汽車焊接件防漏焊MES監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李楊

【摘 要】本文針對(duì)當(dāng)前企業(yè)對(duì)人工點(diǎn)焊工作模式的質(zhì)量監(jiān)控需求越來越高的情況，設(shè)計(jì)一套面向中小企業(yè)典型點(diǎn)焊接流水線的焊接一體化MES監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC檢測(cè)焊接工位焊鉗電流，并實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接點(diǎn)數(shù)等信息，結(jié)合鎖槍及暗燈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車間若干條流水線的分布式數(shù)據(jù)采集，分層級(jí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)、工段、車間級(jí)的多方位監(jiān)控，并采用云端APP客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】汽車 焊接件 防漏焊 MES監(jiān)控系統(tǒng) 點(diǎn)焊 PLC MES

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）03C-0187-06

近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量逐年擴(kuò)大，人們對(duì)于汽車質(zhì)量及安全提出了更高的要求，汽車零部件的拼焊件逐漸采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化焊接，但是一些中小型企業(yè)一時(shí)難以過渡到全自動(dòng)化程度，很多生產(chǎn)線依然需要人工進(jìn)行流水線焊接作業(yè)，不可避免出現(xiàn)焊接質(zhì)量難以監(jiān)控的問題，迫切需要一種簡(jiǎn)單高效的監(jiān)控方式實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前人工焊接的實(shí)時(shí)監(jiān)控，盡量避免廢品的出現(xiàn)。

一、人工點(diǎn)焊對(duì)焊接件質(zhì)量的影響

人工點(diǎn)焊對(duì)焊接件質(zhì)量的影響表現(xiàn)在：一是人工焊接會(huì)受到體力，精神及很多方面的影響導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，比如焊接電流不足或保壓時(shí)間不夠，造成焊接不牢固的情況。二是點(diǎn)焊電極頭要定期進(jìn)行修磨，但是工人往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修磨，帶來質(zhì)量隱患。三是企業(yè)在后期抽檢才能發(fā)現(xiàn)焊接不牢固，或者有漏焊的情況。四是流水線有排產(chǎn)的不同需要，同工位會(huì)因?yàn)榕女a(chǎn)焊接不同拼焊件，工人也許會(huì)出現(xiàn)有漏焊的情況，直接影響下一工序的焊接，存在質(zhì)量遺留問題。

二、自動(dòng)焊接系統(tǒng)的具體功能

為了應(yīng)對(duì)人工點(diǎn)焊出現(xiàn)的質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的焊接線監(jiān)控系統(tǒng)，基本功能如下：一是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人工焊接時(shí)每一個(gè)焊點(diǎn)的電流值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷電流是否符合標(biāo)準(zhǔn)電流值。二是自動(dòng)統(tǒng)計(jì)本工序的焊接點(diǎn)數(shù)，判斷是否符合焊接點(diǎn)個(gè)數(shù)的要求，從而知道是否有漏焊的情況。三是工裝夾具有識(shí)別零件的防錯(cuò)焊的定位銷及工件識(shí)別傳感器，用于自動(dòng)判斷是否有錯(cuò)焊的情況。四是流水線工位設(shè)置暗燈功能，現(xiàn)場(chǎng)求援信號(hào)可以通過監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行告警。五是利用多級(jí)監(jiān)控方式實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工位、工段及車間級(jí)的質(zhì)量監(jiān)控告警方式，及時(shí)反饋焊接情況，避免大批量的零件質(zhì)量問題出現(xiàn)。六是便于企業(yè)對(duì)車間的焊接情況進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，提高效率。

三、系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

（一）單站系統(tǒng)的確設(shè)計(jì)

車間內(nèi)有多條人工點(diǎn)焊焊接流水線，每條流水線有多臺(tái)人工焊鉗，在焊鉗端安裝電流互感器用于檢測(cè)每一次焊鉗點(diǎn)焊的電流，夾具平臺(tái)設(shè)置有識(shí)別零件的防錯(cuò)焊的定位銷及工件識(shí)別傳感器，用于自動(dòng)判斷是否有錯(cuò)焊的情況，所有此類信號(hào)進(jìn)到PLC后再進(jìn)行判斷處理。各流水線由單臺(tái)PLC進(jìn)行集中數(shù)據(jù)的采集分析和控制，人機(jī)界面觸摸屏在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的參數(shù)設(shè)定、調(diào)試及告警使用，同時(shí)數(shù)據(jù)還通過交換機(jī)與車間級(jí)上位工控機(jī)對(duì)接，匯總各個(gè)流水線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，綜合數(shù)據(jù)通過云平臺(tái)APP共享到手機(jī)客戶端，方便管理人員隨時(shí)監(jiān)控車間生產(chǎn)情況。如圖1所示。

（二）焊點(diǎn)計(jì)數(shù)及電流檢測(cè)

通過電流互感器檢測(cè)焊鉗端焊接電流，PLC接受電流信號(hào)后，與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)有嚴(yán)重偏差則及時(shí)報(bào)警。如果焊接個(gè)數(shù)不符合要求，也通過暗燈及上位機(jī)進(jìn)行告警。如圖2所示。

（三）定期修磨設(shè)置

監(jiān)控可以設(shè)置焊點(diǎn)總數(shù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)達(dá)到一定的焊點(diǎn)次數(shù)后，可以通過鎖槍方式提醒工人及時(shí)進(jìn)行電極修磨工作。本系統(tǒng)同時(shí)也輔助開發(fā)了與自動(dòng)控制的修磨器，方便工人快速實(shí)現(xiàn)修磨功能，提高了效率。如圖3所示。

（四）車型識(shí)別及部件防漏焊

由于在排產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)有分班次分時(shí)段焊接不同零部件的情況，同一零件的不同批次會(huì)焊接不同的位置，人工焊接容易疏漏。系統(tǒng)采用夾具平臺(tái)設(shè)置有識(shí)別零件的防錯(cuò)焊的定位銷及工件識(shí)別傳感器，用于自動(dòng)判斷是否有錯(cuò)焊的情況，出現(xiàn)有工裝錯(cuò)誤會(huì)自動(dòng)鎖夾具或者鎖槍的方式進(jìn)行警告。具體如圖4所示。

四、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

（一）程序設(shè)計(jì)（部分）

焊接電流采用電流互感器檢測(cè)，檢測(cè)電流經(jīng)過變送器進(jìn)入PLC模擬量模塊，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)參與PLC內(nèi)部運(yùn)算。

焊點(diǎn)數(shù)量檢測(cè)是通過焊接電流來進(jìn)行計(jì)數(shù)，通一次電流就算一點(diǎn)。實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)工件每個(gè)焊鉗的焊點(diǎn)數(shù)量，避免漏焊少焊，提升焊接件焊接質(zhì)量。如圖5所示。

（二）焊接點(diǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)（部分）

PLC在人工焊接時(shí)從工件開始焊接至結(jié)束的計(jì)數(shù)，程序如下：

LD Always_On

A 焊機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)29_1

LPS

AN 所有工作結(jié)束29

AN 工件焊接結(jié)束29

LD 焊鉗29計(jì)數(shù)

O 工件焊接開始29

ALD

= 工件焊接開始29

LPP

A 所有工作結(jié)束29

LD 工件焊接開始29

O 工件焊接結(jié)束29

ALD

= 工件焊接結(jié)束29

在對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)焊接過程結(jié)束時(shí)的程序進(jìn)行比較后進(jìn)行判斷，如下所示：

LD Always_On

A 焊機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)29_1

LPS

EU

MOVW +0，實(shí)際焊點(diǎn)數(shù)29

LPP

AW>= 實(shí)際焊點(diǎn)數(shù)29，標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)數(shù)29

= 標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)束29

每把焊槍總焊點(diǎn)計(jì)數(shù)以正常標(biāo)準(zhǔn)焊接進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到人工焊接的實(shí)時(shí)焊接點(diǎn)數(shù)。

LD Always_On

LPS

A First_Scan_On

MOVD +0，總焊點(diǎn)數(shù)29

AENO

MOVW +0，工件焊點(diǎn)數(shù)中間值29

AENO

MOVW +0，工件焊點(diǎn)數(shù)29

LPP

A 系統(tǒng)啟動(dòng)

A 焊機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)29_1

AW> 標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)數(shù)29，+0

LPS

A 焊鉗29計(jì)數(shù)

AR> 電流值29，標(biāo)準(zhǔn)下限電流29

AN 所有工作結(jié)束記憶29

EU

INCD 總焊點(diǎn)數(shù)29

INCW 工件焊點(diǎn)數(shù)中間值29

LPP

A 所有工作結(jié)束記憶29

EU

MOVW 工件焊點(diǎn)數(shù)中間值29，工件焊點(diǎn)數(shù)29

AENO

MOVW +0，工件焊點(diǎn)數(shù)中間值29

五、焊接線觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）觸摸屏主界面

系統(tǒng)設(shè)置了多個(gè)焊接界面實(shí)現(xiàn)畫面間的切換，為放置無(wú)關(guān)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，特設(shè)置了登錄頁(yè)面。如圖6所示。

（二）登錄界面

登錄界面設(shè)置了兩級(jí)登錄權(quán)限功能，操作員登錄采用A級(jí)權(quán)限，可以對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行修改。維護(hù)登錄除了可以修改基本參數(shù)外，還可以對(duì)內(nèi)部變量，腳本等底層界面進(jìn)行修改。如圖7所示。

系統(tǒng)還設(shè)置了三個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)作業(yè)、維護(hù)和緊急情況的登錄，作業(yè)登錄能進(jìn)入操作界面；維護(hù)登錄能進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；緊急登錄能進(jìn)入系統(tǒng)停止界面。

（三）操作界面

操作界面主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控焊機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。焊接防漏檢測(cè)操作界面設(shè)置了各個(gè)焊機(jī)當(dāng)前的實(shí)時(shí)焊接電流等信息。登錄按鈕可以進(jìn)入焊槍解鎖界面。（焊槍鎖槍后，通過按工位上的復(fù)位按鈕和登錄焊槍解鎖界面進(jìn)行雙重復(fù)位。）如圖8所示。

（四）參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置了可以切換車型的按鈕對(duì)應(yīng)車型一、車型二、車型三和車型四。存入按鈕用于存入車型生產(chǎn)信息。（需要生產(chǎn)什么車型，就選擇車型，然后存入。）車型單獨(dú)選擇按鈕用于工位單獨(dú)選擇存入車型。非正常狀態(tài)按鈕用于非正常狀態(tài)下生產(chǎn)的車型的存入。電流系數(shù)用于設(shè)置電流系數(shù)的界面。（通過設(shè)置系數(shù)把系統(tǒng)監(jiān)控電流設(shè)置成和焊機(jī)實(shí)際電流一致的界面。）操作界面主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控焊機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。焊接防漏檢測(cè)操作界面設(shè)置了各個(gè)焊機(jī)當(dāng)前的實(shí)時(shí)焊接電流等信息。登錄按鈕可以進(jìn)入焊槍解鎖界面。（焊槍鎖槍后，通過按工位上的復(fù)位按鈕和登錄焊槍解鎖界面進(jìn)行雙重復(fù)位。）如圖9所示。

（五）緊急登錄界面

緊急登錄界面主要是根據(jù)需要單獨(dú)停止焊機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行的功能。（例如：停止焊機(jī)001，則系統(tǒng)就不控制焊機(jī)001。）如圖10所示。

（六）車型單獨(dú)選擇界面

根據(jù)車間排產(chǎn)的需要，可以對(duì)工位需要單獨(dú)選擇車型焊點(diǎn)。如圖11所示。

（七）非正常狀態(tài)界面

非正常狀態(tài)界面設(shè)置兩種非正常狀態(tài)下的生產(chǎn)車型的焊點(diǎn)。如圖12所示。

（八）電流系數(shù)界面

焊接點(diǎn)電流也許會(huì)根據(jù)當(dāng)前電流總體的變化，從而檢測(cè)有所改動(dòng)，在電流系數(shù)界面可以設(shè)置比例系數(shù)，存入后可以統(tǒng)一修訂電流偏差。如圖13所示。

六、工控機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

車間級(jí)由工控機(jī)進(jìn)行全方位監(jiān)控，采用組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。如圖14、圖15所示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)流水線物料配送的及時(shí)告警，設(shè)置了物料呼叫監(jiān)控界面，配合暗燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物流作業(yè)的輔助功能。如圖16所示。

通過產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表可以對(duì)每天的產(chǎn)量進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)，可以人工保存，也可以按照每天固定時(shí)間自動(dòng)保存，方便企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如圖17所示。

七、云端監(jiān)控

云端通過APP手機(jī)客戶端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車間各條流水線作業(yè)的數(shù)據(jù)匯總，在手機(jī)端可以利用軟件進(jìn)行及時(shí)的信息掌握。如圖18所示。

八、系統(tǒng)調(diào)試及驗(yàn)證分析

該設(shè)備通過在企業(yè)1個(gè)多月的安裝及調(diào)試，各方面技術(shù)指標(biāo)均已完成功能測(cè)試現(xiàn)已投入使用，經(jīng)過2個(gè)多月的跟線及系統(tǒng)補(bǔ)充修改，完成了對(duì)員工的系統(tǒng)使用及維護(hù)培訓(xùn)工作，現(xiàn)已完全交付企業(yè)使用至今。如圖19所示。

九、存在問題

本文介紹了基于PLC的汽車焊接件防漏焊監(jiān)控系統(tǒng)的研制，從企業(yè)對(duì)拼焊件現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量問題出發(fā)，通過系統(tǒng)及時(shí)地對(duì)人工焊接中出現(xiàn)的漏焊，錯(cuò)焊及焊接電流不足等造成的產(chǎn)品質(zhì)量問題進(jìn)行及時(shí)反饋，讓質(zhì)量部門能快速響應(yīng)糾錯(cuò)，避免流水線大批量作業(yè)帶來的大量不合格品的出現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中還有些問題有待下一階段的提高，例如：

第一，人工焊接最直接有效的質(zhì)量提升就是對(duì)人工焊接的規(guī)范化操作，以及職業(yè)道德的提升，對(duì)企業(yè)文化的融入等，只有對(duì)人的技術(shù)進(jìn)行提升，才能從根本上實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的提升。監(jiān)控手段只能作為輔助的一種質(zhì)量監(jiān)控手段，需要現(xiàn)場(chǎng)工人配合操作才能實(shí)現(xiàn)效能。

第二，生產(chǎn)部門與質(zhì)量部門之間的協(xié)調(diào)很關(guān)鍵，系統(tǒng)在應(yīng)用中會(huì)根據(jù)漏焊及影響焊接質(zhì)量的反映，會(huì)通過鎖槍或者鎖夾具的方式避免焊接錯(cuò)誤方式繼續(xù)下去，這樣會(huì)造成流水作業(yè)的停滯，需要人工解鎖然后才能繼續(xù)。生產(chǎn)部分以排產(chǎn)產(chǎn)量為中心，影響產(chǎn)量很難完成任務(wù)。而質(zhì)量部門以質(zhì)量為中心，希望影響質(zhì)量的產(chǎn)品流入下一道工序。這樣就會(huì)造成矛盾的出現(xiàn)，在調(diào)試程序過程中受到兩個(gè)部門不同角度的影響，一度出現(xiàn)有麻煩的出現(xiàn)，此類問題需要快速保障的體系，與人工操作相配合才能實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)下一階段圍繞以上問題進(jìn)一步改進(jìn)人機(jī)效能，在企業(yè)還無(wú)法大面積采用工業(yè)機(jī)器人焊接的情況下，找出更優(yōu)的程序方案實(shí)現(xiàn)最大效能的汽車焊接件防漏焊監(jiān)控系統(tǒng)。

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【基金項(xiàng)目】廣西教育廳高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（一般資助項(xiàng)目）“汽車焊接件防漏焊一體化監(jiān)控系統(tǒng)研制”（2017KY1051）

【作者簡(jiǎn)介】李 楊（1984— ），女，廣西柳州人，碩士，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師，研究方向：工業(yè)電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化技術(shù)。

（責(zé)編 盧 雯）