基于PLC的汽車焊接機(jī)器人控制研究

駱小媛

河源理工學(xué)校 廣東省河源市 517000

摘要：隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和“工業(yè)4.0”時(shí)代的到來，在自動化、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢下，焊接生產(chǎn)的自動化與網(wǎng)絡(luò)化程度不斷提高，通過網(wǎng)絡(luò)連接完成焊接機(jī)器人系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，對提高焊接工藝管理水平具有重要的意義。目前汽車的白車身焊接生產(chǎn)線通車采用的是精度高、速度快、柔性高的激光焊接機(jī)器人。文章以S7-200系列的PLC控制器控制的白車身生產(chǎn)線為例，對PLC控制生產(chǎn)線與焊接機(jī)器人高效率、高精度、高柔性的通訊和生產(chǎn)進(jìn)行詳細(xì)的論述，為PLC在汽車焊裝生產(chǎn)線的應(yīng)用和推廣提供有效的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：PLC；汽車焊接機(jī)器人；控制

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

隨著我國工業(yè)化和自動化的不斷發(fā)展，機(jī)器人以其高效率、高精度在工業(yè)生產(chǎn)中越來越受到青睞。特別是近幾年我國的汽車產(chǎn)業(yè)自動化程度不斷提高，使用機(jī)器人進(jìn)行汽車噴涂不僅節(jié)省了很多人力資源，也實(shí)現(xiàn)了品質(zhì)的提升。

1焊接機(jī)器人在汽車行業(yè)的應(yīng)用

汽車制造行業(yè)的生產(chǎn)節(jié)拍較快，轎車的生產(chǎn)節(jié)拍一般在100秒左右。汽車制造的焊接工藝對加工過程中制件的焊接精度和速度等指標(biāo)要求越來越高，焊接時(shí)產(chǎn)生的火花、飛濺及煙塵等對人體造成危害，靠人為操作已變得越來越不適合，因此，在焊接工藝過程中使用自動化技術(shù)代表的焊接機(jī)器人成為汽車制造企業(yè)、汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)的共同需求。用焊接機(jī)器人進(jìn)行自動化操作代替人工操作，不僅提高了操作的穩(wěn)定性而且提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并且改善了操作者的生產(chǎn)環(huán)境等。汽車行業(yè)是焊接機(jī)器人的最大用戶，也是最早用戶。焊接機(jī)器人是汽車行業(yè)應(yīng)用最廣泛的工業(yè)機(jī)器人。

眾所周知，汽車焊接種類多樣，焊接工藝要求高，目前自動化焊接機(jī)器人在汽車焊接生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用在底盤的點(diǎn)焊工藝及零部件總成焊接過程中被焊制件焊縫形狀復(fù)雜人工不易操作的焊接工位、或者是焊接過程中完成效率不高及工作的焊縫數(shù)量較少、長度較長，形狀較規(guī)矩的焊接工位。汽車生產(chǎn)制造企業(yè)依據(jù)各企業(yè)實(shí)際情況，選用適合本企業(yè)的自動化焊接生產(chǎn)形式，目前汽車行業(yè)中應(yīng)用最多的是弧焊機(jī)器人和點(diǎn)焊機(jī)器人。

2 基于PLC的汽車焊接機(jī)器人控制研究

2.1車門焊接控制系統(tǒng)及其硬件構(gòu)成

車門焊接工藝通常包括兩臺激光焊接機(jī)器人和四個焊接工位，第一個工位主要焊接玻璃導(dǎo)槽和防撞桿，第二個工位主要負(fù)責(zé)焊接鉸鏈加強(qiáng)板和內(nèi)飾加強(qiáng)板，第三個工位主要負(fù)責(zé)鉸鏈加強(qiáng)板和防撞桿，第四個工位主要負(fù)責(zé)焊接外板窗框。車門焊接工藝流程的控制系統(tǒng)主要包括PLC、操作臺、夾具、氣壓回路以及激光焊接機(jī)器人等，PLC對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，其輸入信號是操作臺的指令和各個傳感器的信號，輸出信號則由機(jī)器人、夾具氣缸、電磁閥等來執(zhí)行，而在整個控制系統(tǒng)工作過程中，對激光焊接機(jī)器人的控制是最關(guān)鍵的。

2.2基于PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在基于PLC的控制系統(tǒng)中，采用的是模塊化的控制，焊接生產(chǎn)線的控制和焊接機(jī)器人的控制是相互獨(dú)立的兩個模塊，PLC通過串口通訊來協(xié)調(diào)生產(chǎn)線和焊接機(jī)器人之間的關(guān)系，程序在實(shí)際執(zhí)行中通過起始符、結(jié)束符以及BBC檢驗(yàn)碼來確保通訊信息的正確性。具體程序控制流程如下：控制系統(tǒng)啟動，PLC控制焊接機(jī)器人上電復(fù)位，然后由系統(tǒng)對夾具位置、行程開關(guān)等傳感器信號進(jìn)行檢測并與程序中的模塊參數(shù)進(jìn)行互相比對，然后由PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算后輸出相應(yīng)的指令，調(diào)整夾具的位置；夾具夾緊工件后，由PLC控制焊接機(jī)器人進(jìn)行工作，即PLC發(fā)出相應(yīng)的通訊指令，有機(jī)器人將指令與自身儲存器的相關(guān)指令進(jìn)行比對后，選擇合適的模塊程序，完成焊接動作和調(diào)整，焊接過程中的焊接電流大小、通斷時(shí)間都是由機(jī)器人自身的控制器完成的。

2.3硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的本地端由采集終端PC和多組焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成。通過焊接機(jī)器人系統(tǒng)中的PLC采集焊接機(jī)器人狀態(tài)、焊接電源狀態(tài)、夾具狀態(tài)、報(bào)警等焊接相關(guān)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程端由出口路由器和服務(wù)器組成，主要負(fù)責(zé)為遠(yuǎn)程用戶提供Web監(jiān)控服務(wù)，并為遠(yuǎn)程管理員提供VPN服務(wù)，方便管理員對采集端以及焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行升級與維護(hù)。

本系統(tǒng)中的服務(wù)器通過出口路由器與外界網(wǎng)絡(luò)連接，使得服務(wù)器可對外網(wǎng)用戶提供Web服務(wù)和VPN服務(wù)。本系統(tǒng)使用一臺性能較高的PC機(jī)作為服務(wù)器，搭載Web服務(wù)與VPN服務(wù)。服務(wù)器配有兩張網(wǎng)卡EO和E1，如圖1所示。EO通過出口路由器連接至互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程用戶通過該網(wǎng)口訪問服務(wù)器提供的Web服務(wù)和VPN服務(wù)。E1連接至內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，與采集端進(jìn)行通訊，獲取采集端上傳的焊接機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)。

程普通用戶使用瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)即可訪問遠(yuǎn)程端的Web監(jiān)控服務(wù)。管理員除了獲得Web監(jiān)控服務(wù)外，還可以通過VPN客戶端接入本地端的內(nèi)部局域網(wǎng)，對采集端和焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和維護(hù)。

2.4機(jī)器人自動化集成技術(shù)

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)我們解兩個層面，我們要設(shè)計(jì)自動化生產(chǎn)線，首先要對企業(yè)，加工產(chǎn)品的工藝流程，要非常的熟悉。這是第一個層面。就把已有的工藝流程，進(jìn)行自動化的升級，但是光有這個還不夠。我們應(yīng)根據(jù)機(jī)器人卓越的特點(diǎn)，對它的工藝流程進(jìn)行重組和再造。我覺得后面這個意義更大。根據(jù)機(jī)器人的特點(diǎn)重新考慮它的工藝流程。這樣就是涉及到工藝流程的設(shè)計(jì)。包括生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)線集成。這個時(shí)候我們對它關(guān)鍵工藝，機(jī)器人技術(shù)加智能化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成。關(guān)鍵的工藝現(xiàn)在機(jī)器人運(yùn)用，結(jié)合機(jī)械制造，主要在焊接運(yùn)用比較多。沖壓方面也有，機(jī)械加工，裝配工藝這些都用得比較多。這個我們涉及到一系列機(jī)器人運(yùn)用的技術(shù)，把工藝流程進(jìn)行升級，能夠再造出更優(yōu)化的工藝。閥門這里也采用了PLC、工控機(jī)等主控機(jī)一起來做集成應(yīng)用。

3噴涂機(jī)器人系統(tǒng)的組成及功能介紹

噴涂機(jī)器人實(shí)際上是一種通過程序發(fā)出指令，控制柜啟動關(guān)閉相應(yīng)閥門實(shí)現(xiàn)噴涂的機(jī)械手臂。一般的機(jī)器人系統(tǒng)包括以下4個部分：①機(jī)械機(jī)構(gòu)部分。②控制系統(tǒng)部分。主要控制驅(qū)動系統(tǒng)的動作時(shí)間，包括示教再現(xiàn)、信息存儲和I/O模塊。③驅(qū)動系統(tǒng)部分。液壓的、啟動的、電氣的驅(qū)動系統(tǒng)。④噴涂執(zhí)行部分。

受到汽車廠涂裝車間布局的影響，我們必須先確定涂裝機(jī)器人的分布位置，通過合理的定位固定基礎(chǔ)底座，這是機(jī)器人物理位置的原點(diǎn)。機(jī)器人本體是類似手臂通過6或7個連接軸實(shí)現(xiàn)軌跡移動的，每一段連續(xù)運(yùn)動軌跡的集合就是車體噴涂所需要的覆蓋面積。PLC程序系統(tǒng)是整個噴涂機(jī)器人系統(tǒng)的“大腦”，它通過各種控制實(shí)現(xiàn)整個環(huán)境的運(yùn)行邏輯，每一步的動作都是設(shè)計(jì)的主體，相關(guān)聯(lián)的各個條件都有非常強(qiáng)的邏輯關(guān)系。當(dāng)PLC發(fā)出指令后，它會調(diào)用管理模塊中的各種數(shù)據(jù)，在已經(jīng)寫定的機(jī)器人動作前，數(shù)據(jù)會傳送給機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)我們所需要的數(shù)值。通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了每一個模塊與“大腦”的數(shù)據(jù)交換和反饋。如果出現(xiàn)危險(xiǎn)或不完善的動作，通信系統(tǒng)就會反饋給“大腦”，發(fā)出報(bào)警提示。

涂料管路系統(tǒng)就像我們?nèi)梭w的血管，貫穿在機(jī)器人的身體內(nèi)部，它是涂料運(yùn)輸?shù)妮d體。通過涂料系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)涂料的流通?？諝夤苈废到y(tǒng)不僅能將涂料從涂料儲存罐內(nèi)打壓到管路中，還能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在動作時(shí)候各種閥門的關(guān)閉動作，這樣可在涂料時(shí)開啟閥門，不需要涂料時(shí)關(guān)閉閥門，從而自由支配所需涂料的時(shí)間。

結(jié)束語

汽車焊接機(jī)器人是汽車生產(chǎn)線中常用的一種焊接設(shè)備，其控制系統(tǒng)的好壞至關(guān)重要。文章對汽車焊裝生產(chǎn)線的自動焊接控制進(jìn)行了具體的分析和研究，為汽車生產(chǎn)線中焊接機(jī)器人的使用和推廣提供了有效的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳全，李鋼，張仁斌.基于開放式體系結(jié)構(gòu)的弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2004，26（9）：36-75.

[2] 范小蘭.基于PLC的機(jī)械手控制在MCGS中的實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2012（18）：6-8.endprint