基于S7－200PLC的汽車后橋焊接專機(jī)控制系統(tǒng)

潘垚錕，劉 波

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030051)

后橋是汽車關(guān)鍵部件之一，起支撐作用，受力復(fù)雜，承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力［1－2］。焊接是后橋生產(chǎn)制造過(guò)程中主要的加工方式，對(duì)于大批量、自動(dòng)化程度要求高的大型汽車企業(yè)，常采用機(jī)器人工作站焊接生產(chǎn)線的方式，通過(guò)一個(gè)個(gè)工作站的焊接作業(yè)，完成對(duì)后橋的焊接。對(duì)于小批量或者專職零部件生產(chǎn)的企業(yè)，從經(jīng)濟(jì)成本的角度來(lái)看，可以采用焊接專機(jī)來(lái)替代工作站，采取氣動(dòng)或電動(dòng)控制夾緊，用PLC控制整個(gè)系統(tǒng)完成整個(gè)焊接過(guò)程。本文介紹的就是這樣一種由PLC控制的低成本、高精度的后橋焊接專機(jī)系統(tǒng)，專機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)采用伺服電機(jī)控制工件，從而達(dá)到更高的精度。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該專機(jī)系統(tǒng)需要焊兩道焊縫，分別是橋殼蓋與橋體之間的焊縫和橋體與加強(qiáng)圈之間的焊縫。這兩道焊縫為兩道規(guī)則的圓形環(huán)焊縫［3］，從設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)的角度分析，采用“焊槍不動(dòng)，工件旋轉(zhuǎn)”的設(shè)計(jì)方案。在工件定位夾緊、氣缸將焊槍送進(jìn)到位后，開(kāi)始送絲引弧，進(jìn)行焊接作業(yè)。在此過(guò)程中，焊槍固定不動(dòng)，由專機(jī)系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)帶動(dòng)工件以一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成焊接。

采用二氧化碳和氬氣混合氣保護(hù)焊的焊接方法進(jìn)行自動(dòng)焊接，具有生產(chǎn)效率高、對(duì)油銹不敏感、焊接變形小、冷裂紋傾向小、采用明弧焊接、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了單獨(dú)使用二氧化碳?xì)怏w焊出的焊縫發(fā)黑、飛濺物較多的缺點(diǎn)。

2 機(jī)械系統(tǒng)和工藝流程

圖1 系統(tǒng)設(shè)備示意圖

專機(jī)系統(tǒng)可分成機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。專機(jī)系統(tǒng)整體構(gòu)造如圖1所示，包括電氣柜、焊機(jī)電源、焊槍、氣缸等。為便于裝卡，在專機(jī)焊接前一道工序時(shí)，已將橋殼蓋、橋體和加強(qiáng)圈之間進(jìn)行了點(diǎn)焊，使之相連。采用三爪卡盤(pán)定位，壓緊氣缸壓緊的方式對(duì)工件進(jìn)行定位夾緊。三爪卡盤(pán)撐出對(duì)工件定位，僅剩x方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度［4］，壓緊氣缸起固定作用，保證加工精度。三爪卡盤(pán)一端用來(lái)定位工件，另一端與伺服電機(jī)相連，焊接時(shí)，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)三爪卡盤(pán)進(jìn)而帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。焊槍固定在送進(jìn)氣缸上，由氣缸帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)，氣缸搭載在可調(diào)的平臺(tái)上［5］，平臺(tái)可對(duì)焊槍的焊接角度和空間位置進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳焊接效果。兩道焊縫的工藝要求不同，焊槍的焊接電壓和電流也不一樣，設(shè)定左焊槍電流190A，電壓21.0V，右焊槍電流200A，電壓 24.4V。

為便于裝卸工件，選擇腳踏開(kāi)關(guān)控制定位夾緊氣缸。裝卡時(shí)，工人操作吊具將工件放置在合適位置，控制腳踏開(kāi)關(guān)完成對(duì)工件的定位夾緊。腳踏開(kāi)關(guān)設(shè)置4次為一循環(huán)周期，第一次是三爪卡盤(pán)撐開(kāi);第二次是壓緊氣缸壓緊;第三次是壓緊氣缸收回;第四次是三爪卡盤(pán)收回。借助腳踏開(kāi)關(guān)，一個(gè)工人即可完成整個(gè)后橋?qū)C(jī)焊接操作，節(jié)約了企業(yè)的人力成本。

系統(tǒng)運(yùn)行分手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，手動(dòng)模式在調(diào)試時(shí)使用，在系統(tǒng)進(jìn)入正常生產(chǎn)使用時(shí)必須選擇自動(dòng)模式。手動(dòng)模式下，工件裝卡后，按下控制臺(tái)的點(diǎn)動(dòng)按鈕手動(dòng)控制系統(tǒng)焊接?？刂婆_(tái)上有焊接、點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位和急停4個(gè)按鈕，借助控制臺(tái)可方便地操作系統(tǒng)。自動(dòng)模式下，工件裝卡后，按下控制臺(tái)的焊接按鈕，自動(dòng)完成整個(gè)焊接過(guò)程。焊接時(shí)若出現(xiàn)緊急情況，可按下急停按鈕，系統(tǒng)停止。按下復(fù)位按鈕，將使所有氣缸回到初始位置。

焊接時(shí)，氣缸送進(jìn)焊槍，引弧焊接，同時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)以完成焊接作業(yè);焊接完成后，伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，氣缸收回帶動(dòng)焊槍回位，工人卸件。調(diào)試時(shí)，進(jìn)行焊槍角度和位置的相關(guān)調(diào)整，調(diào)試完成后進(jìn)入批量生產(chǎn)，除工件裝卸和定位夾緊需要人工操作外，其余過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，無(wú)需額外操作。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)

專機(jī)控制系統(tǒng)主要包括對(duì)自動(dòng)焊接過(guò)程的控制和監(jiān)控。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇“觸摸屏+PLC”的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［6－7］。系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，控制系統(tǒng)由觸摸屏、S7－200PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、2臺(tái)焊機(jī)等構(gòu)成。選擇昆侖通態(tài)觸摸屏設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，觸摸屏通過(guò)RS485總線和焊機(jī)相連，可實(shí)現(xiàn)電流、電壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的更改與監(jiān)控;通過(guò)PPI電纜和PLC相連，實(shí)現(xiàn)信息的交互。PLC通過(guò)IO電纜控制焊機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和焊接系統(tǒng)的其他構(gòu)件。伺服電機(jī)由伺服驅(qū)動(dòng)器控制，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和精準(zhǔn)的速度控制。

圖3 系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)圖

3.2 焊機(jī)控制

焊機(jī)選擇松下的YD－350GR型焊機(jī)，是全數(shù)字CO2/MAG焊機(jī)，支持CO2焊接、MAG焊接、不銹鋼MIG焊接等多種焊接方法。通過(guò)全數(shù)字控制，從小電流領(lǐng)域到大電流，均可對(duì)電流狀態(tài)進(jìn)行極其精細(xì)的控制，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的焊接。

焊機(jī)控制首先建立與專機(jī)的通訊。焊機(jī)通過(guò)DCT與專機(jī)通訊，DCT是專用的配置軟件。通訊方式為 2線半雙工 RS485總線，波特率為19 200bps，8位數(shù)據(jù)，無(wú)校驗(yàn)，1位停止位。作為主動(dòng)方，PLC發(fā)送完數(shù)據(jù)后會(huì)等待DCT的回復(fù)，如果DCT接受后并校驗(yàn)正確，回復(fù)給PLC一個(gè)確認(rèn)代碼，PLC可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。如果PLC發(fā)送數(shù)據(jù)后，DCT校驗(yàn)不正確，會(huì)返回校驗(yàn)錯(cuò)誤代碼，則PLC接收到后應(yīng)該重發(fā)。此過(guò)程稱為握手。

握手成功后，設(shè)置焊機(jī)的控制模式，需對(duì)電源輸出、檢氣控制、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制和電機(jī)方向控制的控制模式進(jìn)行設(shè)置，焊機(jī)電源的動(dòng)作方式可通過(guò)串口數(shù)據(jù)指令實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)端子臺(tái)控制，這里選擇的是端子臺(tái)控制方式。

設(shè)置焊機(jī)的預(yù)置參數(shù)，包括電流、電壓、絲徑、材質(zhì)等參數(shù)，成功后，焊機(jī)接收并校驗(yàn)正確回復(fù)。在一臺(tái)PLC同時(shí)控制多臺(tái)焊機(jī)時(shí)，如果焊接過(guò)程中所有焊機(jī)都需要修改焊接電流電壓，且時(shí)序要求比較嚴(yán)格的情況下，必須在待機(jī)時(shí)就將焊接過(guò)程中要用到的規(guī)范存儲(chǔ)于焊機(jī)內(nèi)，在焊接時(shí)通過(guò)焊槍開(kāi)關(guān)的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)范的修改，在焊接過(guò)程中是不允許修改絲徑、材質(zhì)、氣體等信息的。

設(shè)置焊機(jī)的動(dòng)作指令，指的是PLC需要給焊機(jī)發(fā)送的指令。焊接電源的動(dòng)作可通過(guò)指令方式控制，也可選擇IO接口方式控制，在本系統(tǒng)中選擇IO接口方式對(duì)焊機(jī)電源進(jìn)行控制。

專機(jī)焊接選擇無(wú)收弧焊接，其特點(diǎn)是可直接進(jìn)行主焊接，焊槍開(kāi)關(guān)“ON”時(shí)，電弧產(chǎn)生，焊槍開(kāi)關(guān)“OFF”時(shí)，電弧停止，無(wú)收弧操作。專機(jī)設(shè)計(jì)為自動(dòng)焊接作業(yè)，伺服系統(tǒng)可以精準(zhǔn)控制旋轉(zhuǎn)角度，保證焊接到位，無(wú)需收弧操作。

3.3 伺服電機(jī)控制設(shè)計(jì)

此前的專機(jī)常采用氣缸、電機(jī)、接觸器、電磁閥、行程開(kāi)關(guān)相互配合從而完成焊接工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜繁瑣，可靠性和焊接精度更難以把控。本文介紹的焊接專機(jī)在精度上選用伺服系統(tǒng)來(lái)控制，伺服系統(tǒng)是根據(jù)給定值來(lái)控制物體的位置、方位、狀態(tài)等的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程，具有簡(jiǎn)化操作、數(shù)據(jù)采集以及可重復(fù)性等特點(diǎn)。

伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)分別選擇臺(tái)達(dá)的ASDA－A2系列和ECMA系列。臺(tái)達(dá)的伺服系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，擁有專業(yè)的控制軟件，可在電腦上對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。ECMA伺服電機(jī)搭配高精度20－bit等級(jí)(1 280 000 p/rev)編碼器，提升定位精度與低速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定度，速度響應(yīng)頻寬為1kHz，命令整定時(shí)間在1ms之內(nèi)，速度由－3 000r/min加至3 000r/min，加速時(shí)間只需7ms。后橋焊接要求專機(jī)具備高精度和高反應(yīng)速度，伺服系統(tǒng)優(yōu)異的性能可滿足焊接要求，為焊接系統(tǒng)提供了良好的保障。

設(shè)計(jì)要求電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，但長(zhǎng)時(shí)間的低速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)損傷伺服電機(jī)，影響定位精度，因此采用選擇加減速器的方法以滿足設(shè)計(jì)要求。選擇二級(jí)齒輪減速器，一級(jí)減速比為80∶1，二級(jí)減速比為23∶8，總減速比為230:1。三爪卡盤(pán)每轉(zhuǎn)分成3 600 000分，即每3 600 000用戶脈沖對(duì)應(yīng)焊接角位移360°。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算電子齒輪比為:

調(diào)試時(shí)，驅(qū)動(dòng)器與電腦相連，通過(guò)電腦對(duì)操作模式、電子齒輪比、增益系數(shù)、脈沖數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，將設(shè)置值保存。操作模式選擇PR位置模式，驅(qū)動(dòng)器接受位置命令，命令由內(nèi)部寄存器提供，利用DI信號(hào)選擇寄存器編號(hào)。在此模式下，PLC可通過(guò)IO電纜控制伺服驅(qū)動(dòng)器，PLC的輸出選擇合適的步，完成相應(yīng)動(dòng)作;PLC的輸入監(jiān)控伺服系統(tǒng)的運(yùn)行。

3.4 操作面板設(shè)計(jì)

焊接專機(jī)系統(tǒng)操作面板主要用于系統(tǒng)的監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置［8－9］，分3排布置。第一排是觸摸屏，觸摸屏上顯示各氣缸狀態(tài)，左右焊槍的焊接電流、電壓，可根據(jù)焊接工藝，寫(xiě)入新的電流和電壓，也可通過(guò)觸摸屏對(duì)氣缸和焊槍進(jìn)行操作控制。第二排顯示電源通斷情況，借助5個(gè)指示燈，分別顯示系統(tǒng)的主電源、焊機(jī)電源1、焊機(jī)電源2、電機(jī)電源和控制電源這5部分電源通斷情況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源情況。第三排是4個(gè)選擇開(kāi)關(guān)，分別對(duì)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行模式、產(chǎn)品類型、主電源通斷進(jìn)行控制，在焊接操作前，需對(duì)各選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行正確選擇。

4 分析與討論

這套自動(dòng)焊接系統(tǒng)已完成設(shè)計(jì)制造和調(diào)試，投入實(shí)際生產(chǎn)，運(yùn)行良好。焊接件通過(guò)工廠檢驗(yàn)測(cè)試，符合設(shè)計(jì)要求。相比傳統(tǒng)焊接方式，本系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn):

a.該焊接系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，裝卡方便，一人便可完成整套焊接工作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了企業(yè)的人力成本。

b.焊機(jī)可對(duì)電壓電流進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控和調(diào)整，對(duì)不同規(guī)格的產(chǎn)品可快速完成設(shè)置，自動(dòng)化程度更高，適用范圍更廣。

c.伺服系統(tǒng)具有較高的控制精度和反應(yīng)速度，可在設(shè)計(jì)的時(shí)間內(nèi)完成加減速，為可靠焊接提供良好的基礎(chǔ)。

d.焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與母材之間過(guò)渡平滑，焊渣和飛濺物清除干凈，沒(méi)有裂紋、氣孔等缺陷。整體外觀干凈，漂亮。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的焊接設(shè)備需求也在不斷增加。相比于機(jī)器人焊接工作站，焊接專機(jī)價(jià)格相對(duì)低廉，焊接質(zhì)量高，設(shè)計(jì)周期短，調(diào)試方便，維修容易，值得在小批量車型的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中使用。

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