李 楊

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)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(jìn)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(jìn)行自動判斷實時焊接電流強弱，是否達(dá)到焊點焊接要求，是否過高或過低，能快速地在系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)前焊接質(zhì)量，同時可以對每類焊接件焊點數(shù)進(jìn)行計數(shù)是否符合要求，對焊接線上動態(tài)及時地進(jìn)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shè)計思路

根據(jù)企業(yè)實際需求，本系統(tǒng)設(shè)計針對一個車間進(jìn)行多條人工焊接線進(jìn)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(jìn)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?dǎo)致拼焊件縫隙過大進(jìn)而引發(fā)焊點缺陷及導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)的定位銷（或卡銷），實現(xiàn)當(dāng)前車型的焊接件能正常放置，非當(dāng)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(shè)備、操作、質(zhì)量等暗燈控制，促進(jìn)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(luò)連接圖

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

表1 各單元焊機數(shù)量明細(xì)表

3.2 控制器件硬件選型

主要設(shè)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(zhǔn)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(shè)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(shè)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(fù)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(shè)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(fù)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(shè)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(fù)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(shè)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(luò)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(shè)計

程序設(shè)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(jìn)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(shè)定084，電流值84

工位焊接過程進(jìn)行計時，自夾具關(guān)閉到位后，到人工開始進(jìn)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(jìn)行告警及通知人工進(jìn)行處理。

LD Always_On

LD 工位1按鈕盒復(fù)位

AN 焊鉗84自鎖

O First_Scan_On

O V241.1

O V261.0

ALD

LPS

EU

MOVW 0，復(fù)位時間84

INCW 復(fù)位時間84

LRD

A Clock_1s

EU

INCW 復(fù)位時間84

LRD

AW＞= 復(fù)位時間84，5

= 復(fù)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(fù)位運行信號084，1

3.7 人機監(jiān)控界面設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)置了三級監(jiān)控平臺實現(xiàn)對整個車間的各生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控，現(xiàn)場工段級由各條線的觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控，車間級由工控機進(jìn)行監(jiān)控，車間云端平臺負(fù)責(zé)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(shè)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(shè)定，車型的排產(chǎn)設(shè)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(shè)計

車間級由工控機進(jìn)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(yīng)要求，設(shè)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(guān)、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(luò)構(gòu)建：除單站（下位機）以外，增加上位監(jiān)控工作站、網(wǎng)關(guān)、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(dá)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(shè)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(luò)型實現(xiàn)上位監(jiān)控整體生產(chǎn)線的焊裝生產(chǎn)工況，遠(yuǎn)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(jìn)行及時質(zhì)量跟進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致焊接線無法繼續(xù)進(jìn)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(jìn)一步改進(jìn)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)。