吳樂(lè)明

[摘 要] 隨著自動(dòng)化和汽車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展，車(chē)身焊接生產(chǎn)線(xiàn)也逐漸向全自動(dòng)柔性化方向發(fā)展，焊接機(jī)器人作為自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線(xiàn)最主要的柔性設(shè)備，目前在汽車(chē)行業(yè)中已開(kāi)始廣泛應(yīng)用。以基于西門(mén)子S7-200 PLC的車(chē)門(mén)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別就汽車(chē)車(chē)門(mén)焊接工藝與加工系統(tǒng)、焊接機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合分析與研究，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)順序控制焊接要求，提高了焊接工藝和效率。

[關(guān) 鍵 詞] PLC 汽車(chē)車(chē)門(mén)；焊接機(jī)器人；控制系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）20-0086-02

汽車(chē)行業(yè)的制造模式由原來(lái)的大批量、單一模式向按用戶(hù)要求的柔性精益生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，而自動(dòng)焊接技術(shù)在汽車(chē)車(chē)身焊接生產(chǎn)線(xiàn)上的應(yīng)用有著十分重要的意義。S7-200PLC功能強(qiáng)大、編程調(diào)試方便，能滿(mǎn)足高性能工業(yè)機(jī)器人位置和運(yùn)動(dòng)精度要求，在汽車(chē)車(chē)門(mén)自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)上有著廣泛的應(yīng)用。

一、車(chē)門(mén)焊接工藝與加工系統(tǒng)組成

車(chē)身焊接是汽車(chē)制造生產(chǎn)線(xiàn)上的重要環(huán)節(jié)，而車(chē)門(mén)焊接是車(chē)身焊接中的關(guān)鍵一環(huán)，其工藝好壞直接影響到整車(chē)的質(zhì)量和性能。車(chē)門(mén)焊接生產(chǎn)線(xiàn)包含四個(gè)工位，兩臺(tái)焊接機(jī)器人，工位一、工位二、工位三、工位四代表不同的工序，焊接機(jī)器人按照工藝要求，順序控制完成工位一到工位四的工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)門(mén)不同部件的焊接。車(chē)門(mén)焊接工藝流程如圖1所示。

整個(gè)焊接控制系統(tǒng)由西門(mén)子PLC、機(jī)器人、氣壓回路、夾具系統(tǒng)、操作臺(tái)等構(gòu)成。S7-200 PLC的輸入部分主要為各工位按鈕操作指令和傳感器檢測(cè)信號(hào)，其輸出部分主要為氣缸、電磁閥以及各指示燈，其中PLC對(duì)焊接機(jī)器人的控制極為關(guān)鍵。而采用模塊化編程方法可以極大地提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

二、PLC硬件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，其中焊接工藝的夾具系統(tǒng)是由氣壓回路的氣缸實(shí)現(xiàn)的，每組氣缸分別由1個(gè)三位五通電磁閥來(lái)控制換向。工位一、二、三、四分別有4、5、6、7個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸上裝有2個(gè)位置傳感器，共計(jì)有52路I/O輸入點(diǎn)，加上機(jī)器人的通信接口和夾具體識(shí)別信號(hào)，總共的I/O點(diǎn)不超過(guò)200個(gè)，PLC的硬件不需要采用遠(yuǎn)程I/O模塊，因此選擇S7-200PLC CPU226以及2個(gè)擴(kuò)展模塊（數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊EM223和EM221），各模塊及配置如表1所示。

由于焊接過(guò)程產(chǎn)生一定的溫度，使氣壓回路的壓力對(duì)夾具系統(tǒng)的夾具功能受到影響，所以在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中需添加模擬量擴(kuò)展模塊EM235。EM235模塊可控制焊接過(guò)程中的溫度和氣壓系統(tǒng)的壓力，當(dāng)氣壓回路壓力超出允許工作范圍時(shí)，PLC輸出信號(hào)會(huì)自動(dòng)切斷生產(chǎn)線(xiàn)電源，保護(hù)焊接加工工藝生產(chǎn)線(xiàn)不被破壞。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，S7-200 PLC的I/O分配表如表2所示（為表達(dá)清楚，表中只列出部分I/O端子）。其中SB4按鈕為手動(dòng)、自動(dòng)切換按鈕，SB5為急停按鈕。

三、PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC與機(jī)器人在通信前要定義好通信協(xié)議，PLC與焊接機(jī)器人通信數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。為了避免動(dòng)作指令受到外界干擾而被錯(cuò)誤地執(zhí)行，使用BBC校驗(yàn)碼來(lái)確保通信正確。指令發(fā)送方將要傳送的字符串的ASCII碼以字節(jié)為單位作異或和并發(fā)給接收方。接收方收到指令后，則以相同方式對(duì)收到的字符串作異或和，并與傳送方發(fā)送來(lái)的真值作對(duì)比，或兩者的值相等，則說(shuō)明通信正確。

按下啟動(dòng)按鈕，整個(gè)系統(tǒng)處于上電復(fù)位狀態(tài)，控制器對(duì)各輸入狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行掃描，并將掃描后的信息與程序存儲(chǔ)器中的各模塊參數(shù)對(duì)比，如果兩者參數(shù)相同，則開(kāi)始執(zhí)行該模塊。

各模塊動(dòng)作結(jié)束后，S7-200PLC開(kāi)始與焊接機(jī)器人相互通信。首先PLC向焊接機(jī)器人發(fā)送通信命令，機(jī)器人接收后并將與其自身控制器存儲(chǔ)器中的相關(guān)指令比照，從而選擇相應(yīng)的模塊程序開(kāi)始執(zhí)行，并進(jìn)行焊接工藝或位置移動(dòng)操作。焊接工藝參數(shù)的實(shí)現(xiàn)取決于焊機(jī)激光器的電源電流的大小和通斷時(shí)間，在焊接機(jī)器人控制器控制下，機(jī)器人可以按照程序設(shè)定的工作路徑進(jìn)行操作。相應(yīng)焊接操作完成后，機(jī)器人向PLC傳送指令，PLC根據(jù)接收的指令完成下一步的流程，之后再發(fā)送指令至機(jī)器人，直至整個(gè)工作完成結(jié)束，PLC與機(jī)器人的程序具體流程圖如圖2所示（見(jiàn)文末）。

S7-200PLC系統(tǒng)采用模塊化編程的方式，將一個(gè)大的程序按功能分割成一些小模塊，相互對(duì)立，各自具有相應(yīng)的功能。這樣可以使程序設(shè)計(jì)更優(yōu)化，縮短了開(kāi)發(fā)周期，易于維護(hù)和功能擴(kuò)充，保證整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)、有序地完成車(chē)門(mén)的焊接工藝。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)的主要過(guò)程為：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，在自動(dòng)工作模式下，焊接機(jī)器人初始化，當(dāng)焊接工位一上有零件時(shí)，傳感器給PLC發(fā)送控制命令，PLC輸出信號(hào)給氣壓系統(tǒng)電磁閥，電磁閥得電動(dòng)作，氣缸伸出，零件被夾緊，零件裝夾完畢保持2S后，PLC發(fā)送焊接信號(hào)命令，機(jī)器人接收到PLC所發(fā)信號(hào)后開(kāi)始工作，工藝完成后，機(jī)器人向PLC發(fā)送松開(kāi)夾具和轉(zhuǎn)換工位信號(hào)，PLC控制工作臺(tái)拖動(dòng)零件向焊接工位二運(yùn)動(dòng)。以此類(lèi)推，直至車(chē)門(mén)上的各個(gè)零件在4個(gè)焊接工位全部焊接完成。PLC軟件共包含下面幾個(gè)部分：（1）主程序是整個(gè)程序的核心程序，將PLC、氣壓回路電磁閥各參數(shù)進(jìn)行初始化，同時(shí)對(duì)電源、焊接、故障、對(duì)指示燈進(jìn)行處理和顯示，同時(shí)開(kāi)始調(diào)用和處理相應(yīng)的子程序及中斷子程序。（2）子程序共20個(gè)子程序，主要完成手動(dòng)各工位工作循環(huán)、4個(gè)工位夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作、PLC輸出指示燈、各工位間工件傳送、焊車(chē)機(jī)器人1與機(jī)器人2交替工作等多種功能，為閱讀、調(diào)試、修改提供方便。（3）中斷子程序包括接收信息完成、接收字符、發(fā)送完成等中斷服務(wù)程序。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)S7-200PLC與焊接機(jī)器人構(gòu)建的控制系統(tǒng)，能有效提高焊接工藝和生產(chǎn)效率。通過(guò)PLC與焊接機(jī)器人的之間通信，確保焊接機(jī)器人與各工位焊接工序可以協(xié)同工作，使整個(gè)車(chē)門(mén)生產(chǎn)線(xiàn)上的焊接工藝水平提高、效率增強(qiáng)、質(zhì)量可靠，為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)小型化、輕量化及提高車(chē)身結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能的發(fā)展，提供了強(qiáng)力技術(shù)支持。

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