汽車焊接件防漏焊一體化監(jiān)控系統(tǒng)的研制

李 楊

（柳州職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，廣西 柳州545005）

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對汽車質(zhì)量提出了更高的要求。汽車底盤副車架由多個焊接件拼裝焊接而成，對焊接質(zhì)量要求較高，部分企業(yè)還無法立即由人工點焊提升至機器人焊接，但是對于拼裝件的焊接質(zhì)量，均通過后期焊后探傷及破壞性試驗抽檢才能確定焊接質(zhì)量，無法在焊接過程中及時發(fā)現(xiàn)，從而造成質(zhì)量不合格帶來損失，而且各汽車主機廠對供貨鏈要求較高，各配套零部件生產(chǎn)企業(yè)對供貨質(zhì)量需求就顯得尤為重要。本項目主要研究如何對焊機執(zhí)行末端進行檢測，將實時檢測焊接電流，并能直接采集電流信號即可發(fā)回防漏焊控制系統(tǒng)進行自動判斷實時焊接電流強弱，是否達到焊點焊接要求，是否過高或過低，能快速地在系統(tǒng)進行顯示反饋，在工位及時提醒糾正員工焊接操作，及時發(fā)現(xiàn)當前焊接質(zhì)量，同時可以對每類焊接件焊點數(shù)進行計數(shù)是否符合要求，對焊接線上動態(tài)及時地進行焊點質(zhì)量監(jiān)控有重要意義。

1 人工點焊對焊接件質(zhì)量的影響

主要體現(xiàn)以下幾個方面：

（1）人工焊接由于自身技術(shù)水平的高低影響每個焊接點的焊接質(zhì)量，會因為焊接電流還未能達到標準電流值就完成了焊接過程，以及在焊接時保壓時間不足也會造成焊接質(zhì)量達不到要求。

（2）人工焊接的過程還包含了焊接件的拼裝，雖然有工裝夾具進行定位，但是仍然會出現(xiàn)手工放置的偏差，帶有偏差的焊接件在進行點焊后會由于貼合面不夠緊密而造成焊接不牢固的質(zhì)量問題。

（3）企業(yè)會根據(jù)排產(chǎn)情況對生產(chǎn)線每天每一時段的焊接工件進行調(diào)整，在焊接時工人未能按照工藝要求改變安裝工件工藝，而造成焊接完成的工件為不合格品。

（4）焊鉗電極修模完全靠人工經(jīng)驗進行判斷是否需要修模，會由于修模的不穩(wěn)定造成部分零件出現(xiàn)質(zhì)量問題。

2 自動焊接系統(tǒng)的設計思路

根據(jù)企業(yè)實際需求，本系統(tǒng)設計針對一個車間進行多條人工焊接線進行整體防漏焊質(zhì)量監(jiān)控，按照解決焊接過程及時反饋焊接質(zhì)量為原則，從以下多個方面實時進行防漏焊等功能的實現(xiàn)[1]。

（1）焊點數(shù)量錯漏監(jiān)控。實時監(jiān)控每個工件每個焊鉗的焊點數(shù)量，避免漏焊少焊，提升焊接件焊接質(zhì)量。

（2）人工放置焊接件容易由于人工原因?qū)е潞附蛹胖貌焕喂?，容易導致拼焊件縫隙過大進而引發(fā)焊點缺陷及導致零件最終的焊接質(zhì)量問題，如圖1所示。

圖1 焊點缺陷及放置不牢固導致零件質(zhì)量問題

（3）焊點焊接電流監(jiān)控。實時監(jiān)控點焊焊鉗的焊接電流（每個焊點最大電流），避免焊點的脫焊虛焊假焊，提升焊接件焊接質(zhì)量。

（4）焊接件防錯功能。通過夾具平臺的換銷功能，針對不同車型，切換對應的定位銷（或卡銷），實現(xiàn)當前車型的焊接件能正常放置，非當前車型（錯誤件）無法正常放置的功能。

（5）暗燈功能。通過操作按鈕盒，實現(xiàn)物料、設備、操作、質(zhì)量等暗燈控制，促進生產(chǎn)和管理等環(huán)節(jié)的效率。

（6）修磨功能。通過操作按鈕盒，實現(xiàn)修模器、減壓器的控制。

（7）生產(chǎn)監(jiān)控及產(chǎn)品質(zhì)量信息記錄。

通過上位監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)管理部門（生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量等）的生產(chǎn)在線監(jiān)控，以及問題產(chǎn)品的信息記錄，為生產(chǎn)各部門之間的問題處理溝通提供幫助。

3 控制系統(tǒng)硬件總體設計

3.1 系統(tǒng)控制方案的確定

系統(tǒng)由各生產(chǎn)線PLC獨立進行漏焊、焊接電流等參數(shù)的信號采集處理等工作，再由各個生產(chǎn)線工段的PLC將數(shù)據(jù)連接到觸摸屏及工控機，每個生產(chǎn)線工段有一臺觸摸屏進行現(xiàn)場操作及監(jiān)控，整個車間由三臺工控機實現(xiàn)對現(xiàn)場各個生產(chǎn)線工位的一體化防漏焊監(jiān)控，云端由APP客戶端接入實現(xiàn)手機實時監(jiān)控車間的工況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡連接圖

車間由多個生產(chǎn)線單元組成，每個線體負責的焊機數(shù)量如表1所示。

表1 各單元焊機數(shù)量明細表

3.2 控制器件硬件選型

主要設備選型如下：

PLC部分：西門子PLC主機CPU SR60，供電電源AC 220 V.

觸摸屏：昆侖通態(tài)觸摸屏，10寸彩屏，帶網(wǎng)口，供電電源DC 24 V.

電流互感器：電流比：400/5，準確級：0.5級，頻率：50 Hz，穿心1匝，絕緣耐熱 E級。

列舉后車架縱梁2號線設備部分硬件選型列表如表2所示。

表2 后車架縱梁-2#站型號配置表

部分硬件選型參數(shù)型號涉及知識產(chǎn)權(quán)保護，所以未詳細列出。

3.3 各生產(chǎn)線單元功能

每個單站可完成對各個工位焊鉗在焊接過程中焊點數(shù)量的統(tǒng)計從而實現(xiàn)對漏焊的監(jiān)控，同時具備焊接電流大小是否符合要求的監(jiān)控，工裝夾具防漏焊傳感器的檢測等，并利用聲光報警三色燈進行提示外，還將信息與觸摸屏、工控機及云端共享[2]。如圖3所示為單站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 單站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 PLC各站I/O信號分配（部分）

以車間的后車架縱梁-2#線PLC I/O分配表為例，進行各站的PLC I/O地址分配。表3為后車架縱梁-2#PLC I/O分配表。

表3 后車架縱梁-2#PLC I/O分配表

輸入功能 輸入點 輸入功能 輸入點 輸出功能 輸出點 輸出功能 輸出點工位2按鈕盒質(zhì)量I1.6工位7按鈕盒物料I20.1焊機85紅燈和蜂鳴器Q1.6 焊鉗11自鎖61 Q20.6工位3按鈕盒復位I1.7工位7按鈕盒調(diào)配I20.2焊機60黃燈Q1.7減壓器輸出備用1Q20.7工位3按鈕盒啟動I2.0工位7按鈕盒質(zhì)量I20.3焊機60綠燈Q2.0減壓器輸出備用2Q22.0工位3按鈕盒設備I2.1減壓器備用1I20.4焊機60紅燈和蜂鳴器Q2.1 減壓器輸出備用3 Q22.1工位3按鈕盒物料I2.2減壓器備用2I20.5焊機38黃燈Q2.2減壓器輸出備用4Q22.2工位3按鈕盒調(diào)配I2.3減壓器備用3I20.6焊機38綠燈Q2.3減壓器輸出備用5Q22.3工位3按鈕盒質(zhì)量I2.4減壓器備用4I20.7焊機38紅燈和蜂鳴器Q2.4 減壓器輸出備用6 Q22.4工位4按鈕盒復位I2.5減壓器備用5I21.0焊機40黃燈Q2.5減壓器輸出備用7Q22.5工位4按鈕盒啟動I2.6減壓器備用6I21.1焊機40綠燈Q2.6減壓器輸出備用8Q22.6工位4按鈕盒設備I2.7減壓器備用7I21.2焊機40紅燈和蜂鳴器Q2.7 減壓器輸出備用9 Q22.7工位4按鈕盒物料I3.0減壓器備用8I21.3焊機42黃燈Q16.0減壓器輸出備用10Q24.0工位4按鈕盒調(diào)配I3.1減壓器備用9I21.4焊機42綠燈Q16.1減壓器輸出備用11Q24.1工位4按鈕盒質(zhì)量I3.2減壓器備用10I21.5Q16.2工位5按焊機42紅燈和蜂鳴器鈕盒復位I3.3減壓器備用11I21.6焊機47黃燈Q16.3工位5按鈕盒啟動I3.4互感器HQ1_1AIW16焊機47綠燈Q16.4工位5按鈕盒設備I3.5互感器HQ2_1AIW18Q16.5工位5按焊機47紅燈和蜂鳴器鈕盒物料I3.6互感器HQ3_1AIW20焊機43黃燈Q16.6工位5按鈕盒調(diào)配I3.7互感器HQ4_1AIW22焊機43綠燈Q16.7工位5按鈕盒質(zhì)量I4.0互感器HQ5_1AIW24工位6按鈕盒復位I4.1互感器HQ6_1AIW26工位6按鈕盒啟動I4.2互感器HQ7_1AIW28工位6按鈕盒設備I4.3互感器HQ8_1AIW30工位6按鈕盒物料I16.0互感器HQ9_1AIW32工位6按鈕盒調(diào)配I16.1互感器HQ10_1AIW34工位6按鈕盒質(zhì)量I16.2互感器HQ11_1AIW36

3.5 PLC各站網(wǎng)絡地址的分配

各PLC站點通訊IP地址的分配見表4.

表4 各PLC站點通訊IP地址的分配

各監(jiān)控站點通訊IP地址的分配見表5.

表5 各監(jiān)控站點通訊IP地址的分配

3.6 控制系統(tǒng)程序設計

程序設計（部分）：

各焊鉗實時電流采集，確定焊接電流是否符合要求，根據(jù)焊接電流的情況進行程序判斷，包括焊點計數(shù)等等[3]。程序（部分）如下：

LD Always_On

LPS

MOVW 互感器HQ84_1，互感器中間變量84_1

AENO

ITD 互感器中間變量84_1，互感器中間變量84_2

LRD

DTR 互感器中間變量84_2，互感器中間變量84_3

AENO

MOVR 互感器中間變量84_3，互感器中間變量84_4

/R 1.0，互感器中間變量84_4

LRD

AN 焊鉗84計數(shù)

AN 焊機系統(tǒng)啟動84_1

MOVR 互感器中間變量84_4，無焊接電流084

/R 1.0，無焊接電流084

LPP

MOVR 互感器中間變量84_4，VD212

AENO

-R 5500.0，VD212

AENO

MOVR VD212，電流值84

*R 電流比例值設定084，電流值84

工位焊接過程進行計時，自夾具關閉到位后，到人工開始進行焊接至結(jié)束，是否因人為因素或其他原因?qū)е潞附訒r間過長的情況，可以自動由系統(tǒng)進行告警及通知人工進行處理。

LD Always_On

LD 工位1按鈕盒復位

AN 焊鉗84自鎖

O First_Scan_On

O V241.1

O V261.0

ALD

LPS

EU

MOVW 0，復位時間84

INCW 復位時間84

LRD

A Clock_1s

EU

INCW 復位時間84

LRD

AW＞= 復位時間84，5

= 復位84

LRD

R 夾具夾緊信號084，1

LRD

R 夾具打開信號084，1

LPP

R 工作結(jié)束復位運行信號084，1

3.7 人機監(jiān)控界面設計

系統(tǒng)設置了三級監(jiān)控平臺實現(xiàn)對整個車間的各生產(chǎn)線進行監(jiān)控，現(xiàn)場工段級由各條線的觸摸屏進行監(jiān)控，車間級由工控機進行監(jiān)控，車間云端平臺負責將現(xiàn)場級的狀態(tài)通過APP客戶端實現(xiàn)實時監(jiān)控[4]。

3.7.1 焊接線觸摸屏設計

觸摸屏通過PLC實現(xiàn)對現(xiàn)場每個工位的焊接件焊接點數(shù)的參數(shù)設定，車型的排產(chǎn)設定，焊接電流等參數(shù)的實時信號采集，報警及產(chǎn)量等信息的監(jiān)控。工段級觸摸屏監(jiān)控界面見圖4所示。

3.7.2 工控機組態(tài)監(jiān)控界面設計

車間級由工控機進行全方位監(jiān)控，采用組態(tài)王軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控。如圖5、圖6所示。3.7.3云端監(jiān)控

圖4 工段級觸摸屏監(jiān)控界面

圖5 車間級工控機組態(tài)監(jiān)控界面

圖6 工控機單站組態(tài)監(jiān)控界面

為符合企業(yè)信息化實時監(jiān)控相應要求，設計的云端監(jiān)控平臺可以利用安卓APP客戶端讓管理人員及技術(shù)主管及時了解現(xiàn)場生產(chǎn)情況。圖7為云端監(jiān)控界面，可以實時監(jiān)控現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)調(diào)試及驗證分析

焊接線一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能示意圖（焊接計數(shù)、電流監(jiān)測、部件防漏、工位暗燈、修磨、管理及質(zhì)量問題信息記錄）通過現(xiàn)場調(diào)試，實現(xiàn)了一下幾個方面的功能：見圖8.

圖7 APP客戶端監(jiān)控界面

圖8 車間一體化監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

4.1 系統(tǒng)硬件安裝及調(diào)試

單站平臺：由平臺工件工件檢測開關、傳感器、平臺鎖件機構(gòu)、控制系統(tǒng)、人機界面、控制箱、報警系統(tǒng)以及可選的修模器、減壓器及暗燈系統(tǒng)等組成。

網(wǎng)絡構(gòu)建：除單站（下位機）以外，增加上位監(jiān)控工作站、網(wǎng)關、通訊模塊、通訊線路等。

4.2 系統(tǒng)功能

通過現(xiàn)場調(diào)試，完成了以下多項的功能，達到了企業(yè)要求。

（1）每把焊鉗焊點數(shù)量統(tǒng)計及錯漏報警；

（2）每個焊點電流檢測及虛焊報警；

（3）少焊報警及夾具平臺鎖定；

（4）焊接件放置防錯及部件漏焊檢測功能；

（5）暗燈（物料、設備、操作、質(zhì)量）系統(tǒng)功能；

（6）工位焊機修磨控制（減壓、修磨）；

（7）人機界面修改參數(shù)、錯誤顯示、合格率；

（8）生產(chǎn)上位監(jiān)控；

（9）網(wǎng)絡型實現(xiàn)上位監(jiān)控整體生產(chǎn)線的焊裝生產(chǎn)工況，遠程切換車型，更改焊接工藝參數(shù)，統(tǒng)計生產(chǎn)數(shù)據(jù)，協(xié)助生產(chǎn)及質(zhì)量管理。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于PLC的汽車焊接件防漏焊一體化監(jiān)控系統(tǒng)的研制，解決了企業(yè)人工焊接過程中的漏焊、錯焊及焊接電流不足等造成的焊接件質(zhì)量問題，能及時發(fā)現(xiàn)并反饋給質(zhì)量部門進行及時質(zhì)量跟進及處理，避免了事后質(zhì)檢才發(fā)現(xiàn)大批量不合格件的情況。

在實際應用中還有些問題有待下一階段的提高，例如：

（1）在每個拼焊件人工焊接過程中，通過計數(shù)的方式判斷是否漏焊，工人有可能會在某個需要焊接的地方?jīng)]有焊接，但是在另一個地方焊接兩次，總數(shù)是正確的，但是還是會造成系統(tǒng)誤判的情況。這需要規(guī)范工人的工作流程來解決。

（2）本系統(tǒng)具有實時監(jiān)控漏焊及影響焊接質(zhì)量的反映功能，出現(xiàn)此類情況通過鎖槍不讓繼續(xù)焊接的方式實現(xiàn)，然后通過技術(shù)人員糾錯再解槍的方式。但是在實際應用中依然發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場技術(shù)人員無法及時快速處理導致焊接線無法繼續(xù)進行流水線作業(yè)，需要快速保障的體系才能配合實現(xiàn)。

系統(tǒng)下一階段將圍繞以上問題進一步改進人機效能，在企業(yè)還無法大面積采用工業(yè)機器人焊接的情況下，找出最優(yōu)的程序方案以實現(xiàn)最大效能的汽車焊接件防漏焊一體化監(jiān)控系統(tǒng)。