簡易伺服驅(qū)動式自動焊在焊接車間的應(yīng)用

李柳強，方海歐

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

簡易伺服驅(qū)動式自動焊在焊接車間的應(yīng)用

李柳強，方海歐

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

伺服自動焊是基于OMRON小型PLC CP1H控制以實現(xiàn)一維和多維焊接作業(yè)的小型自動化設(shè)備。目前伺服自動焊已經(jīng)在SGMW車身區(qū)域五菱之光、新五菱之光、五菱宏光、寶駿等生產(chǎn)線投入使用，可實現(xiàn)立體焊接作業(yè)的四維機器人也在研發(fā)階段?；谒欧刂频暮喴鬃詣踊O(shè)備應(yīng)用將會越來越普及，如何使伺服控制能夠快捷、方便、精確已成為了一個工業(yè)自動化控制的新課題。

自動焊；伺服控制；應(yīng)用

公司目前現(xiàn)有車身焊接方式主要為人工焊接。隨著人力成本的不斷增長以及人們對汽車制造質(zhì)量要求的不斷提高，人工焊接方式將會越來越難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。

通過對焊接過程的分析，研究了市場上相關(guān)的各種控制方法后，設(shè)計出使用歐姆龍小型PLC來控制伺服控制器實現(xiàn)自動控制，通過機械絲桿傳動，帶動和控制小原焊機的簡單自動焊。簡單自動焊主要由自動焊鉗、伺服系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等四部分組成。焊機具有自動加壓功能，保證焊接壓力大小和焊接時間；伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，主要是驅(qū)動自動焊鉗運動，保證焊點位置分布的精度；電氣系統(tǒng)提供精確控制和處理相關(guān)連鎖條件；冷卻系統(tǒng)用于自動焊鉗的冷卻，保證自動焊鉗可以高節(jié)拍的連續(xù)工作。

1 伺服自動焊簡介

1.1 控制系統(tǒng)選型

通過對市面上的數(shù)控伺服系統(tǒng)的分析，選定了OMRON公司最新的CP1H高性能系列CP1HX40DT型作為伺服控制系統(tǒng)的主控PLC，伺服控制器和伺服電機選用OMRON公司的R88D-GT04H伺服控制器以及R88M-G75030H-S2伺服電機。觸摸屏則采用了PROFACE的AST-3301WB.整機選型設(shè)計體現(xiàn)了低成本高價值的理念。

OMRON公司的CP1H系列PLC定位于小型機，但它卻是基于CS/CJ（特別是CJ，CJ是中型PLC平臺）平臺的，因此具備了很多中型機的功能。

CP1H系列擴展了多種功能：

（1）集成的高速脈沖輸出功能，可以同時控制4軸運行，4點輸出1 Hz～100 kHz CCW/CW或脈沖+方向；

（2）內(nèi)置的計數(shù)器功能可標準搭載4軸相位差，50 kHz；

（3）標準配備的通用USB編程接口，使用市售的通用USB電纜即可進行連接，無需單獨購買一般PLC使用的價值不菲的編程電纜；

（4）CP1H還具備了串行通信功能，可以為CP1H選配RS232C接口或者RS485接口，還可以和觸摸屏、上位機等進行連接，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效監(jiān)控；

（5）CP1H還支持標準的DeviceNet現(xiàn)場總線，也能支持Ethernet、CLK等網(wǎng)絡(luò)擴展，最多可安裝2塊串行通信選件板和1塊以太網(wǎng)選件板，日后可以很容易對系統(tǒng)進行擴容。

（6）在軟件方面，CP1H可縮短追加復(fù)雜程序設(shè)計的時間。由于使用了CJ的編程環(huán)境，從而支持FB和ST的編程功能。內(nèi)含多種功能塊。當(dāng)用戶需要連接另外一個智能控制系統(tǒng)時，無需很多程序來設(shè)定各種參數(shù)，只需將相應(yīng)的功能塊從程序庫中調(diào)出，則可自動實現(xiàn)相應(yīng)功能。優(yōu)化的編程環(huán)境采用結(jié)構(gòu)化文本（ST）語言，使數(shù)值運算更簡單；通信程序利用Smart FB庫，可以實現(xiàn)用于各種通信的梯形圖程序，這將大幅削減程序開發(fā)和調(diào)試時間。除了PLC以外，無論是高功能單元的參數(shù)設(shè)定還是各種FA網(wǎng)絡(luò)的配置，通過采用操作簡單的編程軟件CX-Programmer，預(yù)置各種應(yīng)用的標準切換塊（梯形圖/ST語言），都無需查閱手冊，就能簡便地直接設(shè)定。

1.2 焊槍類型選擇

目前市場上主要使用的焊槍有伺服電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動、異步電動機驅(qū)動、壓縮空氣驅(qū)動。根據(jù)焊接車間的能源、備品備件、成本控制等使用特性，最終選擇了壓縮空氣驅(qū)動作為焊槍驅(qū)動單元，體現(xiàn)了能源的共享性、維修的簡易性以及成本的優(yōu)越性。

2 伺服自動控制系統(tǒng)的優(yōu)點

2.1 變頻控制

OMRON公司CP1H-X40DT型PLC可實現(xiàn)梯形或S型曲線加減速輸出，采用脈沖輸出或PWM輸出均可以實現(xiàn)輸出頻率的控制。R88D-GT04H伺服控制器輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)的速度取決于電子控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動態(tài)性能。

2.2 負載特性

伺服控制具有在有效負載和速度范圍內(nèi)，無論速度如何變化，始終能輸出穩(wěn)定足夠的轉(zhuǎn)矩，即使是負載移動到位了，伺服依然輸出沒有停止。此時，就算有額外的力推動負載移動，伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制回路可以自動輸出反向的力矩來確保負載不會產(chǎn)生位移。

2.3 技術(shù)優(yōu)點

CP1H-X40DT型PLC共通處理時間只有0.7 ms，基本指令執(zhí)行時間是0.01 μs，系統(tǒng)處理時間和響應(yīng)時間非常短，可以實現(xiàn)高精度的自動控制。動作精度誤差可以控制在0.01 mm以下。這對提高車身焊接的穩(wěn)定性和可靠性有非常顯著的效果。從技術(shù)層面來看，伺服的應(yīng)用也已經(jīng)突破了以往高不可攀的瓶頸。OMRON的新型伺服控制組合，已經(jīng)不需要太多的精深的專業(yè)知識就可以理解使用了。PLC控制編程也實現(xiàn)了功能模塊化，通過模塊化功能的應(yīng)用，使編程和動作控制更加的簡單實用。

3 參數(shù)設(shè)計和程序應(yīng)用

3.1 參數(shù)設(shè)置

用PLC來控制伺服驅(qū)動器，首先要對PLC中有關(guān)伺服部分進行響應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。圖1是伺服參數(shù)的設(shè)置畫面。其他伺服軸參數(shù)的設(shè)定也可以參照第一軸參數(shù)來進行設(shè)定。關(guān)于該部分的詳細參數(shù)設(shè)定要求，可以參看OMRON CP1H操作手冊中關(guān)于脈沖控制部分內(nèi)容。特別需要注意的是，一定要設(shè)置查找/返回初始速度、查找接近速度、查找高速度，否則不能正確完成原點返回操作。

圖1 伺服參數(shù)設(shè)置

3.2 程序設(shè)計

OMRON CP1H PLC由于使用了目前所有高級CJ系列PLC的編程環(huán)境，因而也支持FB和ST的編程功能。同時，該CPU還可以執(zhí)行多個循環(huán)任務(wù)，中文名稱和中文注釋連同所有的控制程序、參數(shù)設(shè)置等都可以下載到CPU中去，也可以把它們完整地全部上傳到電腦中進行保存。這一點是OMRON的PLC有別于其他品牌的PLC的一個顯著特點，反映了OMRON公司對中國市場的重視程度。

為了保證程序的可讀性，按照工藝動作，將全部程序劃分為：初始化、參數(shù)輸入、速度設(shè)定、原點返回、手動操作、自動操作以及報警信息等若干程序段。每一段均只執(zhí)行特定的操作功能。如：初始化僅僅是執(zhí)行系統(tǒng)上電后所進行的系統(tǒng)初始化參數(shù)賦值等功能；原點返回則是僅僅執(zhí)行原點返回操作；速度設(shè)定是對原點返回、自動模式以及手動操作時候的速度進行賦值；自動操作則包含了自動運行中的工藝過程等等。

為了充分使用OMRON CP1H CPU的功能，在參數(shù)設(shè)置程序段，使用了自己編寫的功能塊（FUNCTION BLOCK）。修改輸入數(shù)值時，可以在功能塊參數(shù)輸入一段中輸入以mm為單位的點和點之間的間距，功能塊自動運算出絕對值位置數(shù)據(jù)，以供控制操作使用。

根據(jù)控制要求，由于本程序使用到的功能塊是進行數(shù)據(jù)處理，因而在編寫功能塊時，采用了結(jié)構(gòu)化語言ST方式的編程。而在編寫動作工藝流程的時候則采用了常見的梯形圖編程模式。見圖2、圖3和圖4.

圖2 位置數(shù)據(jù)功能塊

圖3 功能塊中的結(jié)構(gòu)文本方式編程

圖4 工藝控制梯形圖

4 觸摸屏操作

由于我們選擇的伺服電機的編碼器是增量式編碼器。因此，在進行自動操作前，原點返回是必需的。進行原點返回操作，只需要在觸摸屏上點擊原點返回按鈕即可，見圖5。

圖5 觸摸屏畫面

在返回原點過程中，原點返回閃爍，當(dāng)碰到原點附近的限位開關(guān)后運行速度減慢，到達原點即停止運動；原點返回變?yōu)榫G色常亮，說明原點建立正確完成。

需要注意的是，任何時候都必需確保在焊鉗運動軌跡上沒有障礙物，否則伺服電機會因為負載過大導(dǎo)致過載報警。同時，為了確保焊鉗運動時焊鉗是打開的，設(shè)計了接近開關(guān)對每一把焊鉗打開到位進行了檢測。任何時候只要焊鉗閉合，焊鉗移動立即停止，確保不會對白車身或者焊鉗、伺服傳動機構(gòu)等造成損壞。

原點建立后，在觸摸屏上把工作模式切換為自動運行模式。只要白車身就位，車體就位檢測開關(guān)被觸發(fā)，主線安全和連鎖條件建立，此時，按下工位上的啟動焊接按鈕，焊鉗就會按照既定的程序自動運行。每運行到設(shè)定的位置，就會啟動焊接控制器開始焊接，焊接完畢焊鉗打開，繼續(xù)前進進行下一點的焊接。

5 效果驗證

圖6、圖7是實際焊接后的效果圖。由圖可見，伺服自動焊接的焊點大小尺寸一致，焊點間距均勻，焊點飽滿，經(jīng)過非破壞試驗證明焊接牢固可靠。

圖6 伺服焊接效果圖

圖7 伺服焊接效果圖

6 推廣應(yīng)用

基于以上的實踐驗證來看，使用伺服系統(tǒng)來進行焊接具有明顯的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）減少了生產(chǎn)線單班次人員，通過減少人工成本來降低制造成本；

（2）保證焊點分布均勻、對中，提高了焊接質(zhì)量，從而也保證了整個車體的強度；

（3）提高了車身焊接效率，增快生產(chǎn)節(jié)拍，滿足快速生產(chǎn)需求；

（4）減輕了工人的勞動強度，改善了人機工程；

（5）減少了焊接配套設(shè)備的數(shù)目，改善了車間生產(chǎn)線工藝布局。

7 結(jié)束語

伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用，對公司的自動化推廣有著非常重要的意義。通過二軸、三軸、四軸伺服控制系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，可以實現(xiàn)涂膠、抓取等動作的自動控制，應(yīng)用前景非常廣闊。

[1]OMRON公司.《CP1H用戶手冊》（產(chǎn)品手冊）[Z].

[2]OMRON公司.《CP1H編程手冊》（產(chǎn)品手冊）[Z].

[3]OBARA公司.《焊槍選型手冊》（產(chǎn)品手冊）[Z].

[4]OBARA公司.《ST21系列控制箱使用說明書》（產(chǎn)品說明書）[Z].

Simple Application of Servo Drive Type Automatic Welding in the Welding Workshop

LI Liu-qiang，F(xiàn)ANG Hai-ou
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd.，Ctd.，Lliuzhou Guangxi 545007，China）

Servo automatic welding is based on CP1H OMRON small PLC control to realize a small peacekeeping dimensional welding automation equipment.Current servo automatic welding have SGMW automobile body area wuling sunshine，new wuling sunshine，wuling macro light，baojun，such as production line put into use，it can realize three-dimensional welding operation of four dimensional robot also in research and development stage. Based on servo control is simple and easy automation equipment application will become more popular，how to make the servo control to faster and more convenient，more accurate，has also become a new subject of industrial automation control.

automatic welding；servo control，application

TG409

B

1672-545X（2017）03-0114-04

2016-12-30

李柳強（1975-），男，廣西柳州人，本科，主要研究方向為自動化控制技術(shù)；方海歐（1980-），男，河南人，碩士，高級工程師，研究方向：機械傳動技術(shù)。