激光打標(biāo)技術(shù)在汽車焊裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用

沈明 曲云龍 齊石 劉飛飛

（一汽模具制造有限公司，長春130013）

1 前言

伴隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，白車身焊接生產(chǎn)逐漸向全自動、柔性化、多車型、可追溯性等多方向發(fā)展。激光打標(biāo)技術(shù)是近年來在白車身焊裝行業(yè)新興起來的，為適應(yīng)生產(chǎn)線高柔性和可追溯性的要求而誕生的技術(shù)。PLC是1種功能豐富、高度智能化的裝置，集成了自動化控制技術(shù)，計算機技術(shù)和通訊技術(shù)等，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)的控制中。本項目將PLC控制技術(shù)與激光打標(biāo)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了汽車焊裝生產(chǎn)線激光自動打標(biāo)要求，生產(chǎn)線依據(jù)所刻二維碼，對相應(yīng)焊裝設(shè)備狀態(tài)進行識別，從而保證生產(chǎn)線高效運行的前提下實現(xiàn)白車身產(chǎn)品的可追溯性。

2 項目概況

一汽集團HE項目為面向工業(yè)4.0的智能化、數(shù)字化要求，新建紅旗工廠所使用的轎車生產(chǎn)工藝和選用的設(shè)備都是國際上非常先進的。為適應(yīng)高節(jié)拍、智能化、柔性化、可追溯的生產(chǎn)要求，選用Automator公司的FYBRAII型激光打標(biāo)機作為實現(xiàn)生產(chǎn)可追溯性的打碼設(shè)備。

3 硬件設(shè)備簡介

3.1 FYBRA激光打標(biāo)機的基本性能及介紹

選用的FYBRA激光打標(biāo)機使用100/240 V，50/60 Hz電源，整機功率300 W，支持USB、以太網(wǎng)、I/O、RS232等多種通訊方式，打標(biāo)頭外殼的防護等級為IP60。FYBRA激光打標(biāo)設(shè)備如圖1所示。

圖1 FYBRA激光打標(biāo)機設(shè)備

在確定使用該款打標(biāo)設(shè)備前，我們曾使用該打標(biāo)機進行了打樣實驗，打標(biāo)時間從8 s到25 s，并嘗試對打樣的二維碼進行讀取，讀取率100%。據(jù)此，從打標(biāo)效果和打標(biāo)時間進行考量，這2項數(shù)據(jù)都完全滿足生產(chǎn)實際的要求。其打標(biāo)效果如圖2所示。

圖2 激光打標(biāo)機打標(biāo)效果

3.2 激光打標(biāo)機的電氣原理

該激光打標(biāo)機的供電電源為220 V/50 Hz電源，該電源由控制電源柜提供。其供電圖如圖3所示。

激光打標(biāo)機的通訊協(xié)議為PROFINET網(wǎng)絡(luò)，通過西門子SCALANCE292-2PIRT交換機連入網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。

3.3 激光打標(biāo)機的硬件組態(tài)

激光打標(biāo)機通過PROFINET協(xié)議連入網(wǎng)絡(luò)，并分別組31個WORD的輸出字和31個WORD的輸入字，作為與現(xiàn)場激光打標(biāo)機的信息交互用。其組態(tài)如圖5所示。

圖4 激光打標(biāo)機網(wǎng)絡(luò)連接

圖5 硬件組態(tài)設(shè)置

4 激光打標(biāo)機的軟件設(shè)計

4.1 激光打標(biāo)機的配置方法

該激光打標(biāo)機的配置過程如下：首先準備好軟件Eugenius，并設(shè)置PC端與設(shè)備的調(diào)試端口，調(diào)試端口默認IP為192.168.0.15；其次打開軟件，連接控制器并將控制器的工作方式改為basic；然后在Fields Manager中建立Field并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，在設(shè)置完畢后，將文件另存為ide格式，再次打開并另存為ids格式，再將格式為ids的job文件傳輸?shù)娇刂破髦校蛔詈髮⒖刂破髂Ｊ礁某墒荢tandard Alone即可。其界面如圖6所示。

圖6 激光打標(biāo)機的配置界面

4.2 激光打標(biāo)機的控制過程

該激光打標(biāo)機的工作過程如圖7所示。

圖7 工作過程控制原理

依據(jù)圖7所示，該打標(biāo)機上電后首先進行區(qū)域模式的激活，看設(shè)備是否在線，如果未在線，則繼續(xù)進行區(qū)域模式的激活；然后接受外部的自動打刻命令，并判斷設(shè)備是否準備就緒，再判斷工作是否正確，如果設(shè)備未準備就緒或者工作不正確，則進行裝載工作過程，裝載工作完畢后重新判斷工作是否正確，直到工作正確再進行裝載緩存的環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)先裝載緩存1，裝載完畢后判斷緩存1是否正確，若不正確，則重新裝載，若正確則繼續(xù)裝載緩存2，裝載完畢后判斷緩存2是否正確。當(dāng)判斷緩存2裝載正確后，設(shè)備就會發(fā)送打刻命令，此時信號Online marking信號為1，打標(biāo)頭進行打刻。當(dāng)Mark信號消失后，打刻完成，設(shè)備進入等待新的打刻命令階段，準備新的打刻工作。

4.3 激光打標(biāo)設(shè)備的控制功能塊邏輯

控制該激光打標(biāo)機的功能塊邏輯如圖8所示。

圖8 控制功能塊邏輯示例

如圖8所示，該功能塊的控制邏輯可以分成8部分程序：基本操作、故障復(fù)位、基本狀態(tài)讀取、故障處理、計算數(shù)量生成分段、自動部分、手動部分和完成置復(fù)位。

基本操作是給打標(biāo)機的控制字，包括設(shè)置主機控制模式、離線、設(shè)置本地控制模式、運行和故障清除等控制功能。

故障復(fù)位主要是復(fù)位因故障的報警。

基本狀態(tài)讀取是讀取打標(biāo)機現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括主機控制模式、在線、準備好、讀錯誤、寫錯誤、打標(biāo)狀態(tài)等。

故障處理是顯示報警信息。

計算數(shù)量生成分段是將打標(biāo)的信息存入PLC內(nèi)存，當(dāng)信息位數(shù)大于40位，將該信息分成2個數(shù)據(jù)存入PLC內(nèi)存中。

自動部分是程序按照激光打標(biāo)機的工作原理以正常順序自動方式進行工作，包括裝載工作、檢測工作裝載故障、裝載緩存1、裝載緩存2、檢測裝載緩存超時故障，然后啟動打標(biāo)操作并等待打標(biāo)完成信號。

手動部分是程序按照激光打標(biāo)機的工作原理以正常順序手動方式進行工作，包括裝載工作、裝載緩存1、裝載緩存2，然后啟動打標(biāo)操作并強制完成，最后初始化參數(shù)。

完成置復(fù)位是在人機界面顯示工作完成狀態(tài)。

4.4 激光打標(biāo)機功能塊的引腳說明

圖9 為程序在功能中調(diào)用該激光打標(biāo)機專用的控制功能塊的程序示例。

圖9 激光打標(biāo)機控制功能塊引腳示例

如圖9所示，該控制功能塊的引腳共有10個。圖中，CE_IN為激光打標(biāo)機的狀態(tài)字輸入數(shù)據(jù)，OP_MODE為設(shè)備區(qū)域模式輸入數(shù)據(jù)，autoBegin為請求打標(biāo)輸入信號，autoEnd為機器人打標(biāo)seg完成輸入信號，conctrl_buffer_count為控制器中定義的buffer數(shù)量輸入信號，CE_out為激光打標(biāo)機控制字輸出信號，marking為打標(biāo)機打標(biāo)中，finish為打標(biāo)完成輸出信號，ALARM為打標(biāo)機報警輸出信號，BUFFER_STR為打標(biāo)內(nèi)容輸入輸出信號。

4.5 激光打標(biāo)機與生產(chǎn)線中其他設(shè)備的交互

激光打標(biāo)完成信號用于啟動機器人相應(yīng)程序的信號，如圖10所示。

圖10 激光打標(biāo)完成信號與機器人交互程序

激光打標(biāo)完成信號也用于在人機交互界面顯示，如圖11所示。

圖11 激光打標(biāo)完成信號與觸摸屏交互程序

另外，激光打標(biāo)機的打標(biāo)故障信號用于打標(biāo)設(shè)備故障報警中，如圖12所示。

圖12 激光打標(biāo)故障報警程序

4.6 激光打標(biāo)機的畫面

圖13 為激光打標(biāo)機的人機交互界面，其中包括打標(biāo)機的故障狀態(tài)顯示，操作按鈕和所需打標(biāo)信息的內(nèi)容顯示和報警信息等。

5 激光打標(biāo)機的現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 激光打標(biāo)機的打標(biāo)內(nèi)容

由激光打標(biāo)機所打刻二維碼的內(nèi)容，依據(jù)各整車廠標(biāo)準要求的不同而不同，但一般包括以下信息。生產(chǎn)車身廠家的信息包括城市代碼、工廠代碼；車身信息，包括流水號、VIN碼；生產(chǎn)信息包括計劃類型標(biāo)識、生產(chǎn)日期、班次、半破壞、位置；車型信息包括車型代碼、天窗類型、方向盤類型、總成類型等。在這些信息中，生產(chǎn)廠家的信息是為了適應(yīng)多分廠協(xié)同生產(chǎn)而設(shè)置的，車身信息是為了在生產(chǎn)過程中和使用過程中實現(xiàn)可追溯性設(shè)置的，生產(chǎn)信息是為了控制和追溯每輛車的生產(chǎn)工藝和實現(xiàn)工藝功能，而車型信息是為了確認每輛車的基本概況。本項目的車型代碼如表1所示。

5.2 激光打標(biāo)機的打碼位置

為實現(xiàn)數(shù)字化對生產(chǎn)過程的實時和有效的監(jiān)控，在設(shè)計之初就在每條生產(chǎn)線都設(shè)置了激光打碼設(shè)備，并針對每條生產(chǎn)線的特點，又設(shè)置了不同的二維碼形式。具體說來，每條生產(chǎn)線和車身的每個主要部件都設(shè)置了相應(yīng)的二維碼，其內(nèi)容如表2所示。

圖13 激光打標(biāo)機的人接交互界面

表1 二維碼內(nèi)容定義

5.3 激光打標(biāo)機的使用和維護情況

在生產(chǎn)設(shè)備全部調(diào)試完成后，相應(yīng)線體自動控制PLC接到MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)信息，并將該信息進行處理，將需要刻碼的信息進行打包，并將打包好的信息傳輸至激光打標(biāo)機的控制器，通過打標(biāo)機的激光頭進行打標(biāo)。在線體需要讀取信息的地方設(shè)置相應(yīng)設(shè)備，對二維碼包含的信息進行讀取，以實現(xiàn)線體運行的數(shù)字化監(jiān)控。

激光打標(biāo)機的日常維護內(nèi)容也并不復(fù)雜。包括對聚焦鏡頭進行周期性清理，在柵格和風(fēng)扇骯臟時需要對風(fēng)扇和柵格進行清理。此外還需要對激光打標(biāo)機系統(tǒng)進行非日常維護，必須由經(jīng)過相應(yīng)培訓(xùn)并已經(jīng)取得相應(yīng)資質(zhì)的工程師進行。

5.4 激光打標(biāo)機與針式打標(biāo)機的性能對比

總體說來，激光打標(biāo)機的性能要強于針式打標(biāo)機，首先從穩(wěn)定性來說，激光打標(biāo)機打標(biāo)采用的是激光熔蝕的方法，在打標(biāo)過程中不會產(chǎn)生車身工件的震動，而針式打標(biāo)不但會產(chǎn)生震動，當(dāng)震動強烈時還可能損壞打標(biāo)的針頭。其次從成本上考慮，激光打標(biāo)設(shè)備主要包括打標(biāo)控制器，激光頭和相應(yīng)輔件等，針式打標(biāo)設(shè)備同樣也包括打標(biāo)控制器，針式打標(biāo)頭和相應(yīng)輔件等。而控制器和輔件的價格相仿，價格差別主要集中在打標(biāo)頭上，作為更先進的打標(biāo)方式，激光打標(biāo)頭的價格要貴于針式打標(biāo)頭，但在使用過程中針式打標(biāo)頭的針屬于損耗件，針式的打標(biāo)頭成本要高于激光打標(biāo)頭。最后從效率角度看，激光打標(biāo)機的效率要明顯高于針式打標(biāo)機。據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場反饋，激光刻碼的時間在10 s左右，其打刻容量在48字節(jié)，針式刻碼時間同樣是10 s左右，但其打刻容量在17字節(jié)。綜上所述，激光打碼機的性能要明顯強于針式打碼機。

表2 生產(chǎn)線二維碼位置內(nèi)容對應(yīng)

6 結(jié)束語

通過對自動激光打標(biāo)技術(shù)在汽車焊裝生產(chǎn)線上應(yīng)用的研究，實現(xiàn)了1種使汽車白車身產(chǎn)品在焊接生產(chǎn)過程中具有低成本、可追溯的生產(chǎn)方案，它不僅滿足了白車身焊接生產(chǎn)過程的高穩(wěn)定、高可靠性和高節(jié)拍的生產(chǎn)要求，同時也滿足了生產(chǎn)線的高柔性化、高智能化的要求。