沈明 曲云龍 齊石 劉飛飛

（一汽模具制造有限公司，長春130013）

1 前言

伴隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，白車身焊接生產(chǎn)逐漸向全自動、柔性化、多車型、可追溯性等多方向發(fā)展。激光打標技術(shù)是近年來在白車身焊裝行業(yè)新興起來的，為適應(yīng)生產(chǎn)線高柔性和可追溯性的要求而誕生的技術(shù)。PLC是1種功能豐富、高度智能化的裝置，集成了自動化控制技術(shù)，計算機技術(shù)和通訊技術(shù)等，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)的控制中。本項目將PLC控制技術(shù)與激光打標技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了汽車焊裝生產(chǎn)線激光自動打標要求，生產(chǎn)線依據(jù)所刻二維碼，對相應(yīng)焊裝設(shè)備狀態(tài)進行識別，從而保證生產(chǎn)線高效運行的前提下實現(xiàn)白車身產(chǎn)品的可追溯性。

2 項目概況

一汽集團HE項目為面向工業(yè)4.0的智能化、數(shù)字化要求，新建紅旗工廠所使用的轎車生產(chǎn)工藝和選用的設(shè)備都是國際上非常先進的。為適應(yīng)高節(jié)拍、智能化、柔性化、可追溯的生產(chǎn)要求，選用Automator公司的FYBRAII型激光打標機作為實現(xiàn)生產(chǎn)可追溯性的打碼設(shè)備。

3 硬件設(shè)備簡介

3.1 FYBRA激光打標機的基本性能及介紹

選用的FYBRA激光打標機使用100/240 V，50/60 Hz電源，整機功率300 W，支持USB、以太網(wǎng)、I/O、RS232等多種通訊方式，打標頭外殼的防護等級為IP60。FYBRA激光打標設(shè)備如圖1所示。

圖1 FYBRA激光打標機設(shè)備

在確定使用該款打標設(shè)備前，我們曾使用該打標機進行了打樣實驗，打標時間從8 s到25 s，并嘗試對打樣的二維碼進行讀取，讀取率100%。據(jù)此，從打標效果和打標時間進行考量，這2項數(shù)據(jù)都完全滿足生產(chǎn)實際的要求。其打標效果如圖2所示。

圖2 激光打標機打標效果

3.2 激光打標機的電氣原理

該激光打標機的供電電源為220 V/50 Hz電源，該電源由控制電源柜提供。其供電圖如圖3所示。

激光打標機的通訊協(xié)議為PROFINET網(wǎng)絡(luò)，通過西門子SCALANCE292-2PIRT交換機連入網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。

3.3 激光打標機的硬件組態(tài)

激光打標機通過PROFINET協(xié)議連入網(wǎng)絡(luò)，并分別組31個WORD的輸出字和31個WORD的輸入字，作為與現(xiàn)場激光打標機的信息交互用。其組態(tài)如圖5所示。

圖4 激光打標機網(wǎng)絡(luò)連接

圖5 硬件組態(tài)設(shè)置

4 激光打標機的軟件設(shè)計

4.1 激光打標機的配置方法

該激光打標機的配置過程如下：首先準備好軟件Eugenius，并設(shè)置PC端與設(shè)備的調(diào)試端口，調(diào)試端口默認IP為192.168.0.15；其次打開軟件，連接控制器并將控制器的工作方式改為basic；然后在Fields Manager中建立Field并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，在設(shè)置完畢后，將文件另存為ide格式，再次打開并另存為ids格式，再將格式為ids的job文件傳輸?shù)娇刂破髦校蛔詈髮⒖刂破髂Ｊ礁某墒荢tandard Alone即可。其界面如圖6所示。

圖6 激光打標機的配置界面

4.2 激光打標機的控制過程

該激光打標機的工作過程如圖7所示。

圖7 工作過程控制原理

依據(jù)圖7所示，該打標機上電后首先進行區(qū)域模式的激活，看設(shè)備是否在線，如果未在線，則繼續(xù)進行區(qū)域模式的激活；然后接受外部的自動打刻命令，并判斷設(shè)備是否準備就緒，再判斷工作是否正確，如果設(shè)備未準備就緒或者工作不正確，則進行裝載工作過程，裝載工作完畢后重新判斷工作是否正確，直到工作正確再進行裝載緩存的環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)先裝載緩存1，裝載完畢后判斷緩存1是否正確，若不正確，則重新裝載，若正確則繼續(xù)裝載緩存2，裝載完畢后判斷緩存2是否正確。當判斷緩存2裝載正確后，設(shè)備就會發(fā)送打刻命令，此時信號Online marking信號為1，打標頭進行打刻。當Mark信號消失后，打刻完成，設(shè)備進入等待新的打刻命令階段，準備新的打刻工作。

4.3 激光打標設(shè)備的控制功能塊邏輯

控制該激光打標機的功能塊邏輯如圖8所示。

圖8 控制功能塊邏輯示例

如圖8所示，該功能塊的控制邏輯可以分成8部分程序：基本操作、故障復(fù)位、基本狀態(tài)讀取、故障處理、計算數(shù)量生成分段、自動部分、手動部分和完成置復(fù)位。

基本操作是給打標機的控制字，包括設(shè)置主機控制模式、離線、設(shè)置本地控制模式、運行和故障清除等控制功能。

故障復(fù)位主要是復(fù)位因故障的報警。

基本狀態(tài)讀取是讀取打標機現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括主機控制模式、在線、準備好、讀錯誤、寫錯誤、打標狀態(tài)等。

故障處理是顯示報警信息。

計算數(shù)量生成分段是將打標的信息存入PLC內(nèi)存，當信息位數(shù)大于40位，將該信息分成2個數(shù)據(jù)存入PLC內(nèi)存中。

自動部分是程序按照激光打標機的工作原理以正常順序自動方式進行工作，包括裝載工作、檢測工作裝載故障、裝載緩存1、裝載緩存2、檢測裝載緩存超時故障，然后啟動打標操作并等待打標完成信號。

手動部分是程序按照激光打標機的工作原理以正常順序手動方式進行工作，包括裝載工作、裝載緩存1、裝載緩存2，然后啟動打標操作并強制完成，最后初始化參數(shù)。

完成置復(fù)位是在人機界面顯示工作完成狀態(tài)。

4.4 激光打標機功能塊的引腳說明

圖9 為程序在功能中調(diào)用該激光打標機專用的控制功能塊的程序示例。

圖9 激光打標機控制功能塊引腳示例

如圖9所示，該控制功能塊的引腳共有10個。圖中，CE_IN為激光打標機的狀態(tài)字輸入數(shù)據(jù)，OP_MODE為設(shè)備區(qū)域模式輸入數(shù)據(jù)，autoBegin為請求打標輸入信號，autoEnd為機器人打標seg完成輸入信號，conctrl_buffer_count為控制器中定義的buffer數(shù)量輸入信號，CE_out為激光打標機控制字輸出信號，marking為打標機打標中，finish為打標完成輸出信號，ALARM為打標機報警輸出信號，BUFFER_STR為打標內(nèi)容輸入輸出信號。

4.5 激光打標機與生產(chǎn)線中其他設(shè)備的交互

激光打標完成信號用于啟動機器人相應(yīng)程序的信號，如圖10所示。

圖10 激光打標完成信號與機器人交互程序

激光打標完成信號也用于在人機交互界面顯示，如圖11所示。

圖11 激光打標完成信號與觸摸屏交互程序

另外，激光打標機的打標故障信號用于打標設(shè)備故障報警中，如圖12所示。

圖12 激光打標故障報警程序

4.6 激光打標機的畫面

圖13 為激光打標機的人機交互界面，其中包括打標機的故障狀態(tài)顯示，操作按鈕和所需打標信息的內(nèi)容顯示和報警信息等。

5 激光打標機的現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 激光打標機的打標內(nèi)容

由激光打標機所打刻二維碼的內(nèi)容，依據(jù)各整車廠標準要求的不同而不同，但一般包括以下信息。生產(chǎn)車身廠家的信息包括城市代碼、工廠代碼；車身信息，包括流水號、VIN碼；生產(chǎn)信息包括計劃類型標識、生產(chǎn)日期、班次、半破壞、位置；車型信息包括車型代碼、天窗類型、方向盤類型、總成類型等。在這些信息中，生產(chǎn)廠家的信息是為了適應(yīng)多分廠協(xié)同生產(chǎn)而設(shè)置的，車身信息是為了在生產(chǎn)過程中和使用過程中實現(xiàn)可追溯性設(shè)置的，生產(chǎn)信息是為了控制和追溯每輛車的生產(chǎn)工藝和實現(xiàn)工藝功能，而車型信息是為了確認每輛車的基本概況。本項目的車型代碼如表1所示。

5.2 激光打標機的打碼位置

為實現(xiàn)數(shù)字化對生產(chǎn)過程的實時和有效的監(jiān)控，在設(shè)計之初就在每條生產(chǎn)線都設(shè)置了激光打碼設(shè)備，并針對每條生產(chǎn)線的特點，又設(shè)置了不同的二維碼形式。具體說來，每條生產(chǎn)線和車身的每個主要部件都設(shè)置了相應(yīng)的二維碼，其內(nèi)容如表2所示。

圖13 激光打標機的人接交互界面

表1 二維碼內(nèi)容定義

5.3 激光打標機的使用和維護情況

在生產(chǎn)設(shè)備全部調(diào)試完成后，相應(yīng)線體自動控制PLC接到MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)信息，并將該信息進行處理，將需要刻碼的信息進行打包，并將打包好的信息傳輸至激光打標機的控制器，通過打標機的激光頭進行打標。在線體需要讀取信息的地方設(shè)置相應(yīng)設(shè)備，對二維碼包含的信息進行讀取，以實現(xiàn)線體運行的數(shù)字化監(jiān)控。

激光打標機的日常維護內(nèi)容也并不復(fù)雜。包括對聚焦鏡頭進行周期性清理，在柵格和風扇骯臟時需要對風扇和柵格進行清理。此外還需要對激光打標機系統(tǒng)進行非日常維護，必須由經(jīng)過相應(yīng)培訓并已經(jīng)取得相應(yīng)資質(zhì)的工程師進行。

5.4 激光打標機與針式打標機的性能對比

總體說來，激光打標機的性能要強于針式打標機，首先從穩(wěn)定性來說，激光打標機打標采用的是激光熔蝕的方法，在打標過程中不會產(chǎn)生車身工件的震動，而針式打標不但會產(chǎn)生震動，當震動強烈時還可能損壞打標的針頭。其次從成本上考慮，激光打標設(shè)備主要包括打標控制器，激光頭和相應(yīng)輔件等，針式打標設(shè)備同樣也包括打標控制器，針式打標頭和相應(yīng)輔件等。而控制器和輔件的價格相仿，價格差別主要集中在打標頭上，作為更先進的打標方式，激光打標頭的價格要貴于針式打標頭，但在使用過程中針式打標頭的針屬于損耗件，針式的打標頭成本要高于激光打標頭。最后從效率角度看，激光打標機的效率要明顯高于針式打標機。據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場反饋，激光刻碼的時間在10 s左右，其打刻容量在48字節(jié)，針式刻碼時間同樣是10 s左右，但其打刻容量在17字節(jié)。綜上所述，激光打碼機的性能要明顯強于針式打碼機。

表2 生產(chǎn)線二維碼位置內(nèi)容對應(yīng)

6 結(jié)束語

通過對自動激光打標技術(shù)在汽車焊裝生產(chǎn)線上應(yīng)用的研究，實現(xiàn)了1種使汽車白車身產(chǎn)品在焊接生產(chǎn)過程中具有低成本、可追溯的生產(chǎn)方案，它不僅滿足了白車身焊接生產(chǎn)過程的高穩(wěn)定、高可靠性和高節(jié)拍的生產(chǎn)要求，同時也滿足了生產(chǎn)線的高柔性化、高智能化的要求。