王麗莉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

在現(xiàn)代汽車焊接技術(shù)中，汽車車身的焊接主要采用電阻點(diǎn)焊，并有人工焊接和機(jī)器人焊接兩種形式。簡單伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)，是應(yīng)用在車身制造的焊接環(huán)節(jié)中，介于機(jī)器人和人工焊之間的一直焊接方式。簡單伺服自動(dòng)焊主要應(yīng)用在焊點(diǎn)分布表面集中，焊槍結(jié)構(gòu)較大，人工焊接勞動(dòng)強(qiáng)度較大的工位具有投資成本較低、占地空間較小，對(duì)安裝環(huán)境無特殊要求等優(yōu)勢。

然而，在簡單伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的初期，由于不滿足柔性生產(chǎn)線多車型的能力要求，只能應(yīng)用在單一零部件專用生產(chǎn)線上，而很少應(yīng)用在多車型柔性生產(chǎn)的主焊線上。為滿足現(xiàn)代汽車生產(chǎn)需要，急需實(shí)現(xiàn)簡單伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)在同一生產(chǎn)線同一個(gè)工位上的柔性多車型生產(chǎn)的能力。即在不同的車型運(yùn)輸?shù)胶唵嗡欧詣?dòng)焊工位時(shí)，簡單伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)需要識(shí)別出工位當(dāng)前的車型，并且根據(jù)當(dāng)前車型的型面特征、焊點(diǎn)位置和數(shù)量做出不同的運(yùn)動(dòng)軌跡并且控制焊接控制器執(zhí)行焊槍的焊接動(dòng)作。在此基礎(chǔ)上，也能夠?qū)⒑唵嗡欧詣?dòng)焊應(yīng)用在多車型柔性主焊線的工位上。

1 簡單伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)介紹

簡單伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)焊槍、控制系統(tǒng)三大部分組成。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到氣動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)過程的傳遞，氣動(dòng)焊槍執(zhí)行了所有焊點(diǎn)的焊接動(dòng)作，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位移、速度、加速度、加速率以及氣動(dòng)焊槍焊接啟動(dòng)的控制。本文主要介紹的是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過PLC（可編程邏輯控制器）控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置、速度、加速度等參數(shù)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)焊槍在特定的空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z向的直線運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在開始焊接前，焊槍停止在一個(gè)不干涉輸送設(shè)備的地方，待工件運(yùn)送到位后，PLC判段安全條件后，通過控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)焊槍電極頭在XY平面上任意位置的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，PLC根據(jù)伺服電機(jī)反饋的X、Y、Z軸伺服電機(jī)的位置反饋信息來判斷和控制氣動(dòng)焊槍焊接時(shí)的打開動(dòng)作，同時(shí)控制焊接控制器焊接電流的開啟，焊接控制器按照事先設(shè)置好的焊接工藝參數(shù)輸出到氣動(dòng)焊槍，焊接工藝動(dòng)作結(jié)束后，焊接控制器發(fā)送焊接完成信號(hào)到PLC，PLC接收后控制氣動(dòng)焊槍打開，至此，單個(gè)焊點(diǎn)的焊接動(dòng)作流程完成，進(jìn)入下一個(gè)焊點(diǎn)的焊接動(dòng)作流程，直到完成本工位要求的所有焊點(diǎn)后，PLC控制焊槍回到原點(diǎn)。

2 簡單伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)能力的方法與步驟

本文以車型1（代號(hào)113，以下簡稱車型1）、車型2（代號(hào) 210，以下簡稱車型 2）、車型 3（代號(hào) 202，以下簡稱車型3）為例闡述簡單伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以上三種具有不同型面特征及焊點(diǎn)數(shù)量要求的車型的柔性生產(chǎn)能力的具體方法與步驟，其原理和方法如圖1所示。

圖1 簡單伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多車型功能原理示意圖

第一步，焊接工藝的需求整理與焊槍行走路徑規(guī)劃：根據(jù)三種不同型面焊接要求，焊點(diǎn)的數(shù)量及位置，規(guī)劃焊槍行走軌跡，得到每個(gè)焊點(diǎn)的X、Y軸坐標(biāo)值。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及伺服電機(jī)的能力來制定伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、加速率值整理并制成表格；

第二步，建立PLC參數(shù)寄存器數(shù)組與位置控制邏輯編程：根據(jù)第一步制成各參數(shù)表，在PLC程序中為每個(gè)車型建立伺服電機(jī)參數(shù)寄存器數(shù)組，并將參數(shù)值對(duì)應(yīng)的數(shù)組中；

第三步，車型識(shí)別與邏輯編程：通過外部傳感器識(shí)別出簡單伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)當(dāng)前工作任務(wù)的車型，PLC獲取車型信息后經(jīng)過邏輯判斷，將對(duì)應(yīng)車型的參數(shù)賦值到中間變量——伺服電機(jī)參數(shù)寄存器數(shù)組中；

第四步，PLC輸出控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)與控制焊槍執(zhí)行焊接動(dòng)作：PLC通過邏輯控制編程后輸出運(yùn)動(dòng)控制指令到伺服控制器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)，同時(shí)輸出繼電器控制信號(hào)到焊接控制器控制焊槍執(zhí)行焊接動(dòng)作。

2.1 焊接工藝的需求整理與焊槍行走路徑規(guī)劃

簡單伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)，主要的目標(biāo)是根據(jù)焊接工藝的需求，控制焊槍執(zhí)行工藝指定的焊接任務(wù)，因此，首先要根據(jù)每一個(gè)需要在簡單伺服自動(dòng)焊工位需要焊接的車型的工藝要求，如焊點(diǎn)位置、焊點(diǎn)數(shù)量，為每一個(gè)車型制定對(duì)應(yīng)的焊接工藝步驟與焊槍行走軌跡路徑表，如表1所示。

以車型1為例，有19個(gè)焊點(diǎn)需要焊接，焊點(diǎn)位置分布如圖1所示。伺服自動(dòng)焊的控制系統(tǒng)需要得到焊槍行走到每一個(gè)焊點(diǎn)時(shí)焊槍X、Y軸電機(jī)相對(duì)于焊槍在原點(diǎn)時(shí)的位置坐標(biāo)值。焊槍在原點(diǎn)（也就是每次執(zhí)行焊接任務(wù)的起點(diǎn)和終點(diǎn)），將原點(diǎn)的X、Y軸電機(jī)的位置坐標(biāo)值設(shè)置為（0,0）。同時(shí)焊槍的行走軌跡中有部分位置點(diǎn)為避讓周圍工裝設(shè)備或者零件造型干涉而設(shè)置的空運(yùn)行位置點(diǎn)，焊槍電極頭運(yùn)動(dòng)到空運(yùn)行位置點(diǎn)，不行進(jìn)行焊接的動(dòng)作。在圖2焊槍電極頭行走軌跡示意圖中，以圓點(diǎn)標(biāo)記的第5、6、15、16、17、25、26點(diǎn)表示空運(yùn)行點(diǎn)，即車型1共有26個(gè)焊槍行走的位置點(diǎn)，包含19個(gè)需要焊接的點(diǎn)和7個(gè)不需要焊接的空運(yùn)行點(diǎn)。

圖2 伺服自動(dòng)焊焊槍電極頭行走軌跡示意圖

按照?qǐng)D1規(guī)劃好的路徑軌跡，經(jīng)過現(xiàn)場的對(duì)點(diǎn)調(diào)試后，得出全部26個(gè)焊槍行走軌跡點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)值后，需要為每一個(gè)位置點(diǎn)做一個(gè)編號(hào)，這個(gè)編號(hào)與PLC程序中對(duì)應(yīng)的焊槍行走的每一個(gè)位置的步序號(hào)Step編號(hào)一致,如表1所示。

表1 自動(dòng)焊焊槍電極頭運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)坐標(biāo)值

根據(jù)相同的方法，為車型2、車型3也分別建立如表1所示的焊槍電極頭運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)坐標(biāo)值表。同時(shí)根據(jù)伺服電機(jī)的功率、慣量、最大轉(zhuǎn)速等參數(shù)以及生產(chǎn)節(jié)拍的要求，將X軸、Y軸的速度均設(shè)為800 mm/s，加/減速度均設(shè)為 1 500 mm/s2，加/減速率均設(shè)為6 000 mm/s3。

2.2 建立PLC參數(shù)寄存器數(shù)組與位置控制邏輯編程

獲取了伺服自動(dòng)焊焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡后，需要將這些參數(shù)設(shè)置到PLC控制系統(tǒng)中，供PLC進(jìn)行邏輯編程使用，以實(shí)現(xiàn)焊槍能夠按照設(shè)定的軌跡路線來進(jìn)行運(yùn)行并且執(zhí)行焊接的動(dòng)作。

本文柔性簡單伺服自動(dòng)焊應(yīng)用示例中的控制系統(tǒng)，采用的是Rockwell的1769-L36ERM型號(hào)的PLC,Rockwell的2097V34PR6LM伺服驅(qū)動(dòng)器及MPLB330PMJ74AA伺服電機(jī)。2.2.1建立PLC參數(shù)寄存器數(shù)組

首先，通過Rockwell的編程軟件LOGIX5000[1]，創(chuàng)建好邏輯程序的框架，為每個(gè)車型的每個(gè)step建立一套參數(shù)，如圖3所示的以車型1為例，其中：

1）UB03_113.LeftPosition_AX為X軸運(yùn)動(dòng)的位置距；

2）UB03_113.LeftPosition_AY為Y軸運(yùn)動(dòng)的位置距離；

3）UB03_113.LeftSpeed_X為 X軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度；

4）UB03_113.LeftSpeed_Y為Y軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度；

5）UB03_113.LeftAccDec_X為X軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的加/減速度；

6）UB03_113.LeftAccDec_Y為Y軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的加/減速度；

7）UB03_113.LeftAccDecRate_X為X軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的加/減速率；

8）UB03_113.LeftAccDecRate_Y為Y軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的加/減速率；

圖3 PLC編程軟件中建立的伺服電機(jī)參數(shù)寄存器

將表1中的各軸坐標(biāo)值以及運(yùn)動(dòng)的速度、加速度等參數(shù)輸入PLC對(duì)應(yīng)的數(shù)組中。PLC通過邏輯控制調(diào)用各參數(shù)數(shù)組中的值，控制焊槍X、Y軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)焊槍運(yùn)動(dòng)到零件的焊點(diǎn)位置后，PLC接收到伺服電機(jī)編碼器反饋的到位信號(hào)后，發(fā)送焊接命令到焊接控制器，啟動(dòng)焊接參數(shù)。PLC接收到焊接控制器反饋的焊接完成信號(hào)后，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)到下個(gè)焊點(diǎn)的位置。在完成最后一個(gè)焊點(diǎn)后，需要做一些避讓動(dòng)作，使焊槍回到原點(diǎn)（0，0）。

建立好參數(shù)寄存器后，將表1的X、Y軸的運(yùn)動(dòng)距離值輸入寄存器數(shù)組UB03_113.LeftPosition_AX[β]、UB03_113.LeftPosition_AY[β]中，其中 β 即為 step號(hào)，β=1、2、3……24、25、26，這就就可以將工藝需求的各個(gè)焊點(diǎn)參數(shù)輸入到PLC控制器中供編程使用。例如UB03_113.LeftPosition_AX[2],中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為1，即Step=7，表示焊槍運(yùn)動(dòng)的第7個(gè)位置點(diǎn)，如圖4所示，Y軸位置參數(shù)同理X軸。同時(shí)將X軸、Y軸運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、加速率值到對(duì)應(yīng)的寄存器數(shù)組中。車型2、車型3同理。

圖4 X軸焊點(diǎn)位置寄存器數(shù)組

2.2.2 位置控制邏輯編程

PLC 通過 MAM[2]（Motion Axis Move）指令將各個(gè)焊點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)賦值到伺服控制器，伺服控制器再控制伺服電機(jī)按照參數(shù)完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。而每個(gè)伺服控制器的MAM[2]指令的每個(gè)參數(shù)只能設(shè)置一個(gè)變量，當(dāng)有多個(gè)不同車型的時(shí)，需要將不同車型的參數(shù)都賦值到同一個(gè)變量供伺服控制器讀取。

將3個(gè)不同車型的位置控制參數(shù)賦值到同一組變量中，如圖5所示，車型1的X軸位置坐標(biāo)值變量UB03_113.LeftPosition_AX[β]、車型2的的X軸位置坐標(biāo)值變量 UB03_210.LeftPosition_AX[β]、車型 3的的X軸位置坐標(biāo)值變量UB03_202.LeftPosition_AX[β]，都賦值到同一個(gè)變量UB03.Left_Gun.Position_AX[β]中，伺服控制器將讀取這個(gè)變量的值控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。其中的40指的是總共拷貝數(shù)組中從0到第40位，本例有26個(gè)STEP,拷貝40位足夠使用。這三段賦值語句，分別寫在三個(gè)不同的獨(dú)立子程序J001_113JobData、J002_210JobData、J003_202JobData中。

圖5 將3個(gè)不同車型的位置控制參數(shù)賦值到同——變量的邏輯語句

2.3 車型識(shí)別與判斷邏輯編程

根據(jù)三個(gè)車型的型面特征點(diǎn)，采用接近開關(guān)、行程開關(guān)、激光測距開關(guān)來識(shí)別和區(qū)分出當(dāng)前工位需要焊接的車型，本文示例中的采用三個(gè)接近開關(guān)進(jìn)行車型識(shí)別，邏輯如圖6所示。根據(jù)識(shí)別出來的當(dāng)前車型，通過跳轉(zhuǎn)指令JSR[3](Jump to Subroutine)調(diào)用相應(yīng)的子程序，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)不同車型調(diào)用不同伺服控制參數(shù)的功能。

圖6 車型別邏輯

圖7 根據(jù)不用車型調(diào)用不同的伺服控制參數(shù)指令程序

2.4 PLC輸出控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)與控制焊槍執(zhí)行焊接動(dòng)作

做好伺服控制參數(shù)賦值邏輯后，需要將各項(xiàng)控制參數(shù)賦值到伺服控制器。仍然以左側(cè)焊槍的X軸位置參數(shù)為例，如圖8所示，根據(jù)STEP號(hào)β的值，伺服控制器通過MAM[2]的指令，使軸Axis_UB03LX讀取對(duì)應(yīng)的 UB03.Left_Gun.Position_AX[β]的值，這個(gè)值就是X軸在STEP=β時(shí)相對(duì)于0點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值，伺服控制器將根據(jù)UB03.Left_Gun.Position_AX[β]的坐標(biāo)值控制X軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離。通過MAM指令，伺服控制器還可以獲得X軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速率、加速度、速度參數(shù)，伺服控制器根據(jù)獲取的參數(shù)值，控制伺服伺服電機(jī)按照獲取的參數(shù)值執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定的焊點(diǎn)位置，等待執(zhí)行下一個(gè)MAM指令。

當(dāng)X軸、Y軸都執(zhí)行了對(duì)應(yīng)步序號(hào)的MAM指令運(yùn)動(dòng)到指定的焊點(diǎn)位置后，PLC控制繼電器輸出ON,觸發(fā)焊接控制器控制焊槍執(zhí)行焊接的動(dòng)作：焊槍臂夾緊并通焊接電流到電極頭。焊接動(dòng)作完畢后焊接控制器反饋信號(hào)通過繼電器輸入到PLC，PLC通過邏輯判斷，給步序號(hào)β加1，即可進(jìn)入下一個(gè)焊點(diǎn)的邏輯，直到β值大于26完成所有焊點(diǎn)的焊接。當(dāng)β值大于26，給β賦值為0，當(dāng)新的一臺(tái)車身被運(yùn)送到本工位時(shí)，其它控制條件滿足，判斷車身型號(hào)后，就可以重新開始新的一臺(tái)車身的焊接。

圖8 伺服控制器讀取控制參數(shù)邏輯指令

3 結(jié)束語

按照以上的思路和具體方法步驟，可以完成多個(gè)不同車型在相同工位的伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)進(jìn)行焊接的功能。在實(shí)現(xiàn)多種車型的柔性生產(chǎn)能力后，可以擴(kuò)大簡單伺服自動(dòng)焊的應(yīng)用范圍，也極大方便了整線焊接工藝布局的規(guī)劃以及后續(xù)車型導(dǎo)入同一生產(chǎn)線生產(chǎn)的能力。后續(xù)將研究在實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多組不同焊接參數(shù)選擇的功能，進(jìn)一步擴(kuò)大簡單伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)柔性多車型生產(chǎn)能力。