黃 鵬,章 磊,劉學育

(1.湖北師范大學 物理與電子科學學院,湖北 黃石 435002;2.湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院,湖北 黃石 435003)

碳化硅模塊(Power stack)是新能源汽車電機的重要組成部分,其工藝質(zhì)量直接影響汽車的使用性能和安全性能。相比于傳統(tǒng)的硅材料,碳化硅模塊的導電性能更好,能夠降低電能的損耗,實現(xiàn)更高的開關頻率和更低的開關損耗,提高電動汽車的轉(zhuǎn)換效率。碳化硅模塊的熱穩(wěn)定性更佳,能夠承受更高的工作溫度,提高電動汽車的耐用性和可靠性,降低模塊的故障率。

自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)ζ囯姍C的生產(chǎn)過程進行全面自動化控制和監(jiān)測,提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)[1-2]。孟靜靜等[3]將PLC與機器人等外圍設備相結(jié)合,接收工作站發(fā)送的信號,在Robot Studio中通過離線編程完成機器人運動軌跡編程,實現(xiàn)了整體自動生產(chǎn)線的規(guī)劃。李光明等[4]結(jié)合嵌入式開發(fā)、MQTT協(xié)議、SpringCloud微服務框架以及Web服務設計了針對于西門子PLC的遠程管控系統(tǒng)。

碳化硅模塊的安裝及擰緊是新能源汽車電機組裝過程中的關鍵工藝之一。本文以新能源汽車電機中碳化硅模塊的自動裝配為研究對象,以PLC為核心控制器,通過配備各種傳感器、執(zhí)行器和機械部件,提出一種基于PLC的碳化硅模塊自動化產(chǎn)線設計方案,以減少人工干預,提高生產(chǎn)效率。

1 汽車電機生產(chǎn)線工藝流程概述

汽車電機生產(chǎn)線工作流程如圖1所示。首先,在電機機殼上打印鋼印碼,對電機定子進行熱套安裝;接下來安裝電機水嘴和適配板,并進行氣密性和電氣性能的測試;再對定子、軸承及轉(zhuǎn)子進行安裝與測試;隨后完成Power stack的安裝、擰緊以及電機蓋的裝配;最后對裝配完成的電機進行氣密性、等電位性、絕緣性、耐壓性和外觀檢測測試。

圖1 汽車電機生產(chǎn)線工作流程

2 碳化硅模塊站點設計

2.1 整體方案設計

新能源汽車電機生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由西門子系列PLC可編程控制器、觸控屏幕HMI以及電腦西門子TIA Portal操作軟件組成。采用模塊化設計電機生產(chǎn)線中的PLC控制軟件程序,包含KUKA機器人模塊程序、AGV上料小車程序、MES程序和Desoutter送釘程序。采用PROFINET的通信方式,用于實時自動化控制和數(shù)據(jù)采集。整體方案設計如圖2所示。

圖2 整體方案設計

2.2 工位控制區(qū)域

工位控制區(qū)域分別為HMI屏幕與安全門、材料水平滑臺、工作站位1、工作站位2、工作站位3以及PLC電柜。上述任一控制回路,皆可對工位整體進行安全回路關斷操作,包括但不限于拍下HMI安全急停按鈕、打開安全門、按下安全門急停、按下機器人示教器急停按鈕以及將機器人控制柜電源關閉等。安全回路關斷、工位停機且脫離自動模式、手動模式下也無法操作設備。若要對安全回路進行復位,需確保相關急停按鈕、控制柜電源與光柵等處于正常狀態(tài),按下復位按鈕即可恢復。

按照工作站位將當前程序系統(tǒng)劃分為5個控制區(qū)域。OPMODE01為Power stack安裝及擰緊,用于抓取、放置Power stack并壓緊Power stack以及擰緊2顆螺絲,相關設備有手持式掃碼槍、固定式掃碼器、2D相機、6軸機器人、壓機、電動輥道、返修料臺、擰緊槍和Yamaha伺服電機等。OPMODE02用于擰緊Power stack上6顆螺絲,外加復擰2顆螺絲,相關設備有定位氣缸、擰緊槍、上料機和Yamaha伺服電機等。OPMODE03-Feeder為送釘機,為OPMODE01和OPMODE02供釘。OPMODE04用于擰緊Power stack上的6顆螺絲。OPMODE05-Feeder為送釘機,為OPMODE04供釘。

2.3 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人首先進行視覺檢測,2D相機安裝在機器人夾爪上,判斷夾爪上是否有Power stack,如果沒有,則通過視覺定位抓取Power stack,放置到視覺檢測位置檢測水嘴O型圈是否漏裝。然后機器人夾爪搬運合格的Power stack放置在水平滑臺上,夾爪再次視覺掃碼Power stack后離開,最后將夾爪回到原位。采用西門子S7-1500 PLC作為控制器,與Work Visual進行交互控制[5-6]。

2.4 Desoutter送釘系統(tǒng)

OPMODE03-Feeder和 OPMODE05-Feeder是兩套Desoutter送釘系統(tǒng)。送釘系統(tǒng)分為中號提升料斗、執(zhí)行機構(gòu)、一分四分配器和螺栓清潔器4個部套,包括料斗切料氣缸、切料在位檢測、料斗缺料傳感器、直線軌道滿料傳感器、送料管末端檢測、送料前吹氣、直線振控制器、料斗提升氣缸、擰緊槍氣缸、末端檢測、一分四分配氣缸、夾鉗鎖緊氣缸、認帽氣缸以及螺釘清潔器氣缸。

2.5 Power stack的安裝

Power stack安裝及擰緊工位是保證汽車電機質(zhì)量的重要工位。Power stack安裝控制程序流程如圖3所示。工件通過輥道到達Power stack安裝工位,PLC通過讀取壓機壓力、螺絲扭矩、螺絲壓力值等數(shù)據(jù)來判斷工件是否滿足要求?？紤]到整體工位的重要性以及與MES之間通信,在PLC程序中加入了一套心跳程序,來判斷MES與PLC之間通信是否正常。Power stack安裝工位包含了3個站點,其中站點1是壓機將Power stack壓入機殼中,判斷壓機壓力值是否合格,再把壓機壓力值上傳至PLC中進行處理;站點2是使用4個伺服電機控制擰緊槍把Power stack工件鎖緊;站點3是將螺絲復擰,再進行螺絲壓力測試。

圖3 Power stack安裝控制程序流程

3 TIA軟件平臺

選用西門子系列PLC,使用TIA Portal軟件對PLC進行組態(tài)和編譯以及對觸控屏HMI的控制[7]。使用STEP 7 Professional V16版本對S7-1500進行軟件設計和編程組態(tài)。TIA軟件平臺如圖4所示。

圖4 TIA軟件平臺

3.1 OPMODE_EDGE_FC函數(shù)塊

OPMODE_EDGE_FC函數(shù)塊用于檢測輸入信號(位觸發(fā)信號)的邊沿。該函數(shù)塊會監(jiān)測輸入信號的狀態(tài),并在信號從低電平到高電平(上升沿)或從高電平到低電平(下降沿)時輸出一個脈沖信號,用于觸發(fā)其他操作,例如啟動一個定時器、改變輸出信號等。使用該函數(shù)塊時,需要將輸入信號連接到函數(shù)塊的輸入端口,將脈沖信號連接到函數(shù)塊的輸出端口,并設置函數(shù)塊的參數(shù),如邊沿模式和濾波時間等。然后在程序中調(diào)用該函數(shù)塊即可實現(xiàn)邊沿觸發(fā)功能。OPMODE_EDGE_FC函數(shù)塊檢測輸入信號如圖5所示。

圖5 OPMODE_EDGE_FC函數(shù)塊檢測輸入信號

3.2 GRAPH_MAIN_FB編程塊

GRAPH_MAIN_FB編程塊可以在TIA Portal軟件中配置和編輯,用于創(chuàng)建PLC程序的人機界面。GRAPH編程塊可以將程序中的變量與圖形化界面中的控件進行綁定,還可以實現(xiàn)界面的切換、按鍵響應等功能,提高PLC程序的可視化程度[8-9]。在使用GRAPH編程塊時,需要在TIA Portal軟件中進行配置和編輯,添加相應的控件和變量,并將它們進行綁定。然后將編程塊插入到程序中,并在程序中調(diào)用該編程塊即可實現(xiàn)圖形化界面的功能。GRAPH_MAIN_FB編程塊如圖6所示。

圖6 GRAPH_MAIN_FB編程塊

3.3 觸摸屏HMI設計

用戶可以通過觸摸屏HMI對設備完成控制并查詢工件信息、生產(chǎn)狀態(tài)以及設備狀態(tài),使電機生產(chǎn)線有更好的人機操作界面。在主界面中,用戶點擊所要操作的HMI進入不同的OPMODE,單擊右上角閃爍的HMIcontral獲取相應HMI的控制權;用戶可以點擊OP-Func選擇自動回零模式、自動標件模式、自動空循環(huán)模式、自動常規(guī)模式和自動清空模式;報警界面顯示工位當前存在的報警、警告和信息,當工位出現(xiàn)異常時,可以點擊右下角的Alarms到此頁面進行檢查;配方信息表中可以看到每個質(zhì)量數(shù)據(jù)的上下限值,在手動模式下按“手動請求配方”按鈕能夠把最新質(zhì)量的配方數(shù)據(jù)下載。系統(tǒng)設置界面主要介紹PLC的一些配置信息和功能,包括Save Settings(屏號切換保存)、Reset Times(復位時間)、Reset F-times(復位安全時間)、Reset Alarm Hist(復位歷史報警)以及Stop RT(HMI運行停止)。當一個工位有多個HMI屏幕時,需要多個屏幕的OPMODE模式都處于自動模式,才能啟動自動模式。

4 系統(tǒng)測試

4.1 工位工作節(jié)拍

產(chǎn)線中每個站點機器理論操作時間均為1 min,包括托盤進入、讀取RFID信息、機器人抓取、滑臺升降、擰緊機擰緊、寫入信息到RFID及托盤離開等。工位工作節(jié)拍見表1。經(jīng)多次實驗,3個站點機器平均操作時間分別為53.5、45、42 s,可以滿足產(chǎn)線需求。

表1 工位工作節(jié)拍

4.2 Power stack的壓裝與螺栓扭矩

壓裝是一種常見的裝配工藝,用于將兩個或多個零部件緊密地連接在一起。在壓裝過程中,通常需要將一個零部件插入或嵌入另一個零部件中,以確保它們之間的連接牢固和穩(wěn)定。在一些重要的機械裝配中,也會采用扭矩與角度擰緊法來確保連接件的準確擰緊和穩(wěn)定性。為確保模塊與散熱器之間的良好接觸和熱傳導,擰緊碳化硅模塊螺栓的扭矩和角度非常重要。擰緊扭矩不足可能導致連接處松動,影響散熱性能和可靠性,而過度擰緊則可能導致模塊或散熱器損壞。

壓裝與扭矩參數(shù)見表2。工藝參數(shù)滿足標準值,則工件合格。經(jīng)多次測試,Power stack的壓裝均可滿足工藝標準;Power stack與屏蔽板螺栓的扭矩和角度絕大部分可以達到工藝標準,機械磨損會導致少數(shù)螺栓扭矩不達標。

表2 壓裝與扭矩參數(shù)

5 結(jié)論

基于PLC的碳化硅模塊產(chǎn)線設計,通過對PLC控制系統(tǒng)的設計與編程,實現(xiàn)了對碳化硅模塊的自動上下料、加工、檢測和分揀等操作,最終實現(xiàn)了碳化硅模塊的高質(zhì)量生產(chǎn)和快速交付,具備靈活性和可擴展性,可以根據(jù)實際生產(chǎn)需求進行相應的調(diào)整和優(yōu)化,實現(xiàn)更高效、更智能的生產(chǎn)。本研究在提高新能源汽車電機生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)流程、提升產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有廣泛的應用前景和實際意義。