基于PLC的汽車白車身焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張小龍 曹德嚴(yán) 武曉亮

摘要： 汽車車身焊接質(zhì)量是提升汽車制造品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊接機(jī)器人在焊接制造過(guò)程中發(fā)揮重要作用，通過(guò)PLC控制器對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行有效控制，以提升汽車焊接質(zhì)量具有重要的實(shí)踐意義和應(yīng)用價(jià)值。文章以西門子的1200PLC為控制核心，對(duì)汽車白車身焊接的控制平臺(tái)、焊接軌跡進(jìn)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制，以西門子KP1500觸摸屏和DELL工控機(jī)為HMI界面為操作平臺(tái)。通過(guò)對(duì)白車身焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)硬件配置、焊接操作軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)焊接系統(tǒng)精確、穩(wěn)定、高效控制。所述控制系統(tǒng)提升了白車身焊接效率、焊接質(zhì)量和自動(dòng)化水平，降低了人工工作，保證了焊接質(zhì)量，具有一定的實(shí)踐意義。

Abstract： The welding quality of automobile body is the key link to improve the quality of automobile manufacturing. The welding robot plays an important role in the welding manufacturing process. It has important practical significance and application value to effectively control the welding robot through PLC controller in order to improve the automobile welding quality. The system takes Siemens 1200plc as the control core to remotely control the control platform and welding track of automobile body in white welding. The system takes Siemens kp1500 touch screen and Dell industrial computer as HMI interface and operation platform. Through the design of BIW Welding Control System， control system hardware configuration and welding operation software， the accurate， stable and efficient control of welding system is realized. The control system improves the welding efficiency， welding quality and automation level of BIW， reduces manual work， ensures welding quality， and has certain practical significance.

關(guān)鍵詞： KP1500;S7-1200PLC;HMI;焊接機(jī)器人

Key words： KP1500;S7-1200PLC;HMI;welding robot

中圖分類號(hào)：TP278? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0217-02

0? 引言

隨著科技快速發(fā)展和人們生活水平的提升，汽車需求量逐步攀升、汽車更新?lián)Q代周期逐步加快，人們開(kāi)始追求外觀精美、功能先進(jìn)、質(zhì)量過(guò)硬的現(xiàn)代制造水平汽車，所以柔性化制造、智能化制造成為汽車制造和生產(chǎn)的發(fā)展主要趨勢(shì)，并逐步實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化、柔性化和精益化的汽車制造生產(chǎn)模式。白車身焊接質(zhì)量是保證汽車品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵等物質(zhì)對(duì)人體具有一定危害性[1]。

另外，傳統(tǒng)的人工焊接，在焊接速度、焊接精度、焊接穩(wěn)定性等方面已不適用當(dāng)前汽車制造焊機(jī)工藝，所以焊接機(jī)器人在汽車制造中得到廣泛應(yīng)用。汽車白車身焊接系統(tǒng)是按照工序順序?qū)σ淹瓿蓻_壓的工件進(jìn)行裝配和焊接，完成白車身框架的拼裝。本文所述的基于PLC的汽車白車身焊接控制系統(tǒng)是以S7-1200PLC為核心控制器，以工控機(jī)為HMI界面對(duì)焊接機(jī)器人和焊接生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，提升汽車焊接自動(dòng)化水平和焊接質(zhì)量。

1? 汽車焊接控制系統(tǒng)

汽車焊接控制系統(tǒng)如圖1所示。焊接系統(tǒng)主要包括由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的焊接平臺(tái)，焊接機(jī)器人、S7-1200PLC、焊接控制系統(tǒng)、位置傳感器及遠(yuǎn)程I/OS系統(tǒng)。焊接平臺(tái)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有較高的控制精度和穩(wěn)定性，能夠按照PLC指令動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)白車身焊接和裝配同步。焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)依據(jù)PLC控制器指令完成相關(guān)動(dòng)作，同時(shí)PLC通過(guò)SM模塊采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)、工作狀態(tài)信號(hào)、開(kāi)關(guān)指令、接近開(kāi)關(guān)信號(hào)等，并將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸給HMI界面;控制器和HMI界面采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通訊，其具有技術(shù)成熟、穩(wěn)定、抗電磁干擾能力強(qiáng)，傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2? 控制系統(tǒng)硬件選型

汽車白車身焊接控制系統(tǒng)在硬件選型是需綜合考慮廠區(qū)需求、操作控制、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需求，主要包括控制點(diǎn)計(jì)算、不同設(shè)備兼容、后期系統(tǒng)擴(kuò)展和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等方面。I/O模塊數(shù)量設(shè)計(jì)過(guò)程中，冗余10%～15%的I/O點(diǎn)位量，便于系統(tǒng)使用過(guò)程中能夠快速的維護(hù)和維修及系統(tǒng)升級(jí)[2]。為實(shí)現(xiàn)汽車白車身焊接系統(tǒng)硬件配置準(zhǔn)確、高效、硬件搭配無(wú)誤及通訊無(wú)故障，采用TIA Selection Tool模擬組態(tài)軟件對(duì)汽車焊接控制系統(tǒng)進(jìn)模擬組態(tài)。TIA Selection Tool軟件可以模擬焊接控制系統(tǒng)的機(jī)架分配、硬件配置、附件需求、模塊型號(hào)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，同時(shí)可以檢查組態(tài)通訊和系統(tǒng)是否存在故障?；赥IA Selection Tool軟件控制系統(tǒng)硬件選型，如圖2所示。TIA Selection Tool軟件可以模塊選型、硬件模擬組態(tài)、模塊附件配置和通訊檢測(cè)等。通過(guò)項(xiàng)目視圖模式可以查看硬件組態(tài)的機(jī)架、插槽、序列號(hào)等信息。在項(xiàng)目視圖完成硬件組態(tài)和選型后，可通過(guò)訂單列表查看所需的硬件種類，防止配置硬件遺漏、錯(cuò)誤等問(wèn)題的發(fā)生，將購(gòu)物車內(nèi)訂單信息直接導(dǎo)出生成列表給供貨商或直接導(dǎo)入購(gòu)物商城進(jìn)行硬件采購(gòu)，如圖3所示。①控制器和SM模塊選型：控制器采用西門子CPU1214C，訂單號(hào)為：6ES7214-1AG40-0XB0，西門子1200模塊是介于200模塊和300模塊的新型控制器，控制精度和控制速度較好，具有較好的性價(jià)比，適合于中小型控制系統(tǒng)。CPU1214C控制器為新一代的PLC系統(tǒng)產(chǎn)品，其技術(shù)成熟、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[3]。SM模塊選型為：AI模塊采用SM1231、AO模塊選用SM1232、DI模塊選用SM1221、DO模塊選用SM1222。②HMI選型：HMI選用工控機(jī)+觸摸屏的方式：工控機(jī)選用DELL品牌的21英寸;觸摸屏選用KP1500簡(jiǎn)易屏，通過(guò)PROFINT協(xié)議與PLC通訊;HMI界面能夠?qū)崿F(xiàn)焊接工藝流程、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警、手/自動(dòng)切換命、生產(chǎn)報(bào)表等功能。采用現(xiàn)場(chǎng)KP1500觸摸屏與遠(yuǎn)程PC操作站相結(jié)合的監(jiān)控方式，可提高操作人員工作的便捷性和實(shí)時(shí)性[4]。③傳感器選型：傳感器用于檢測(cè)焊接現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備的位置信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)，將檢測(cè)信號(hào)通過(guò)SM模塊傳輸給PLC控制器，PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算輸出控制指令。

3? 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

汽車白車身焊接控制系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，基于TIA Protal V13平臺(tái)開(kāi)發(fā)，主要分為主程序、子程序及中斷程序。PLC控制器通電復(fù)位后，通過(guò)初試化程序完成各控制參數(shù)的復(fù)位;伺服系統(tǒng)啟動(dòng)后焊接系統(tǒng)進(jìn)行工作模式的選擇：①工作模式時(shí)白車身焊接平臺(tái)自動(dòng)完成焊接件的加緊、組裝和焊接任務(wù)，焊接過(guò)程中PLC控制器依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器返回信號(hào)逐步觸發(fā)控制指令，執(zhí)行每一步的位置移動(dòng)、焊接，直至焊接完成;②手動(dòng)模式是按照相應(yīng)工作步驟進(jìn)行完成，有工作人員點(diǎn)擊HMI界面相應(yīng)控制按鈕，PLC控制器接受到觸發(fā)信號(hào)后發(fā)出相應(yīng)控制指令，按照步驟對(duì)白車身進(jìn)行焊接;③示教模式主要用于對(duì)焊接系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，通過(guò)示教模式可以分析和記錄各運(yùn)動(dòng)軸和焊槍的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)不斷的調(diào)試，可修改和調(diào)整出最佳、最優(yōu)動(dòng)作和路線，可在HMI界面進(jìn)行參數(shù)修改。工作模式選擇完成后，焊接控制系統(tǒng)進(jìn)入工作運(yùn)行，直到工作完成或故障報(bào)警進(jìn)入停機(jī)[5]。白車身焊接控制軟件設(shè)計(jì)流程圖，如圖4所示。

4? 結(jié)論

本文以西門子S7-1200PLC為核心控制器對(duì)汽車白車身焊接控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提升焊接速度、焊接精度、焊接穩(wěn)定性，進(jìn)而提升汽車制造品質(zhì)。本控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：①S7-1200PLC具有較好的控制穩(wěn)定性和控制精度及較高的性價(jià)比;②采用Profinet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC、焊接機(jī)器人、HMI界面通訊，具有較好的人機(jī)界面和操作便捷性;③白車身焊接控制系統(tǒng)有3種工作模式，示教模式可以實(shí)現(xiàn)焊接系統(tǒng)的調(diào)整和優(yōu)化。在今后發(fā)展和改進(jìn)還需要平衡實(shí)際需求和功能需求，進(jìn)一步融合視覺(jué)檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判別焊點(diǎn)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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