基于PLC的新能源汽車線束端子生產(chǎn)平臺(tái)控制系統(tǒng)研究

季仲致，王文洪，吳文峰，方國平

（廣州中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所分所，廣州 511458）

0 引言

自2010年將新能源汽車產(chǎn)業(yè)納入戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)起，我國新能源汽車的發(fā)展，特別是純電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV），成為國家重點(diǎn)發(fā)展和扶持的對(duì)象，這也標(biāo)志著我國對(duì)新能源汽車的研發(fā)、生產(chǎn)、制造和消費(fèi)水平進(jìn)入了快車道。2018年我國的新能源汽車產(chǎn)量近100萬輛，同比增長了59%。而2018年新能源乘用車銷售總計(jì)56萬輛，其中純電動(dòng)乘用車銷售總計(jì)45萬輛，插電混合動(dòng)力汽車銷售累計(jì)11萬輛，同比增長279.39%。另外，市政、環(huán)衛(wèi)和公交車等其他作業(yè)車輛中，新能源汽車的占比也在逐步上升。

汽車線束是新能源汽車的重要組成部分，其質(zhì)量直接影響汽車的穩(wěn)定性與安全性，而端子的壓接則是線束生產(chǎn)的最關(guān)鍵工藝之一，如果不能在生產(chǎn)中有效保障線束端子的質(zhì)量，則整根線束的質(zhì)量也難以得到有效保證。就目前汽車線束端子壓接這一生產(chǎn)情況來看，國內(nèi)多為人工進(jìn)行手動(dòng)或半自動(dòng)生產(chǎn)，不僅生產(chǎn)精度和生產(chǎn)效率低、廢品率高，而且批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證。針對(duì)這一問題，本文就新能源汽車線束端子生產(chǎn)平臺(tái)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了討論與設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 新能源汽車線束端子生產(chǎn)工藝流程概述

汽車線束連接端子由簧片和銅套兩個(gè)部分組成，生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。在生產(chǎn)過程中，需將簧片擠壓變形，并將簧片塞入銅套中完成組裝。簧片的形變量是保證端子質(zhì)量的重要指標(biāo)：形變量太小則難以保證拉脫力強(qiáng)度；形變量太大則在使用過程中易出現(xiàn)簧片斷裂的情況。同時(shí)，在簧片擠壓變形的過程中，其會(huì)出現(xiàn)一定程度的潰縮以及由于反向的彈性應(yīng)力而導(dǎo)致其出現(xiàn)“錯(cuò)牙”現(xiàn)象，而手動(dòng)或半自動(dòng)生產(chǎn)通產(chǎn)難以精準(zhǔn)控制潰縮長度，從而導(dǎo)致擠壓變形后的簧片比銅套長或短，這樣會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的焊接和電鍍等工藝。另外，端子生產(chǎn)最終的檢測標(biāo)準(zhǔn)即為拉脫力檢測，以12mm端子內(nèi)徑為例，以250mm±50mm/min標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉脫力測試，拉力范圍應(yīng)在25N～33N之間；脫力范圍應(yīng)在22N～30N之間。

圖1 新能源汽車線束端子生產(chǎn)工藝流程

1.2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。系統(tǒng)主要由簧片上料振動(dòng)盤、銅套上料振動(dòng)盤、簧片上料模塊、簧片拍齊1#模塊、扭簧模塊、轉(zhuǎn)盤模塊、簧片拍齊2#模塊、銅套上料和組裝模塊、檢測和下料模塊等9部分組成。其中，振動(dòng)盤模塊負(fù)責(zé)簧片與銅套上料；簧片上料模塊負(fù)責(zé)將簧片壓入轉(zhuǎn)盤中；拍齊模塊負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)盤中的簧片拍至左右對(duì)齊；扭簧模塊負(fù)責(zé)對(duì)簧片進(jìn)行擠壓形變；轉(zhuǎn)盤模塊負(fù)責(zé)將簧片送至下一工位；銅套上料和組裝模塊負(fù)責(zé)將銅套送入V型槽并將形變后的簧片壓入銅套；檢測和下料模塊負(fù)責(zé)檢測組裝完成端子的拉脫力并將不合格產(chǎn)品剔除出來。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)主要由主控PLC模塊、簧片上料模塊、兩個(gè)簧片拍齊模塊、扭簧模塊、銅套上料與組裝模塊、拉脫力檢測模塊、轉(zhuǎn)盤模塊、HMI觸摸屏模塊和工業(yè)計(jì)算機(jī)等十部分組成。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選擇西門子S7-1200系列PLC及其擴(kuò)展模塊作為系統(tǒng)的主控模塊，CPU型號(hào)為1217C-DC/DC/DC。該款CPU最多可擴(kuò)展8個(gè)信號(hào)模塊、1個(gè)信號(hào)板及3個(gè)通訊模塊，最多可組態(tài)4個(gè)脈沖發(fā)生器即可同時(shí)控制4臺(tái)伺服電機(jī)，另外該款PLC還包括兩個(gè)以太網(wǎng)口并支持ProFiNet通訊協(xié)議。

系統(tǒng)的6個(gè)生產(chǎn)工位共計(jì)包括21個(gè)氣缸，PLC使用DO信號(hào)來控制氣缸的打開或關(guān)閉，并通過DI信號(hào)來讀取氣缸的當(dāng)前狀態(tài)；系統(tǒng)共計(jì)使用了4臺(tái)伺服電機(jī)，包括轉(zhuǎn)盤伺服電機(jī)、扭簧伺服電機(jī)、扭簧進(jìn)給伺服電機(jī)和拉脫力檢測伺服電機(jī)，PLC通過發(fā)送高速A/B相脈沖來控制伺服電機(jī)的位置；PLC通過ModBus總線來完成讀取端子平均與峰值拉脫力和清除檢測儀當(dāng)前數(shù)據(jù)的功能；PLC通過ProFiNet總線與HMI觸摸屏和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)完成上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互；另外，PLC通過DI/DO的輸入和輸出來完成讀取傳感器信號(hào)、讀取按鈕輸入和控制指示燈等其他功能。

3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

PLC控制器的程序主要流程圖如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成、對(duì)應(yīng)工位有物料且無其他錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)開始啟動(dòng)。為了有效保證生產(chǎn)節(jié)拍，簧片上料、上料拍齊、扭簧、下料拍齊和組裝工位等5個(gè)生產(chǎn)工位同步運(yùn)行，在5個(gè)工位全部完成工作并且沒有出錯(cuò)的情況下，拉脫力檢測工位對(duì)已組裝完成的簧片進(jìn)行檢測，如果測試結(jié)果合格，則簧片正常下料；若測試結(jié)果不合格，則將銅套踢入到不合格產(chǎn)品中，待人工檢測后再做處置。當(dāng)拉脫力檢測完成后，料盤轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工位，將上一工位已加工完成的物料送入下一加工工位中，來保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。

圖4 PLC控制器程序主流程圖

扭簧工位是端子生產(chǎn)中最重要的工位之一，簧片扭轉(zhuǎn)質(zhì)量的好壞直接影響端子的質(zhì)量。針對(duì)簧片在扭轉(zhuǎn)形變過程由于反向的彈性應(yīng)力而導(dǎo)致其出現(xiàn)“錯(cuò)牙”現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一套有效算法，即根據(jù)扭簧電機(jī)運(yùn)行速度、扭簧角度及扭簧電機(jī)運(yùn)行結(jié)束保持時(shí)間等參數(shù)的不同，在扭簧運(yùn)行的過程中，絲桿電機(jī)向前進(jìn)給0.1mm～0.3mm，并保證在扭簧過程結(jié)束時(shí)，絲桿電機(jī)進(jìn)給到位。這樣可以用進(jìn)給的推力來平衡簧片牛莊過程中的反向彈性應(yīng)力，最大程度解決“錯(cuò)牙”現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證生產(chǎn)精度。

另外，在自動(dòng)化生產(chǎn)中，一個(gè)不可避免的問題即是生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各類錯(cuò)誤，如人為導(dǎo)致錯(cuò)誤、機(jī)械卡頓、電機(jī)運(yùn)行錯(cuò)誤、氣缸運(yùn)行不到位錯(cuò)誤、程序BUG等，當(dāng)出現(xiàn)了這類非設(shè)計(jì)狀況時(shí)，設(shè)備必須馬上停機(jī)以避免人員受傷和機(jī)械結(jié)構(gòu)損毀的情況。就該系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)了一套完整的錯(cuò)誤（非正常運(yùn)行狀態(tài)）判斷程序，當(dāng)PLC發(fā)現(xiàn)這類情況時(shí)，立刻進(jìn)行停機(jī)報(bào)警處理，并將錯(cuò)誤信息寫入到數(shù)據(jù)庫中以備將來查詢。

3.2 拉脫力檢測工位自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

拉脫力檢測工位是保證端子產(chǎn)品質(zhì)量的重要工位，該工位的程序流程圖如圖5所示。測試儀通過基于RS485接口的ModBus協(xié)議與PLC進(jìn)行通信，PLC通過讀取拉脫力峰值、拉脫力平均值等數(shù)據(jù)來判斷產(chǎn)品是否滿足要求，這些參數(shù)的基準(zhǔn)數(shù)值開放設(shè)置權(quán)限，用戶可以根據(jù)不同的產(chǎn)品要求來設(shè)置拉脫力峰值和拉脫力平均值的最大最小基準(zhǔn)數(shù)據(jù)?？紤]到檢測工位的重要性，設(shè)計(jì)了一套“心跳程序”來判斷檢測儀與PLC之間通訊是否正常，若出現(xiàn)通訊異常的情況，系統(tǒng)需立刻停機(jī)，以避免不合格產(chǎn)品混入合格產(chǎn)品的現(xiàn)象出現(xiàn)。另外，拉脫力測試儀是剛性固定在伺服電機(jī)前端的絲桿結(jié)構(gòu)上，所以伺服電機(jī)的前進(jìn)后退速度即是插拔力的檢測速度。通常檢測標(biāo)準(zhǔn)是250mm±50mm/min，即3.33mm/s～5mm/s進(jìn)行檢測，若檢測速度太快或太慢都可能導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。

圖5 拉脫力測試程序流程圖

3.3 觸摸屏模塊設(shè)計(jì)

為了使端子生產(chǎn)平臺(tái)有更好的人機(jī)界面，設(shè)計(jì)了HMI觸摸屏模塊，用戶可以通過觸摸屏對(duì)設(shè)備完成控制并查詢當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行與生產(chǎn)狀態(tài)等信息。HMI系統(tǒng)的主界面與狀態(tài)顯示界面如圖6所示。在主界面中，用戶可以查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行主要狀態(tài)、在制信息、當(dāng)前拉脫力值以及伺服電機(jī)運(yùn)行的主要參數(shù)等信息，并可以根據(jù)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中在制狀態(tài)中的信息由上位機(jī)給出，主要包括了當(dāng)前的訂單號(hào)、批次號(hào)、物料號(hào)開始結(jié)束時(shí)間以及生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)等信息。若端子生產(chǎn)平臺(tái)選擇“遠(yuǎn)程控制”模式，則上位機(jī)就可以根據(jù)訂單信息與批次信息對(duì)端子生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而現(xiàn)場操作人員只需確保料號(hào)匹配并且物料足夠生產(chǎn)即可。在狀態(tài)顯示界面中，用戶可以查詢到與設(shè)備相關(guān)的全部運(yùn)行狀態(tài)，如基本運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行完成狀態(tài)和運(yùn)行出錯(cuò)狀態(tài)等信息，有助于現(xiàn)場操作人員判斷設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 HMI觸摸屏模塊設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

經(jīng)過大量的調(diào)試與試驗(yàn)，端子生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)的簧片“錯(cuò)牙”高度可以被控制在0.02mm以內(nèi)，而由傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的簧片“錯(cuò)牙”高度通常在0.1mm～0.3mm之間，在圖7的圖7(a)和圖7(b)對(duì)比中這種生產(chǎn)誤差明顯可見。圖7(c)和圖7(d)對(duì)比可見，由端子生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)的端子成品截面平整，更有利于后續(xù)的焊接和電鍍等工藝，而由工廠原有的半自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)人工組裝的端子來看，其左右兩端都有明顯的錯(cuò)牙出現(xiàn)，在后續(xù)的使用過程中更容易出現(xiàn)虛焊或簧片脫落的現(xiàn)象。

圖7 端子生產(chǎn)平臺(tái)產(chǎn)品與原有設(shè)備產(chǎn)品生產(chǎn)情況對(duì)比

目前，該新能源汽車線束端子生產(chǎn)平臺(tái)已在廣州某企業(yè)投入運(yùn)行，就投產(chǎn)后的生產(chǎn)情況來看，相比于原有的半自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)來說，該系統(tǒng)具有生產(chǎn)精度高、生產(chǎn)速率快、廢品率低而且自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢，完全可以滿足汽車線束端子生產(chǎn)的要求。