柔性簡單伺服自動焊的開發(fā)應用

王麗莉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

在現(xiàn)代汽車焊接技術中，汽車車身的焊接主要采用電阻點焊，并有人工焊接和機器人焊接兩種形式。簡單伺服自動焊系統(tǒng)，是應用在車身制造的焊接環(huán)節(jié)中，介于機器人和人工焊之間的一直焊接方式。簡單伺服自動焊主要應用在焊點分布表面集中，焊槍結構較大，人工焊接勞動強度較大的工位具有投資成本較低、占地空間較小，對安裝環(huán)境無特殊要求等優(yōu)勢。

然而，在簡單伺服自動焊系統(tǒng)應用開發(fā)的初期，由于不滿足柔性生產(chǎn)線多車型的能力要求，只能應用在單一零部件專用生產(chǎn)線上，而很少應用在多車型柔性生產(chǎn)的主焊線上。為滿足現(xiàn)代汽車生產(chǎn)需要，急需實現(xiàn)簡單伺服自動焊系統(tǒng)在同一生產(chǎn)線同一個工位上的柔性多車型生產(chǎn)的能力。即在不同的車型運輸?shù)胶唵嗡欧詣雍腹の粫r，簡單伺服自動焊控制系統(tǒng)需要識別出工位當前的車型，并且根據(jù)當前車型的型面特征、焊點位置和數(shù)量做出不同的運動軌跡并且控制焊接控制器執(zhí)行焊槍的焊接動作。在此基礎上，也能夠將簡單伺服自動焊應用在多車型柔性主焊線的工位上。

1 簡單伺服自動焊控制系統(tǒng)介紹

簡單伺服自動焊系統(tǒng)由機械傳動機構、氣動焊槍、控制系統(tǒng)三大部分組成。機械傳動機構實現(xiàn)電機轉動到氣動焊槍運動過程的傳遞，氣動焊槍執(zhí)行了所有焊點的焊接動作，控制系統(tǒng)實現(xiàn)對伺服電機轉動的位移、速度、加速度、加速率以及氣動焊槍焊接啟動的控制。本文主要介紹的是控制系統(tǒng)的設計，通過PLC（可編程邏輯控制器）控制伺服電機的運動位置、速度、加速度等參數(shù)，伺服電機驅動氣動焊槍在特定的空間范圍內運動，可實現(xiàn)X、Y、Z向的直線運動及旋轉運動。在開始焊接前，焊槍停止在一個不干涉輸送設備的地方，待工件運送到位后，PLC判段安全條件后，通過控制伺服電機的運動速度和運動距離，實現(xiàn)焊槍電極頭在XY平面上任意位置的運動。同時，PLC根據(jù)伺服電機反饋的X、Y、Z軸伺服電機的位置反饋信息來判斷和控制氣動焊槍焊接時的打開動作，同時控制焊接控制器焊接電流的開啟，焊接控制器按照事先設置好的焊接工藝參數(shù)輸出到氣動焊槍，焊接工藝動作結束后，焊接控制器發(fā)送焊接完成信號到PLC，PLC接收后控制氣動焊槍打開，至此，單個焊點的焊接動作流程完成，進入下一個焊點的焊接動作流程，直到完成本工位要求的所有焊點后，PLC控制焊槍回到原點。

2 簡單伺服自動焊控制系統(tǒng)實現(xiàn)柔性生產(chǎn)能力的方法與步驟

本文以車型1（代號113，以下簡稱車型1）、車型2（代號 210，以下簡稱車型 2）、車型 3（代號 202，以下簡稱車型3）為例闡述簡單伺服自動焊控制系統(tǒng)實現(xiàn)以上三種具有不同型面特征及焊點數(shù)量要求的車型的柔性生產(chǎn)能力的具體方法與步驟，其原理和方法如圖1所示。

圖1 簡單伺服自動焊控制系統(tǒng)實現(xiàn)多車型功能原理示意圖

第一步，焊接工藝的需求整理與焊槍行走路徑規(guī)劃：根據(jù)三種不同型面焊接要求，焊點的數(shù)量及位置，規(guī)劃焊槍行走軌跡，得到每個焊點的X、Y軸坐標值。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及伺服電機的能力來制定伺服電機運動的速度、加速度、加速率值整理并制成表格；

第二步，建立PLC參數(shù)寄存器數(shù)組與位置控制邏輯編程：根據(jù)第一步制成各參數(shù)表，在PLC程序中為每個車型建立伺服電機參數(shù)寄存器數(shù)組，并將參數(shù)值對應的數(shù)組中；

第三步，車型識別與邏輯編程：通過外部傳感器識別出簡單伺服自動焊系統(tǒng)當前工作任務的車型，PLC獲取車型信息后經(jīng)過邏輯判斷，將對應車型的參數(shù)賦值到中間變量——伺服電機參數(shù)寄存器數(shù)組中；

第四步，PLC輸出控制伺服電機運動驅動焊槍運動與控制焊槍執(zhí)行焊接動作：PLC通過邏輯控制編程后輸出運動控制指令到伺服控制器控制伺服電機驅動焊槍運動，同時輸出繼電器控制信號到焊接控制器控制焊槍執(zhí)行焊接動作。

2.1 焊接工藝的需求整理與焊槍行走路徑規(guī)劃

簡單伺服自動焊控制系統(tǒng)，主要的目標是根據(jù)焊接工藝的需求，控制焊槍執(zhí)行工藝指定的焊接任務，因此，首先要根據(jù)每一個需要在簡單伺服自動焊工位需要焊接的車型的工藝要求，如焊點位置、焊點數(shù)量，為每一個車型制定對應的焊接工藝步驟與焊槍行走軌跡路徑表，如表1所示。

以車型1為例，有19個焊點需要焊接，焊點位置分布如圖1所示。伺服自動焊的控制系統(tǒng)需要得到焊槍行走到每一個焊點時焊槍X、Y軸電機相對于焊槍在原點時的位置坐標值。焊槍在原點（也就是每次執(zhí)行焊接任務的起點和終點），將原點的X、Y軸電機的位置坐標值設置為（0,0）。同時焊槍的行走軌跡中有部分位置點為避讓周圍工裝設備或者零件造型干涉而設置的空運行位置點，焊槍電極頭運動到空運行位置點，不行進行焊接的動作。在圖2焊槍電極頭行走軌跡示意圖中，以圓點標記的第5、6、15、16、17、25、26點表示空運行點，即車型1共有26個焊槍行走的位置點，包含19個需要焊接的點和7個不需要焊接的空運行點。

圖2 伺服自動焊焊槍電極頭行走軌跡示意圖

按照圖1規(guī)劃好的路徑軌跡，經(jīng)過現(xiàn)場的對點調試后，得出全部26個焊槍行走軌跡點的X、Y坐標值后，需要為每一個位置點做一個編號，這個編號與PLC程序中對應的焊槍行走的每一個位置的步序號Step編號一致,如表1所示。

表1 自動焊焊槍電極頭運動軌跡點坐標值

根據(jù)相同的方法，為車型2、車型3也分別建立如表1所示的焊槍電極頭運動軌跡點坐標值表。同時根據(jù)伺服電機的功率、慣量、最大轉速等參數(shù)以及生產(chǎn)節(jié)拍的要求，將X軸、Y軸的速度均設為800 mm/s，加/減速度均設為 1 500 mm/s2，加/減速率均設為6 000 mm/s3。

2.2 建立PLC參數(shù)寄存器數(shù)組與位置控制邏輯編程

獲取了伺服自動焊焊槍運動軌跡后，需要將這些參數(shù)設置到PLC控制系統(tǒng)中，供PLC進行邏輯編程使用，以實現(xiàn)焊槍能夠按照設定的軌跡路線來進行運行并且執(zhí)行焊接的動作。

本文柔性簡單伺服自動焊應用示例中的控制系統(tǒng)，采用的是Rockwell的1769-L36ERM型號的PLC,Rockwell的2097V34PR6LM伺服驅動器及MPLB330PMJ74AA伺服電機。2.2.1建立PLC參數(shù)寄存器數(shù)組

首先，通過Rockwell的編程軟件LOGIX5000[1]，創(chuàng)建好邏輯程序的框架，為每個車型的每個step建立一套參數(shù)，如圖3所示的以車型1為例，其中：

1）UB03_113.LeftPosition_AX為X軸運動的位置距；

2）UB03_113.LeftPosition_AY為Y軸運動的位置距離；

3）UB03_113.LeftSpeed_X為 X軸電機運動速度；

4）UB03_113.LeftSpeed_Y為Y軸電機運動速度；

5）UB03_113.LeftAccDec_X為X軸電機運動的加/減速度；

6）UB03_113.LeftAccDec_Y為Y軸電機運動的加/減速度；

7）UB03_113.LeftAccDecRate_X為X軸電機運動的加/減速率；

8）UB03_113.LeftAccDecRate_Y為Y軸電機運動的加/減速率；

圖3 PLC編程軟件中建立的伺服電機參數(shù)寄存器

將表1中的各軸坐標值以及運動的速度、加速度等參數(shù)輸入PLC對應的數(shù)組中。PLC通過邏輯控制調用各參數(shù)數(shù)組中的值，控制焊槍X、Y軸電機的運動距離、運動速度。當焊槍運動到零件的焊點位置后，PLC接收到伺服電機編碼器反饋的到位信號后，發(fā)送焊接命令到焊接控制器，啟動焊接參數(shù)。PLC接收到焊接控制器反饋的焊接完成信號后，控制伺服電機驅動焊槍運動到下個焊點的位置。在完成最后一個焊點后，需要做一些避讓動作，使焊槍回到原點（0，0）。

建立好參數(shù)寄存器后，將表1的X、Y軸的運動距離值輸入寄存器數(shù)組UB03_113.LeftPosition_AX[β]、UB03_113.LeftPosition_AY[β]中，其中 β 即為 step號，β=1、2、3……24、25、26，這就就可以將工藝需求的各個焊點參數(shù)輸入到PLC控制器中供編程使用。例如UB03_113.LeftPosition_AX[2],中括號內的數(shù)字為1，即Step=7，表示焊槍運動的第7個位置點，如圖4所示，Y軸位置參數(shù)同理X軸。同時將X軸、Y軸運動的速度、加速度、加速率值到對應的寄存器數(shù)組中。車型2、車型3同理。

圖4 X軸焊點位置寄存器數(shù)組

2.2.2 位置控制邏輯編程

PLC 通過 MAM[2]（Motion Axis Move）指令將各個焊點的運動參數(shù)賦值到伺服控制器，伺服控制器再控制伺服電機按照參數(shù)完成相應的運動。而每個伺服控制器的MAM[2]指令的每個參數(shù)只能設置一個變量，當有多個不同車型的時，需要將不同車型的參數(shù)都賦值到同一個變量供伺服控制器讀取。

將3個不同車型的位置控制參數(shù)賦值到同一組變量中，如圖5所示，車型1的X軸位置坐標值變量UB03_113.LeftPosition_AX[β]、車型2的的X軸位置坐標值變量 UB03_210.LeftPosition_AX[β]、車型 3的的X軸位置坐標值變量UB03_202.LeftPosition_AX[β]，都賦值到同一個變量UB03.Left_Gun.Position_AX[β]中，伺服控制器將讀取這個變量的值控制伺服電機的運動。其中的40指的是總共拷貝數(shù)組中從0到第40位，本例有26個STEP,拷貝40位足夠使用。這三段賦值語句，分別寫在三個不同的獨立子程序J001_113JobData、J002_210JobData、J003_202JobData中。

圖5 將3個不同車型的位置控制參數(shù)賦值到同——變量的邏輯語句

2.3 車型識別與判斷邏輯編程

根據(jù)三個車型的型面特征點，采用接近開關、行程開關、激光測距開關來識別和區(qū)分出當前工位需要焊接的車型，本文示例中的采用三個接近開關進行車型識別，邏輯如圖6所示。根據(jù)識別出來的當前車型，通過跳轉指令JSR[3](Jump to Subroutine)調用相應的子程序，如圖7所示，實現(xiàn)不同車型調用不同伺服控制參數(shù)的功能。

圖6 車型別邏輯

圖7 根據(jù)不用車型調用不同的伺服控制參數(shù)指令程序

2.4 PLC輸出控制伺服電機運動驅動焊槍運動與控制焊槍執(zhí)行焊接動作

做好伺服控制參數(shù)賦值邏輯后，需要將各項控制參數(shù)賦值到伺服控制器。仍然以左側焊槍的X軸位置參數(shù)為例，如圖8所示，根據(jù)STEP號β的值，伺服控制器通過MAM[2]的指令，使軸Axis_UB03LX讀取對應的 UB03.Left_Gun.Position_AX[β]的值，這個值就是X軸在STEP=β時相對于0點的絕對坐標值，伺服控制器將根據(jù)UB03.Left_Gun.Position_AX[β]的坐標值控制X軸電機的運動距離。通過MAM指令，伺服控制器還可以獲得X軸電機運動的加速率、加速度、速度參數(shù)，伺服控制器根據(jù)獲取的參數(shù)值，控制伺服伺服電機按照獲取的參數(shù)值執(zhí)行運動，到達指定的焊點位置，等待執(zhí)行下一個MAM指令。

當X軸、Y軸都執(zhí)行了對應步序號的MAM指令運動到指定的焊點位置后，PLC控制繼電器輸出ON,觸發(fā)焊接控制器控制焊槍執(zhí)行焊接的動作：焊槍臂夾緊并通焊接電流到電極頭。焊接動作完畢后焊接控制器反饋信號通過繼電器輸入到PLC，PLC通過邏輯判斷，給步序號β加1，即可進入下一個焊點的邏輯，直到β值大于26完成所有焊點的焊接。當β值大于26，給β賦值為0，當新的一臺車身被運送到本工位時，其它控制條件滿足，判斷車身型號后，就可以重新開始新的一臺車身的焊接。

圖8 伺服控制器讀取控制參數(shù)邏輯指令

3 結束語

按照以上的思路和具體方法步驟，可以完成多個不同車型在相同工位的伺服自動焊系統(tǒng)進行焊接的功能。在實現(xiàn)多種車型的柔性生產(chǎn)能力后，可以擴大簡單伺服自動焊的應用范圍，也極大方便了整線焊接工藝布局的規(guī)劃以及后續(xù)車型導入同一生產(chǎn)線生產(chǎn)的能力。后續(xù)將研究在實現(xiàn)柔性生產(chǎn)能力的基礎上實現(xiàn)多組不同焊接參數(shù)選擇的功能，進一步擴大簡單伺服自動焊系統(tǒng)柔性多車型生產(chǎn)能力。