基于PLC的汽車副車架焊接系統的研制

藍偉銘 李楊

(柳州職業技術學院 機電工程系, 廣西 柳州 545005)

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基于PLC的汽車副車架焊接系統的研制

藍偉銘 李楊

(柳州職業技術學院 機電工程系, 廣西 柳州 545005)

針對當前汽車副車架的焊接由手工或半手工焊接而導致的焊接質量不穩定，設計了某款汽車副車架自動焊接控制系統，并論述了硬件選型，PLC控制程序設計的思路、步驟以及各功能模塊的具體實現方法。同時還使用了PLC與觸摸屏一體的HMC設計了監控界面,該界面可以將PLC數據與監控界面進行對接，有效地簡化系統程序及實時修改參數從而提高生產效率，實現了對汽車副車架的自動焊接，經過工程實踐該系統完全達到功能要求。

汽車副車架；點焊；伺服；PLC；觸摸屏

0 引言

近年來，我國汽車產業得到了蓬勃發展，汽車的產銷量連年上升，尤其是某微型車的市場占有率穩居世界前列，隨著國家引進的技術和國內研發的自動化產品逐漸成熟后，對于汽車零部件產業的發展有很強的促進作用。在對柳州汽車零配套部件企業當前的自動化設備及工藝的研究基礎上，針對目前某款車型副車架在進行焊接加工中使用傳統的手工焊接方式造成的焊點質量問題，以及焊接效率低的現實情況，采用可編程序控制器作為控制核心，研發一套適用于副車架的自動點焊機器人系統來代替人工焊接。

汽車副車架是汽車的重要組成部件，它對于汽車的安全行駛來說至關重要。副車架是組成前后車橋骨架的一部分。其主要作用是支撐前后車橋及懸掛支架，通常稱之為“副車架”。副車架的另一個作用是減少車輛的噪聲與振動，同時還可以提高懸掛系統的剛度。

1 人工焊接的弊端

由于人工焊接存在著很多主觀的因素，比如員工的素質，員工容易受到自身和外來的影響，導致焊接的工藝存在差異。眾所周知，焊接會有一定的危險性和焊接時會產生有毒的氣體，導致如今較少人愿意從事焊接工這份工作。企業流失的焊接工不在少數，經常會出現焊接工緊缺的情況。在板件焊接過程中，焊接件行程不長，一般在800-1 000 mm范圍內，焊接工在焊接一定時間后，由于體力消耗過大，不能保證每個生產節拍都能一致，企業監控相對較難。所以，焊接速度需要在生產節拍的要求下進行綜合設計才能使得產品的質量和生產效率都能得到保證。此外，焊接件工裝以往在設計初就作為類似組合機床來進行設計，工裝位置固定，對焊接件的要求單一，沒有靈活的柔性生產，這也限制了單臺設備的效率。

2 自動焊接系統的理論設計思路

整體副車架是由1序和2序兩道工序按照順序完成，本工序為整個副車架自動焊接系統的第一道工序，副車架1序工藝由三個拼焊件組焊而成，此工序的工藝將會影響整體副車架的后期制作質量。副車架自動焊接系統組成如圖1所示。

圖1 副車架系統數模圖

當前的工藝采用純人工焊接方式，每件焊接件需要兩個工人進行焊接，平均工時為75 s。本系統設計采用當前較為流行的伺服技術來實現代替人工的焊點定位，采用滾珠絲桿滑臺結構進行XY軸定位，快速性和準確性大為提高，尤其是在保證焊接節拍上可以達到廠方要求焊接總體功能要求，焊接總體功能要求如下：

(1)完成焊接件的前8個焊點、后8個焊點、左弧面3個焊點、右弧面3個焊點的點焊；

(2)整個工裝平臺夾具可以自動完成夾緊和松開功能，能夠水平位移，可將工裝平臺自動移至焊接工位，自動退回操作工位；

(3)焊接控制要求達到不小于16 000 A的電阻焊峰值電流，保證焊點焊接牢固可靠；

(4)焊接系統采用現場觸摸屏組態監控方式進行操作控制；

(5)焊點可以在觸摸屏上修改，可以增加焊點數量及坐標位置；

(6)具有各種報警提醒等功能；

(7)生產節拍在60 s/件以內(不包括人工放料、取料時間)。

為了保證節拍工藝，在進行焊接的位置移動中，選擇高速伺服電機，速度為3 000 r/min，驅動一個焊點的移動時間約為1.5 s，前焊點與后焊點可同時位移焊接，擬完成時間為12 s；由于左右弧面需要變位軸進行旋轉，所需時間各為3 s；左弧面3個焊點位移時間約為4.5 s、右弧面3個焊點的位移時間為4.5 s；每個焊點焊接時所需時間為1 s，所有焊點焊接約為22 s，輸送平臺至焊接位置時間約2 s。預期設計總時間在51 s左右。符合預期生產節拍60 s/件以內的工藝要求。

3 點焊控制系統硬件總體設計

3.1 系統控制方案的確定

自動點焊控制系統的硬件設計根據工藝要求，綜合考慮性價比選擇系統硬件，主要對幾大主要模塊進行選型：PLC及觸摸屏監控系統、伺服驅動系統、遠程I/O模塊、工裝夾具、氣動組件、點焊系統。在選型方面參考了中達電通公司的運動控制方案[1]。

3.2 控制器件硬件選型

由于PLC與外部單元連接非常方便，如與各類開關、傳感器、執行對象、數字顯示單元、運動控制部分等的連接，以及PLC的綜合性能優良，抗干擾能力強，由用戶程序本身引起的故障極少發生，所以本文設計的汽車副車架自動點焊控制電氣系統采用PLC與伺服系統、觸摸屏、外部單元等相組合的系統結構形式。PLC及觸摸屏監控系統選擇中達電通公司的HMC08-N500S52型觸摸屏，該觸摸屏自帶PLC控制器。采用臺達高速運動總線DMCNET，DMCNET是一種實時系統(Real Time System)并具有通訊備援(Redundancy)的功能、軸卡更新12軸的命令只需1 ms等優點[2]。系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖

3.3 系統焊機部分設計

為了能夠進行精確的焊接，更好的控制焊接的工藝質量，選擇了小原(南京)機電有限公司的成套點焊機設備。根據點焊工藝及喉寬喉深的要求，選擇了OBARA PE1-C0531型號的電焊槍，且由廠家專門定制[3]。本系統選擇的點焊變壓器型號參數為：RT7521-385。電阻焊機控制箱根據系統點焊控制要求，選擇了小原OBARAST21C-L2-MWT1A型電阻焊機控制箱對焊接過程的電流大小等焊接工藝進行控制。

3.4 伺服系統的選型

根據本系統傳動控制的需要，最終選擇中達電通公司的ASDA-A2-E型高性能通訊型伺服驅動器。中達電通ECMA-C20807RS絕對型交流伺服電機。

3.5 工裝夾具氣缸的選型

圖3 副車架工裝夾具安裝結構圖

本系統采用的氣缸有AIRTAC(亞德客)MCKA50X50HSY，MCKA50X75HSY，ACQ50X15SB超薄氣缸等[4]。工裝夾具完成機械部分安裝后，即可安裝用于頂料作用的頂料氣缸，用于夾緊工件的夾緊氣缸，以及用于第六軸的回轉氣缸，并在各個氣缸的前后兩端安裝磁性開關用于檢測氣缸伸出及縮回到位情況并將檢測信號發回PLC。圖3為副車架工裝夾具氣動安裝結構圖。

3.6 PLC開關量輸入/輸出信號及端口分配

由于本文研制的控制系統采用觸摸屏作為系統監控界面，同時觸摸屏與PLC是集成一體的，節省了它們之間的連接通信線。在對控制臺的設計過程中只做了少量的按鈕、開關、指示燈等器件，例如在控制臺上只安裝了如手動/自動方式選擇開關、模擬/焊接選擇、報警急停指示燈等，而其他大部分需要進行顯示和控制的元器件均通過觸摸屏進行設計完成，大大節省了PLC的數字量點數。表1 為系統各開關量I/O模塊輸入輸出信號分配表。

表1 系統各開關量I/O模塊輸入輸出信號分配表

3.7 控制系統程序設計

在開始進行自動點焊系統的應用程序編寫之前，要根據副車架點焊工藝過程梳理控制流程，明確需要完成的功能結構，并根據流程來繪制系統的程序框圖，包括與主程序相關的各個子程序的框圖，以便于整理整體的程序設計思路。圖4及圖5為焊接系統程序設計框圖。

圖4 焊接系統程序設計框圖1

圖5 焊接系統程序設計框圖2

程序編程采用臺達的編程軟件DOPSoft(1.01.08)。對于各個伺服軸進行選擇控制，可以根據臺達伺服軸的手冊查出各個伺服軸與PLC對應的通信地址，從而進行命令和數據的發送和接收。由于采用DMCnet網絡進行通信，通過表2伺服通訊地址對應可以查到，如第1軸命令代碼為W512，第2軸命令代碼為W768，以此類推。在需要發送對應功能命令時可以直接發送到對應地址即可。表2為伺服通訊地址對應表[5]。

表2 伺服通訊地址表

在圖6中主軸回原點按鈕M225按下后可以將1送至W512，即激活第1伺服軸進行直線同動命令。W518為速度設定地址，主軸回原點速度與倍率值相乘后將速度值(32位)寫入該地址，伺服系統會按照該地址進行速度的進給。圖6為舉例回原點程序。

圖6 回原點程序

3.8 主界面設計

3.8.1 觸摸屏設計

觸摸屏由于最終交付對象是現場一線的操作工人，且同時要完成放料和取料工作，所以設計時要考慮觸摸屏界面功能清晰明了、方便用戶操作等。觸摸屏主界面提供了進入各個分界面的入口，可以監控焊點完成情況，方便工人進行操作，設計的主界面和登錄界面如圖7和圖8所示。

圖7 系統主界面

圖8 點焊專機系統用戶登錄界面

3.8.2 示教界面設計

按觸摸屏設計功能和使用要求，在示教主界面上，設計了1-6軸各軸當前位置顯示、各步序點焊點位置值、氣缸動作狀態等相關參數的設置界面，這些數據與PLC鏈接，示教時將每一步當前的狀態寫入行列式步序中，記錄每一步需要動作的狀態，在PLC程序中按照焊接工藝進行調用完成控制。圖9為行列式示教界面，圖10為副車架焊點實時監控界面[6]。

圖9 行列式示教界面

圖10 副車架焊點實時監控界面

4 系統調試及驗證分析

圖11 自動點焊設備現場圖

系統工程安裝現場為柳州某車體實業有限公司副車架生產車間，如圖11所示。

為了保證節拍工藝，在進行焊接的位置移動中，通過機械和電氣伺服的不斷調整速度配合，驅動一個焊點的移動時間為1.5 s，前焊點與后焊點可同時位移焊接，擬完成時間為12 s；由于左右弧面需要變位軸進行旋轉，為了能夠留有旋轉緩沖時間，所需時間各為4 s；左弧面3個焊點位移時間為4.5 s、右弧面3個焊點的位移時間為4.5 s；通過調整焊接控制器，保證了每個焊點焊接時所需時間為1 s，所有焊點焊接約為22 s，輸送平臺至焊接位置時間約2 s。總時間控制在58 s左右。符合預期生產節拍60 s/件以內的設計要求。

整機調試從工裝夾具的控制，工裝平臺的移送，焊鉗位置定位，焊點焊接質量等方面進行了綜合調試，現已交付工段進行試生產。該系統完全符合設計要求，滿足工段焊接要求，使用該自動點焊系統后，企業可從表3了解獲益情況。

表3 改造前后工位情況對比表

(1)副車架1區A序焊接工位在沒有改造之前需要2個操作工面對面分別對一個副車架進行焊接操作，工作過程中除了進行焊接工作，同時還需要裝取工件，工作強度很大，通過改造后如今只需要1人單獨完成1個工位的工裝夾取工作，而不需要進行焊接工作，焊接過程全部由點焊系統自動完成。

(2)改造前，兩個操作工焊接還會出現有一個操作工焊接完成后、要等另一個操作工也焊接完成才能將工件取出，多出了不可預見的等待時間。

(3)改造前的生產節拍為70 s，現在節拍為58 s，比原先節拍提升了12 s。

(4)改造前，由于人工操作有一定的主觀因素，造成人工焊接會有漏焊現象，改造后補焊次數由原來的1/5件縮減為0件，基本消除漏焊現象。

(5)改造之前的人工焊接廢品率由原來的1/10件，縮減為現在的0件。

(6)每年因為招工問題影響生產的現象有了明顯的緩解，采用自動點焊系統后，不需要焊接工人，只需要裝取工件的操作工即可，招工對象易于從前。

5 結束語

本系統具備性價比高、性能可靠、生產效率較人工焊接要高的特點。點焊專機帶來的高穩定性，保證產品質量可靠，可以替代人工從繁重的體力勞動中解放出來，工件焊接質量的提高，生產節拍的穩定，也是這套系統設計的主要目的，通過此套設備的投入運行，解決了企業的實際困難。

(1)從產品質量來說：由于專機是由控制器進行控制，在機械部分保證可靠維護的前提下，軟件程序基本不會出現問題，這樣大大提高了設備的穩定性及可靠性，尤其是質量可以控制到每一個產品都能幾乎完全一樣，避免了人工因素的影響。

(2)從高勞動生產率方面來說：機器人可以根據要求修改參數提高生產節拍效率，而且沒有疲勞的情況，可以實現三班倒的工作。隨著高速焊接設備的研發，焊接效率會更加顯著。

(3)從改善工人的勞動條件角度來說，采用了專機焊接，使得工人不需要進行繁重的手工焊接方式，舉著笨重的點焊焊鉗進行工作，且手工焊接過程中的弧光、飛濺及煙霧等都會對人身造成一定的傷害。

(4)從生產管理的角度來說，由于專機系統穩定可靠，生產節拍固定，所以產品周期明確，容易控制產品產量，企業可以有計劃的進行產量控制。

(5)從工藝研發的角度來看，專機的方式可縮短產品改型換代的周期，減少相應的設備投資；本專機還可以同時為兩款車型進行切換生產，只需要控制定位銷的位置即可完成。

(6)從性價比方面看，隨著伺服系統及機器人性能的不斷提高，技術區域成熟大眾化，價格也不斷下降，為企業更多的使用這些技術進行設備改造提供了更多的機會。

[1]徐宏海,陶廣軍,張財政. 臺達PLC與觸摸屏在分子篩灌裝機控制系統中的應用[J]. 制造業自動化,2010(7):142-144.

[2]臺達電子工業股份有限公司.臺達工業網絡解決方案[Z].2012.

[3]OBARA株式會社.固定式焊鉗(EQ GUN)培訓資料[Z].2013.

[4]亞德客股份有限公司.亞德客產品型錄(中文)[Z].2015.

[5]臺達電子工業股份有限公司.臺達人機控制器HMC系列使用手冊[Z].2014：26-27.

[6]臺達電子工業股份有限公司.DOP-B_M_SC系列人機界面使用手冊(宏)[Z].2009:165-166.

[責任編輯 劉景平]

Development of Welding System for Automobile Accessory Frame Based on PLC

LAN Weiming， LI Yang

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Liuzhou Vocational and Technical College， Liuzhou, Guangxi 545005, China)

Aiming at the unstable quality of the current welding for automotive sub frames by manual or semi manual welding, an automatic sub frame welding system control is adopted. It includes hardware selection, PLC control program design ideas, steps, and each function module realization method. It also uses the HMC with PLC and touch screen in one to design the monitoring interface which can dock the PLC data and monitoring interface, effectively simplify the system program and modify parameters in real time so as to improve the efficiency, enrich the visual function of the system, and realize the automatic welding for automobile sub frames. Engineering practice proves that the system fully meet the functional requirements.

automobile auxiliary frame; spot welding; servo; PLC; touch screen

TP273

A

1672-9021(2016)05-0082-09

藍偉銘(1982-)，男(壯族)，廣西忻城人，柳州職業技術學院機電工程系工程師，主要研究方向：工業電氣自動化、機電一體化技術。

廣西教育廳高校中青年教師基礎能力提升項目(KY2016YB635)。

2016-06-07