基于PLC的ABB工業(yè)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹德嚴(yán)

摘要：隨著自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，汽車(chē)制造領(lǐng)域中智能化、柔性化及精益化方面得到迅速提升，得益于焊接機(jī)器人在汽車(chē)制造中發(fā)揮重要作用。本文以西門(mén)子S7-300PLC為核心控制器，以西門(mén)子TP1200觸摸屏為HMI界面對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控和操作，實(shí)現(xiàn)ABB工業(yè)焊接機(jī)器人的有效控制。文中圍繞控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、硬件選型及HMI界面設(shè)計(jì)完成ABB工業(yè)焊接機(jī)器人的精確、穩(wěn)定控制，提升了汽車(chē)制造焊接工作效率、確保了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性、降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)踐意義。

Abstract： With the rapid development of automation technology and information technology， the intelligent， flexible and lean aspects in the field of automobile manufacturing have been rapidly promoted， and automobile welding robots play an important role in automobile manufacturing. Siemens S7-300PLC is used as the core controller， TP1200 touch screen is used as HMI interface to monitor and operate the equipment operation， and ABB industrial welding robot is effectively controlled. This paper focuses on the control system software design， hardware selection and HMI interface design to complete ABB industrial welding robot's accuracy and stability. It improves the working efficiency of automobile manufacturing welding， ensures the stability of welding quality and reduces the labor intensity. It has certain practical significance for the design of automobile welding robot control system.

關(guān)鍵詞：ABB機(jī)器人;焊接;S7-300PLC;HMI

Key words： ABB robot;welding;S7-300PLC;HMI

0 ?引言

隨著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的提出和快速推進(jìn)，智能化制造、柔性化制造及精益化制造成為制造領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)。在汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程中，白車(chē)身焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵、火花、飛濺，不僅會(huì)影響車(chē)身焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員身體健康造成一定的傷害，為提升汽車(chē)生產(chǎn)制造效率和焊接質(zhì)量穩(wěn)定性，我國(guó)多數(shù)整車(chē)制造基地引進(jìn)ABB機(jī)器人應(yīng)用于沖壓、焊裝、噴涂等各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高汽車(chē)制造的自動(dòng)化水平，保證汽車(chē)制造質(zhì)量，同時(shí)降低汽車(chē)制造員工的工作強(qiáng)度及改善工作環(huán)境[1]?；赑LC的汽車(chē)自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)是運(yùn)用PLC作為核心控制器，以觸摸屏+PC站為人機(jī)操作界面對(duì)ABB工業(yè)焊接Robot（機(jī)器人）進(jìn)行操作及遠(yuǎn)程監(jiān)控，以提升白車(chē)身焊接質(zhì)量和工作效率。作為汽車(chē)制造焊接相關(guān)技術(shù)人員，進(jìn)行積極有效的探究白車(chē)身焊接工業(yè)Robot控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保證白車(chē)身焊接質(zhì)量的不斷提升具有較高的實(shí)踐意義。

1 ?白車(chē)身焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

ABB焊接Robot是具有較高自動(dòng)控制水平的焊接操作機(jī)，能夠重復(fù)多次進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，通常用于3個(gè)以上的編程的軸，通過(guò)其安裝在管線包里面的通訊、動(dòng)力電纜及控制系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)及軸計(jì)算機(jī)對(duì)Robot的控制[2]。PLC控制技術(shù)成熟、可靠、穩(wěn)定，在制造領(lǐng)域生產(chǎn)制造過(guò)程中得到充分的實(shí)踐應(yīng)用，其具有編程簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

白車(chē)身是汽車(chē)各功能部件的載體，在進(jìn)行外表涂裝、內(nèi)室裝飾及整車(chē)總裝前需完成焊接工序，其焊接質(zhì)量很大程度決定著整車(chē)車(chē)身的技術(shù)性能。白車(chē)身焊接控制系統(tǒng)通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，主要包括伺服驅(qū)動(dòng)模塊、電氣控制模塊等。伺服驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)控制6臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)焊槍工具中心點(diǎn)（TCP）在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的移動(dòng)及對(duì)應(yīng)X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成焊接Robot全關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制，達(dá)到焊接機(jī)械臂姿態(tài)、空間的轉(zhuǎn)變，達(dá)到定位焊槍和跟蹤焊接的目的;電氣控制模塊主要用于接受現(xiàn)場(chǎng)反饋及控制信息，完成伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制，同時(shí)具備故障診斷、報(bào)警、記錄、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。基于PLC的白車(chē)身焊接Robot控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

白車(chē)身焊接控制器選用控制性能和經(jīng)濟(jì)性較好的西門(mén)子S7-300PLC為核心控制器，觸摸屏選用西門(mén)子TP1200，PLC與觸摸屏間采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，Profinet通訊具有傳輸效率高、組態(tài)方便、抗干擾能力強(qiáng)、功能完善的優(yōu)點(diǎn)。

2 ?控制系統(tǒng)硬件選型

白車(chē)身焊接Robot控制系統(tǒng)硬件選型時(shí)需要綜合考慮控制點(diǎn)數(shù)量（I/O點(diǎn)位數(shù)）、外部設(shè)備兼容性、系統(tǒng)的先進(jìn)性、配套工藝軟件、網(wǎng)絡(luò)通訊、經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題。在滿足工藝需求前提下，盡量選用可靠成熟、經(jīng)濟(jì)性高的控制器及控制模塊;通常I/O模塊數(shù)量配置時(shí)依據(jù)工作任務(wù)需求并冗余10～20%的I/O點(diǎn)位量，以便于后期系統(tǒng)維護(hù)、維修以及系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

2.1 PLC控制器

依據(jù)ABB工業(yè)焊接Robot的控制要求及焊接工藝需求，統(tǒng)計(jì)白車(chē)身焊接控制系統(tǒng)點(diǎn)位數(shù)量（如表1所示），共確定I/O點(diǎn)32個(gè)，考慮到控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、擴(kuò)展性及經(jīng)濟(jì)性，選用西門(mén)子CPU319為核心控制器，單條指令處理時(shí)間約為0.1μs，同時(shí)自帶Profinet網(wǎng)絡(luò)接口。數(shù)字量輸入模型選用6ES7221-1HF32-0XA0、數(shù)字量輸入模塊選用6ES7222-1HB32-0BX0、伺服驅(qū)動(dòng)模塊選用6SL3210-5FE10-8UA0[3]。

2.2 傳感器選型

白車(chē)身焊接Robot控制系統(tǒng)傳感器主要為位置傳感器，包括焊接工作臺(tái)移動(dòng)位置檢測(cè)、焊槍移動(dòng)位置檢測(cè)及工件位置檢測(cè)。焊槍位置檢測(cè)及工件位置檢測(cè)選用倍加福NBB5-18GM50-E2-C-V1光電開(kāi)關(guān)、焊接工作位置傳感器選用BC50S光電編碼器。

2.3 控制開(kāi)關(guān)

白車(chē)身焊接Robot控制系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)主要用于設(shè)備啟動(dòng)，工作模式的轉(zhuǎn)換，暫停、急停及復(fù)位功能。

2.4 HMI人界面

人機(jī)界面選用西門(mén)子TP1200系列觸摸屏，完成觸摸屏與S7-300PLC通訊后，可以完成焊接模式選擇、報(bào)警記錄、焊接參數(shù)設(shè)置及焊接過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)視及信息讀取等功能[4]。

2.5 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是在PLC控制下自動(dòng)完成焊槍X向、Y向的移動(dòng)，滿足焊接工作任務(wù)需求，本系統(tǒng)主要通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)完成相應(yīng)的移動(dòng)指令。

2.6 報(bào)警及顯示裝置

報(bào)警及顯示裝置主要用于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示及系統(tǒng)故障的緊急報(bào)警，當(dāng)Robot發(fā)生水壓異常、氣壓異常以及焊槍電極更換、修磨超量等故障時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器將檢測(cè)信號(hào)傳輸給PLC控制器經(jīng)邏輯處理后輸出控制信號(hào)給指示燈和蜂鳴器，發(fā)出緊急報(bào)警信號(hào)，以提升工作人員進(jìn)行故障處理。同時(shí)PLC控制將報(bào)警信息傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行歸檔處理并存儲(chǔ)，便于維修人員進(jìn)行故障查詢(xún)。

3 ?PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于PLC的汽車(chē)焊機(jī)Robot控制系統(tǒng)主要包括夾具控制、焊接操作臺(tái)控制、氣缸控制、Robot控制等，按照模塊化設(shè)計(jì)可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及故障排除的便捷性。依據(jù)ABB工業(yè)焊接Robot控制系統(tǒng)各部分的執(zhí)行步驟，在下位機(jī)Step7軟件中完成系統(tǒng)軟件程序編寫(xiě)，主要包括：

①初始化程序主要完成控制器、氣壓回路、電磁閥等參數(shù)的復(fù)位;主程序?qū)Π总?chē)身焊接系統(tǒng)的電源、故障（含安全）、焊接等進(jìn)行顯示和邏輯處理，同時(shí)對(duì)各子程序進(jìn)行調(diào)用和中斷;

②子程序主要用于完成工位工作循環(huán)、機(jī)構(gòu)夾緊、故障處理、焊接工作、工作模式等功能;

③中斷程序主要用于信息接收、字符接收及發(fā)送等中斷程序[5]。

當(dāng)白車(chē)身焊接控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化動(dòng)作，在PLC的控制下啟動(dòng)伺服系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)上位機(jī)中選擇Robot工作模式，當(dāng)選擇工作模式后PLC向ABB焊接Robot發(fā)送程序號(hào)（即任務(wù)號(hào)），Robot依據(jù)對(duì)應(yīng)任務(wù)號(hào)調(diào)用相應(yīng)的工作程序，完成相應(yīng)的動(dòng)作指令。在汽車(chē)零部件焊接過(guò)程中，焊接Robot依據(jù)PLC控制指令通過(guò)控制通斷時(shí)間和電流大小，按照一定的工藝順序進(jìn)行焊接工作。PLC與ABB焊接Robot進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，當(dāng)Robot完成一個(gè)動(dòng)作指令后向PLC傳送動(dòng)作結(jié)果，當(dāng)PLC接收動(dòng)作回復(fù)后，持續(xù)向ABB工業(yè)焊接Robot發(fā)送下一步動(dòng)作指令，按照一定的順序指令進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，直到完成所有焊接任務(wù)，如圖2所示。

白車(chē)身焊接控制系統(tǒng)采用WinCC軟件設(shè)計(jì)，WinCC與CPU319進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，完成焊接車(chē)間焊接生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取及功能處理。WinCC軟件可實(shí)現(xiàn)快速便捷組態(tài)汽車(chē)焊接生產(chǎn)線流程畫(huà)面、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及歸檔，具有功能完善、人機(jī)友好、兼容性好、操作容易等優(yōu)勢(shì)。WinCC界面主要包括登錄界面、自動(dòng)焊接界面、手動(dòng)調(diào)試界面、參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、故障報(bào)警界面，手動(dòng)調(diào)試界面可控制分別進(jìn)行Robot機(jī)械臂控制、焊接工作平臺(tái)控制（即夾具控制），如圖3所示。

4 ?分析與討論

本文以西門(mén)子S7-300PLC對(duì)ABB工業(yè)白車(chē)身焊接Robot的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，以提升白車(chē)身焊接自動(dòng)化水平，進(jìn)而提高白車(chē)身焊接加工效率和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性?；赑LC的ABB工業(yè)焊接Robot控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

①焊接自動(dòng)化水平高、降低焊接工位勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約人力成本;

②控制系統(tǒng)能夠精確控制和監(jiān)控焊接電流和時(shí)間，可適用于不同型號(hào)汽車(chē)零部件的焊接;

③伺服電機(jī)具有較好的反應(yīng)速度和控制精度，焊接可靠性高;

④焊點(diǎn)的位置、質(zhì)量等一致性高，確保車(chē)身的焊接品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢行，馬永力.基于PLC的汽車(chē)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（04）：96-99.

[2]羅淼，鞏虎軍，金書(shū)騁.基于Profinet的ABB機(jī)器人與S7-300信號(hào)交互[J].電氣自動(dòng)化，2018，40（03）：109-111.

[3]丁姝慧.基于PLC的白車(chē)身焊接機(jī)器人控制研究[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（12）：157-161.

[4]潘垚錕，劉波.基于S7-200PLC的汽車(chē)后橋焊接專(zhuān)機(jī)控制系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2015，44（01）：62-65.

[5]宋欣欣，徐教禮，李盛，等.基于PLC的白車(chē)身焊接機(jī)器人控制分析[J].中外企業(yè)家，2019（07）：141.