shù)量的不同來進行夾具體的區(qū)分。氣缸個數(shù)最多為7個(為4，5，6，7)，故整個生產(chǎn)線的氣缸位置傳感器的輸入點最多為2×(4+5+6+7)一44點，每組氣缸由一個三位五通電磁換向閥來控制，4個工位共需要2×4—8個控制輸出點。加上機器人的通訊接口和夾具體識別的8個輸入按鈕以及系統(tǒng)的各類顯示燈，總輸入輸出點不超過200個�？紤]系統(tǒng)的可擴展性和穩(wěn)定性，選用性價比較高的西門子S7—200系列PLC作為本生產(chǎn)線的核心控制器。

　　S7—200采用模塊化設(shè)計，緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴展性、低廉的價格，強大的指令以及大的輸入輸出電壓范圍，使其在解決工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應(yīng)性。由于整條生產(chǎn)線的4個工位布局緊湊，PLC與I/o的距離較近，不需要采用遠程I/o模塊，每個工位上氣動閥的動作信號和氣缸位置的檢測信號都與PLC的I/o口直接相連。同時，電氣柜操作臺上的按鈕和狀態(tài)指示燈也直接與PLC的輸人輸出口相連接，故選擇S7—200的CPU226和擴展模塊EM222、EM223，就完全能滿足系統(tǒng)控制的要求。具體I/O對現(xiàn)場按鈕與顯示燈進行控制。PLC與機器人的通訊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，同時PLC能對夾具體的軟件進行自動識別，極大地方便了對系統(tǒng)夾具體的維護和對生產(chǎn)線功能的擴展。PLC軟件的模塊化編程對系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了重要的作用，也極大地方便了對系統(tǒng)的調(diào)試和檢測。

　　3.1 PLC的硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)中共有4個工位。每個工位上裝有一套夾具，每套夾具上的氣缸為一組，由一個三位五通電磁換向閥來控制。每個氣缸配有兩個位置傳感器(干簧管磁性開關(guān))，為了方便對夾具體進行識別，每套夾具上氣缸的數(shù)量不一樣，根據(jù)位置傳感器數(shù)量的不同來進行夾具體的區(qū)分。氣缸個數(shù)最多為7個(為4，5，6，7)，故整個生產(chǎn)線的氣缸位置傳感器的輸入點最多為2×(4+5+6+7)一44點，每組氣缸由一個三位五通電磁換向閥來控制，4個工位共需要2×4—8個控制輸出點。加上機器人的通訊接口和夾具體識別的8個輸入按鈕以及系統(tǒng)的各類顯示燈，總輸入輸出點不超過200個。考慮系統(tǒng)的可擴展性和穩(wěn)定性，選用性價比較高的西門子S7—200系列PLC作為本生產(chǎn)線的核心控制器。S7—200采用模塊化設(shè)計，緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴展性、低廉的價格，強大的指令以及大的輸入輸出電壓范圍，使其在解決工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應(yīng)性。由于整條生產(chǎn)線的4個工位布局緊湊，PLC與I/o的連接見圖3。

　　圖4是PLC輸入輸出點的接線圖。為表達清晰，圖中只列出一部分輸入輸出點進行說明。10.0為手動自動切換按鈕輸入，按下為自動操作，系統(tǒng)將按照自動程序模塊運行，此時手動操作的按鈕失效;斷開為手動操作，可通過手動按鈕對系統(tǒng)進行控制。Io.2～10.5為第一工位到第四工位的單獨操作按鈕，能對系統(tǒng)進行單個工位的操作調(diào)試。11.o～12.1為位置傳感器，檢測氣缸的動作位置。12.3為溫度傳感器，對系統(tǒng)起限流保護作用。12.2為壓力傳感器，有一定的壓力允許范圍，當系統(tǒng)壓力超出允許范圍時，傳感器就會自動切斷整個生產(chǎn)線電源，避免事故發(fā)生，對系統(tǒng)起保護作用。系統(tǒng)的輸出QO.1～QD.4通過控制2個三位五通電磁閥來控制氣缸的伸縮，進而控制央具體的夾緊和松開。Q1.O～Q1.4為氣缸的位置顯示燈，當氣缸到達設(shè)定的傳感器位置時，綠燈亮表示系統(tǒng)的操作運行正常。而在操作指令完成后的設(shè)定時間內(nèi)仍未到達設(shè)定位置時，則閃爍紅燈進行提醒，系統(tǒng)同時啟動報警程序。Q1.5～Q1.7為系統(tǒng)運行狀態(tài)的三色指示燈，顯示當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，方便操作人員進行安全操作。

　　3.2 PLC的軟件設(shè)計

　　3.2.1 PLC與機器人的通訊協(xié)議

　　在生產(chǎn)線中PLC與機器人控制器分別編程，PLC與機器人的通訊是整個生產(chǎn)線的核心問題，定義好PLC與機器人的通訊協(xié)議很關(guān)鍵。PLC與機器人之間采用問答式的串口通訊(通訊數(shù)據(jù)的組成由下表1，表2所示)。PLC發(fā)送給機器人的指令內(nèi)容是通知機器人執(zhí)行焊接或者是位姿操作的不同動作，機器人發(fā)送給PLC的指令內(nèi)容則是通知PLC機器人執(zhí)行相關(guān)動作的完成情況。

　　PLC根據(jù)機器人的通訊指令進行下一步的操作。整個通訊的可靠性由起始符，BCC檢驗碼和結(jié)束符來保證。在串口的通訊過程中，指令有可能受到任何的干擾而使原來的數(shù)據(jù)信號發(fā)生扭曲，此時的指令當然是錯誤的，為了偵測指令在傳輸過程中發(fā)生的錯誤，接收方必須對指令作進一步的確認工作，以防止錯誤的指令被執(zhí)行，最簡單的方法就是使用校驗碼。BCC校驗碼的方法就是將要傳送的字符串的ASCII碼以字節(jié)為單位作異或和，并將此異或和作為指令的一部分傳送出去;同樣地，接收方在接到指令后，以相同的方式對接收到的字符串作異或和，并與傳送方所送過來的值作對比，若其值相等，代表通訊正確。

　　3.2.2 PLC與機器人的交互軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)啟動后，PLC與機器人控制器上電復(fù)位，對系統(tǒng)夾具的各傳感器初始狀態(tài)和各按鈕的開閉狀態(tài)進行掃描，將檢查結(jié)果同程序存儲中的模塊參數(shù)進行比較，選擇參數(shù)一致的模塊執(zhí)行，同時控制三色燈顯示生產(chǎn)線目前的工作狀態(tài)。PLC軟件模塊設(shè)定的動作完成后與機器人通訊，機器人控制器根據(jù)PLC的通訊指令，通過與控制器存儲器中的相關(guān)指令進行比較，選擇執(zhí)行對應(yīng)的模塊程序，進行焊接作業(yè)或者位姿操作。在焊接時，機器人控制器通過控制焊機激光器的電源電流的大小和通斷時間來實現(xiàn)既定的焊接工藝參數(shù)，按照程序既定的焊接路徑進行焊接。機器人完成相應(yīng)操作后通過通訊端口與PLC通訊，通過相應(yīng)的通訊指令通知PLC操作完成。

　　PLC根據(jù)機器人控制器的相應(yīng)通訊指令進行下一步的操作，操作完成后再與機器人通訊，直到完成整個焊接任務(wù)。PLC與機器人的程序具體流程圖見圖5和圖6。

　　PLC系統(tǒng)采用模塊化編程的方式，將各個不同的獨立操作編寫成不同的子程序模塊，通過有條件的選擇和調(diào)用來實現(xiàn)我們順序控制的要求。這樣可以大大簡化控制軟件的設(shè)計，使軟件設(shè)計和調(diào)試更具靈活性，提高了系統(tǒng)運行的可靠性，保證整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)、有序地完成焊接要求。

　　3.2.3夾具體的自動識別軟件設(shè)計

　　PLC對夾具的控制實現(xiàn)了夾具體的自動識別。每套夾具上的氣缸數(shù)量不一樣，電磁閥的數(shù)目不一樣(根據(jù)每套夾具體氣缸分組情況而定)，而且氣缸存在使用和不使用的問題，氣缸的到位情況也有檢測和不檢測之分，根據(jù)這些參數(shù)構(gòu)成夾具體的控制字，對夾具體進行區(qū)分和編號存儲。在控制臺上設(shè)置8個控制開關(guān)按鈕作為夾具體的編號輸入，通過顯示屏進行夾具體的編號顯示。在PLC程序上，每次程序循環(huán)中都對夾具編號的輸入點進行掃描，并放入暫存區(qū)，同時與記憶區(qū)中的夾具編號進行比較。如果兩者相同，則表明該工位上的夾具狀態(tài)正常，無需任何動作，直接執(zhí)行相應(yīng)的程序模塊;如果不同，則提示夾具編號變化，需操作員確認，此時又分為兩種情況：有新夾具換上工作臺，且系統(tǒng)已經(jīng)正確識別出新放入的夾具的編號，那么操作員需要在觸摸屏上確認該夾具編號的正確性。

　　如果放上的夾具以前從未在該系統(tǒng)中使用過。則需對該夾具的控制字進行正確設(shè)置后寫入PLC數(shù)據(jù)區(qū);如果該夾具曾經(jīng)在本系統(tǒng)中使用過至少一次，即數(shù)據(jù)區(qū)中保留有該夾具號對應(yīng)的控制信息，那么操作員在確認夾具編號后，該夾具的控制信息會由系統(tǒng)以間接尋址方式自動調(diào)用出來，并顯示在觸摸屏上，確認無誤，即可開始生產(chǎn)。由于硬件故障(連線斷裂、網(wǎng)絡(luò)故障等)造成自動識別出的夾具編號與實際不符時，(識別出錯)可通過強行寫入正確夾具編號的方式來讓系統(tǒng)進入正常工作模式進行生產(chǎn)，待完成任務(wù)后再進行維修等操作，以緩解生產(chǎn)壓力。具體的過程見圖7。

4 結(jié)束語

　　利用PLC功能強，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力強，以及接線簡單，編程靈活、方便等特點實現(xiàn)激光焊接機器人生產(chǎn)線控制的方法，能保證系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定地工作，通過PLC與焊接機器人的交互通訊，達到了分散穩(wěn)定控制的目的。夾具體的自動識別和氣動夾具的可調(diào)整性增加了系統(tǒng)的靈活性，整個控制系統(tǒng)動作快速敏捷，定位精確，能滿足激光焊接機器人的高精度要求，整個系統(tǒng)的調(diào)試和初步實驗證明了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性。

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本文標題：基于PLC/ERP的車門焊接生產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)計

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