基于PLC的叉車車架焊接生產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

范 維，楊 洋，王迪陽，魏宗強(qiáng)，李 萌

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

中厚板結(jié)構(gòu)件焊接是裝備制造中的一道重要生產(chǎn)工序。國內(nèi)工程機(jī)械、鐵路機(jī)車、煤礦機(jī)械、航天軍工和能源動(dòng)力等行業(yè)已經(jīng)在該工序中大量使用焊接機(jī)器人，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。孤立于生產(chǎn)車間上下游工序的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，雖然能夠在單一焊接工序中具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是由于孤立的焊接機(jī)器人系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)件車間中往往存在物流不暢和人工干預(yù)過多等問題，因此對(duì)生產(chǎn)線乃至于整體車間的運(yùn)營效率的提升總是不盡如人意。我公司和某知名叉車制造企業(yè)合作，研制了小噸位叉車車架自動(dòng)焊接生產(chǎn)線，通過使用柔性制造系統(tǒng)將機(jī)器人系統(tǒng)和上下游工序有機(jī)而緊密地聯(lián)系在一起，較好地解決了叉車車架焊接小批量、多品種的生產(chǎn)難點(diǎn)，通過自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、柔性自動(dòng)工裝夾具、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人和自動(dòng)輸送輥道的集成實(shí)現(xiàn)了多品種車架的混線柔性自動(dòng)焊接。該生產(chǎn)線的自動(dòng)化和智能化水平達(dá)到同行業(yè)領(lǐng)先水平，成為業(yè)界標(biāo)桿項(xiàng)目。

1 叉車車架焊接生產(chǎn)線的組成

叉車車架是整個(gè)車輛的基體，叉車的所有配件都直接或間接地安裝在車架上。叉車車架支撐著各叉車配件的重量和貨物的重量，承受著各種力、力矩和載荷，如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、叉車車輪的支反力、側(cè)向力、制動(dòng)和慣性力、各種沖擊力等。叉車車架既要保證各配件有正確的相對(duì)位置，同時(shí)還是安放燃油箱、叉車液壓油箱的構(gòu)件。叉車車架的前端支承在驅(qū)動(dòng)橋上，用螺栓與驅(qū)動(dòng)橋剛性聯(lián)接，后端通過中間鉸軸承載在轉(zhuǎn)向橋上。叉車車架的結(jié)構(gòu)保證了叉車的軸距，為了保證叉車的穩(wěn)定，平衡貨物重量產(chǎn)生的傾復(fù)力矩，在車架的后端裝有平衡重（配重）。叉車車架前端安裝有前圍板，用來安裝叉車名牌、儀表盤、轉(zhuǎn)向管柱等件，并起到保護(hù)叉車駕駛員安全的作用。

因此，車架的制造是叉車生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。按照客戶要求，該生產(chǎn)線需完成5個(gè)系列3種噸位的車架共計(jì)17種型號(hào)的自動(dòng)化焊接。該焊接生產(chǎn)線的工藝流程為：車架組裝→貼車架物料信息碼→組裝完工件自組裝模具吊運(yùn)至輸送單元→人工在輸送線上打底及安裝焊接夾具用工裝→車架物料信息確認(rèn)（車架識(shí)別）→搬運(yùn)機(jī)器人從輸送線上料位取待焊車架→搬運(yùn)機(jī)器人至焊接機(jī)器人工作站進(jìn)行上下件工作→下件待料架滑板小車將焊接完工的車架移至下料輸送線→補(bǔ)焊工位操作人員從下料輸送線上取車架進(jìn)行補(bǔ)焊（吊取車架時(shí)拆卸安裝在車架上的工裝）→補(bǔ)焊完畢后人工調(diào)至車架二焊接區(qū)。整條生產(chǎn)線的布局圖如圖1所示，主要包括有：上線輸送系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)、七套機(jī)器人焊接工作站、下線輸送系統(tǒng)和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。

圖1 焊接生產(chǎn)線總布局圖

2 基于PLC的控制系統(tǒng)的組成

焊接生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)組成如圖2所示，由三級(jí)系統(tǒng)組成：基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)、過程控制級(jí)和生產(chǎn)管理級(jí)。該控制系統(tǒng)具有以下功能：機(jī)器人系統(tǒng)的控制；輸送系統(tǒng)的控制；與上位機(jī)的通訊；開關(guān)狀態(tài)和各種運(yùn)行報(bào)警等都在觸摸屏上顯示；提供開關(guān)檢測(cè)和各種運(yùn)行報(bào)警等功能等?？刂品绞接姓{(diào)試模式、手動(dòng)模式和全自動(dòng)模式等。

圖2 焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)組成

基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，直接控制現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備運(yùn)行并采集傳感器信號(hào)狀態(tài)。本項(xiàng)目選用西門子s7-1500系列PLC作為總站，選用ET200SP遠(yuǎn)程I/O作為從站，采用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行輸入輸出擴(kuò)展，總控系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)焊接生產(chǎn)線的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備信息交互與協(xié)調(diào)，從站負(fù)責(zé)信號(hào)采集。整個(gè)系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)以及調(diào)試模式多種運(yùn)行模式之間的切換功能，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)啟?？刂?、工件條碼信息讀取、與庫卡機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)交互協(xié)調(diào)、變位機(jī)夾具自動(dòng)夾緊松開工件、與上位機(jī)系統(tǒng)的通訊等功能。在整個(gè)控制過程中，PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面以及工控上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，進(jìn)而將整條焊接生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)、系統(tǒng)故障信息、機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)和各種報(bào)警信息等在觸摸屏和上位機(jī)上顯示和存儲(chǔ)，便于生產(chǎn)過程追溯。

過程控制級(jí)是系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)，選用研華工控機(jī)作為硬件，采用WINCC組態(tài)軟件與PLC系統(tǒng)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)、條碼管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，通過圖形化技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線狀態(tài)進(jìn)行顯示。此外，該系統(tǒng)還可以與廠級(jí)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。該生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)主要功能有：生產(chǎn)計(jì)劃導(dǎo)入功能、生產(chǎn)線狀態(tài)顯示功能、設(shè)備管理功能、焊接參數(shù)顯示功能、看板顯示功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)在生產(chǎn)線中處于核心控制地位，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制工件上下料輸送系統(tǒng)，協(xié)調(diào)焊接機(jī)器人與工裝夾具，協(xié)調(diào)搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)行調(diào)度，并通過人機(jī)界面和現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕以及指示燈進(jìn)行狀態(tài)顯示和信息輸入。通過模塊化的編程思想，PLC程序運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性大大提高，同時(shí)也極大地提高了項(xiàng)目調(diào)試進(jìn)度。

3.1 PLC的硬件設(shè)計(jì)

該焊接生產(chǎn)線集成了工件輸送系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)、下料輸送小車、機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)和焊接自動(dòng)工裝系統(tǒng)，輸入信號(hào)主要有按鈕開關(guān)、工件檢測(cè)傳感器、氣缸磁性開關(guān)等，輸出信號(hào)有電機(jī)啟動(dòng)停止、電磁閥、機(jī)器人啟動(dòng)停止、現(xiàn)場(chǎng)指示燈等。基于模塊化和可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)原則，該控制系統(tǒng)采用集中控制和分散控制相結(jié)合的方式，總控柜選用西門子S7-1500控制器作為控制核心，現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出信號(hào)就近匯入ET200SP遠(yuǎn)程控制站中，總控柜和遠(yuǎn)程控制站通過PROFINET協(xié)議進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定，實(shí)時(shí)可靠。輸送線電機(jī)由西門子G120變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，變頻器通過PROFINET協(xié)議與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。庫卡機(jī)器人也通過PROFINET協(xié)議與PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。此外，基于分區(qū)控制的原理，該系統(tǒng)將整條生產(chǎn)線劃分為三個(gè)功能區(qū)域，分別為上線輸送區(qū)、自動(dòng)焊接區(qū)、自動(dòng)下線輸送區(qū)，每個(gè)區(qū)域都設(shè)計(jì)有獨(dú)立的操作臺(tái)，可分別對(duì)該區(qū)域的三種操作模式（調(diào)試模式、手動(dòng)模式和自動(dòng)模式操作模式）進(jìn)行切換。在這三種模式中，有一定的優(yōu)先級(jí)順序：調(diào)試模式級(jí)別最高，然后是手動(dòng)模式，最后是自動(dòng)模式?，F(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖4 現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)

3.2 PLC的軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件設(shè)計(jì)基于模塊化設(shè)計(jì)理念，同一功能編寫為功能塊重復(fù)調(diào)用，如輸送電機(jī)的控制流程和焊接機(jī)器人的控制流程，調(diào)用時(shí)只需要改變對(duì)應(yīng)的輸入輸出地址即可，這樣既極大地提高了編程效率，也降低了程序出錯(cuò)率。

3.2.1 工件條碼識(shí)別程序設(shè)計(jì)

為了滿足多種型號(hào)車架同時(shí)上線進(jìn)行混線焊接的生產(chǎn)需求，該自動(dòng)焊接生產(chǎn)線使用紙質(zhì)條形碼粘貼在車架上作為每一臺(tái)車架的身份標(biāo)識(shí)，通過工件二次識(shí)別系統(tǒng)獲得該門架的身份標(biāo)識(shí)，通過該標(biāo)識(shí)在PLC控制系統(tǒng)中的存儲(chǔ)和傳遞，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人和焊接機(jī)器人調(diào)用不同執(zhí)行程序的功能。項(xiàng)目采用康耐視固定式條形碼閱讀器讀取條碼信息，當(dāng)工件通過輸送系統(tǒng)流轉(zhuǎn)到讀碼工位時(shí)，啟動(dòng)條碼閱讀器讀取條碼，讀取成功后將該條碼信息上傳到上位機(jī)中，上位機(jī)通過簡析條碼信息，檢索數(shù)據(jù)庫得到一個(gè)機(jī)器人程序代號(hào)，然后再傳給PLC控制系統(tǒng)，PLC接收到正確的機(jī)器人程序代號(hào)后通知搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行抓取，程序流程圖如圖5所示。

圖5 工件條碼識(shí)別流程圖

3.2.2 輸送線控制程序設(shè)計(jì)

該焊接生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)需滿足多種型號(hào)車架的輸送。輸送線采用鏈板式輸送系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)采用普通三相交流電機(jī)，滿足最大承載要求，輸送速度最大可達(dá)10m/min，正反向可調(diào)，速度變頻可調(diào)。輸送線采用模塊化設(shè)計(jì)，既可以獨(dú)立工作也可以聯(lián)合工作，控制采用分段控制。線體連接處采用無動(dòng)力滾筒過渡，保證工件輸送的平穩(wěn)性。輸送線輥道結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 輸送線輥道結(jié)構(gòu)示意圖

整條生產(chǎn)線共有15段獨(dú)立的輸送輥道，每節(jié)輥道上安裝有進(jìn)入、減速和停止三個(gè)傳感器，用于反饋輥道上當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。每節(jié)輥道都在線體邊上設(shè)置有手動(dòng)操作按鈕盒，用于在手動(dòng)或調(diào)試模式下手動(dòng)運(yùn)行輥道。輥道電機(jī)使用西門子變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，啟停平穩(wěn)，速度可調(diào)。采用模塊化編程思想，輥道控制編寫一個(gè)通用程序塊，不同輥道運(yùn)行程序調(diào)用這個(gè)通用程序塊。輥道運(yùn)行有手動(dòng)、自動(dòng)和調(diào)試三種模式，手動(dòng)模式和調(diào)試模式下通過按鈕來點(diǎn)動(dòng)控制輥道運(yùn)行，運(yùn)行中若碰到減速開關(guān)則減速，若碰到運(yùn)動(dòng)停止開關(guān)則運(yùn)行停止，需要重新按下按鈕。自動(dòng)模式下，輥道的啟停通過與前后輥道的狀態(tài)交互接口來進(jìn)行控制，當(dāng)前一節(jié)輥道請(qǐng)求搬出工件而本輥道為空時(shí)，輥道啟動(dòng)接收工件直到檢測(cè)到工件停止開關(guān)；當(dāng)本輥道有工件并且下一輥道為空時(shí)，則輥道啟動(dòng)將工件輸送到下一節(jié)輥道，當(dāng)接收到下一節(jié)輥道接收完成信號(hào)時(shí)本輥道停止運(yùn)行。該程序塊還有完善的故障監(jiān)測(cè)功能：硬件故障、傳感器信號(hào)消失故障、輥道運(yùn)行超時(shí)故障等。輥道運(yùn)行程序流程圖如圖7所示。

圖7 輥道運(yùn)行程序流程圖

3.2.3 搬運(yùn)機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)包括一臺(tái)負(fù)載為1 噸的庫卡KR1000titan六軸機(jī)器人、一套直線導(dǎo)軌行走機(jī)構(gòu)和一套工件抓取手抓。機(jī)器人行走伺服電機(jī)采用機(jī)器人外部軸控制方式，工件手抓采用氣缸加鏈條驅(qū)動(dòng)的夾報(bào)式結(jié)構(gòu)，氣缸控制由PLC系統(tǒng)來完成，PLC和機(jī)器人控制系統(tǒng)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信，通過信號(hào)映射的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。搬運(yùn)機(jī)器人上電后切換到外部自動(dòng)模式后等待PLC傳送相應(yīng)的程序號(hào)，機(jī)器人通過程序號(hào)選擇執(zhí)行對(duì)應(yīng)的子程序模塊，完成焊接站上件、輸送線取件和焊接站下件等工作任務(wù)。PLC程序要根據(jù)當(dāng)前上料抓取位、焊接工作站、下料小車的實(shí)時(shí)狀態(tài)、搬運(yùn)機(jī)器人當(dāng)前位置等信息，調(diào)用基于時(shí)間片輪詢的調(diào)度算法計(jì)算得到搬運(yùn)機(jī)器人的待執(zhí)行工作任務(wù)號(hào)，PLC控制系統(tǒng)將計(jì)算出的工作任務(wù)號(hào)發(fā)給機(jī)器人，機(jī)器人執(zhí)行完相應(yīng)任務(wù)后等待下一個(gè)任務(wù)。搬運(yùn)機(jī)器人工作流程如圖8所示。

圖8 搬運(yùn)機(jī)器人工作流程圖

3.2.4 焊接工作站控制程序設(shè)計(jì)

焊接工作站由一臺(tái)倒掛式庫卡KR1610焊接機(jī)器人、一臺(tái)多軸伺服變位機(jī)、一套具有旋轉(zhuǎn)和升降功能的機(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)、一臺(tái)福尼斯數(shù)字化焊機(jī)，以及水冷焊槍、清槍剪絲、水冷機(jī)、焊接槍纜等組成。焊接工作站現(xiàn)場(chǎng)圖如圖9所示。

圖9 焊接工作站現(xiàn)場(chǎng)圖

夾具系統(tǒng)由多個(gè)氣缸組成，由PLC進(jìn)行控制氣缸的打開和關(guān)閉，完成車架的定位和夾緊工作。夾具夾緊完成后PLC系統(tǒng)將搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)傳送過來的焊接程序號(hào)傳送給焊接機(jī)器人，焊接機(jī)器人和PLC直接通過Profinet協(xié)議進(jìn)行通信，兩者通過IO映射的方式完成信號(hào)交互，PLC發(fā)送程序號(hào)、啟動(dòng)停止等信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人發(fā)送機(jī)器人狀態(tài)、焊接完成信號(hào)、焊接故障、焊接電流、焊接電壓等信息給PLC。當(dāng)機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，在每個(gè)工作站的三色燈上進(jìn)行聲光顯示，方便提醒操作人員及時(shí)處理。焊接工作站的工作流程如圖10所示。

圖10 焊接工作站工作流程圖

3.2.5 系統(tǒng)報(bào)警程序設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的故障報(bào)警和處理顯示程序。根據(jù)故障類型分為警告和報(bào)警兩種，警告發(fā)生時(shí)不影響生產(chǎn)線運(yùn)行，但會(huì)有信息提示；報(bào)警發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)區(qū)域的設(shè)備停機(jī)，保證設(shè)備和人員安全?，F(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面上有故障信息提示，操作人員可根據(jù)信息提示進(jìn)行故障處理后復(fù)位故障，重新啟動(dòng)。圖11為焊接站的故障處理流程圖。

圖11 焊接站的故障處理流程圖

3.2.6 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了更好的方面現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行生產(chǎn)線的操作與控制，該項(xiàng)目選用西門子TP1200系列精致面板開發(fā)了人機(jī)操作界面。人機(jī)界面的功能有設(shè)備狀態(tài)顯示、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警信息顯示等。部分顯示畫面如圖12所示。

圖12 人機(jī)界面圖

4 結(jié)語

該項(xiàng)目基于西門子S7-1500系列PLC設(shè)計(jì)了叉車車架焊接生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。該生產(chǎn)線自投產(chǎn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已上線產(chǎn)品達(dá)17種，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，客戶非常滿意。部分現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖如圖13所示。該項(xiàng)目的成功實(shí)施不但大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了車架焊接時(shí)間，而且提高了車架的焊接質(zhì)量和全車間的生產(chǎn)效率，在業(yè)界具有很好的示范效應(yīng)。

圖13 叉車車架焊接生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖