基于西門子PLC的汽車車門焊接機器人控制系統(tǒng)研究

吳樂明

[摘 要] 隨著自動化和汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，車身焊接生產(chǎn)線也逐漸向全自動柔性化方向發(fā)展，焊接機器人作為自動化焊接生產(chǎn)線最主要的柔性設(shè)備，目前在汽車行業(yè)中已開始廣泛應(yīng)用。以基于西門子S7-200 PLC的車門焊接機器人控制系統(tǒng)為研究對象，分別就汽車車門焊接工藝與加工系統(tǒng)、焊接機器人自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計進行了綜合分析與研究，實現(xiàn)了系統(tǒng)順序控制焊接要求，提高了焊接工藝和效率。

[關(guān) 鍵 詞] PLC 汽車車門；焊接機器人；控制系統(tǒng)

[中圖分類號] TP242 [文獻標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）20-0086-02

汽車行業(yè)的制造模式由原來的大批量、單一模式向按用戶要求的柔性精益生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，而自動焊接技術(shù)在汽車車身焊接生產(chǎn)線上的應(yīng)用有著十分重要的意義。S7-200PLC功能強大、編程調(diào)試方便，能滿足高性能工業(yè)機器人位置和運動精度要求，在汽車車門自動焊接生產(chǎn)線上有著廣泛的應(yīng)用。

一、車門焊接工藝與加工系統(tǒng)組成

車身焊接是汽車制造生產(chǎn)線上的重要環(huán)節(jié)，而車門焊接是車身焊接中的關(guān)鍵一環(huán)，其工藝好壞直接影響到整車的質(zhì)量和性能。車門焊接生產(chǎn)線包含四個工位，兩臺焊接機器人，工位一、工位二、工位三、工位四代表不同的工序，焊接機器人按照工藝要求，順序控制完成工位一到工位四的工作，實現(xiàn)對車門不同部件的焊接。車門焊接工藝流程如圖1所示。

整個焊接控制系統(tǒng)由西門子PLC、機器人、氣壓回路、夾具系統(tǒng)、操作臺等構(gòu)成。S7-200 PLC的輸入部分主要為各工位按鈕操作指令和傳感器檢測信號，其輸出部分主要為氣缸、電磁閥以及各指示燈，其中PLC對焊接機器人的控制極為關(guān)鍵。而采用模塊化編程方法可以極大地提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

二、PLC硬件設(shè)計

在控制系統(tǒng)中，其中焊接工藝的夾具系統(tǒng)是由氣壓回路的氣缸實現(xiàn)的，每組氣缸分別由1個三位五通電磁閥來控制換向。工位一、二、三、四分別有4、5、6、7個氣缸，每個氣缸上裝有2個位置傳感器，共計有52路I/O輸入點，加上機器人的通信接口和夾具體識別信號，總共的I/O點不超過200個，PLC的硬件不需要采用遠程I/O模塊，因此選擇S7-200PLC CPU226以及2個擴展模塊（數(shù)字量I/O擴展模塊EM223和EM221），各模塊及配置如表1所示。

由于焊接過程產(chǎn)生一定的溫度，使氣壓回路的壓力對夾具系統(tǒng)的夾具功能受到影響，所以在硬件設(shè)計過程中需添加模擬量擴展模塊EM235。EM235模塊可控制焊接過程中的溫度和氣壓系統(tǒng)的壓力，當(dāng)氣壓回路壓力超出允許工作范圍時，PLC輸出信號會自動切斷生產(chǎn)線電源，保護焊接加工工藝生產(chǎn)線不被破壞。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，S7-200 PLC的I/O分配表如表2所示（為表達清楚，表中只列出部分I/O端子）。其中SB4按鈕為手動、自動切換按鈕，SB5為急停按鈕。

三、PLC軟件設(shè)計

PLC與機器人在通信前要定義好通信協(xié)議，PLC與焊接機器人通信數(shù)據(jù)見表3。為了避免動作指令受到外界干擾而被錯誤地執(zhí)行，使用BBC校驗碼來確保通信正確。指令發(fā)送方將要傳送的字符串的ASCII碼以字節(jié)為單位作異或和并發(fā)給接收方。接收方收到指令后，則以相同方式對收到的字符串作異或和，并與傳送方發(fā)送來的真值作對比，或兩者的值相等，則說明通信正確。

按下啟動按鈕，整個系統(tǒng)處于上電復(fù)位狀態(tài)，控制器對各輸入狀態(tài)信號進行掃描，并將掃描后的信息與程序存儲器中的各模塊參數(shù)對比，如果兩者參數(shù)相同，則開始執(zhí)行該模塊。

各模塊動作結(jié)束后，S7-200PLC開始與焊接機器人相互通信。首先PLC向焊接機器人發(fā)送通信命令，機器人接收后并將與其自身控制器存儲器中的相關(guān)指令比照，從而選擇相應(yīng)的模塊程序開始執(zhí)行，并進行焊接工藝或位置移動操作。焊接工藝參數(shù)的實現(xiàn)取決于焊機激光器的電源電流的大小和通斷時間，在焊接機器人控制器控制下，機器人可以按照程序設(shè)定的工作路徑進行操作。相應(yīng)焊接操作完成后，機器人向PLC傳送指令，PLC根據(jù)接收的指令完成下一步的流程，之后再發(fā)送指令至機器人，直至整個工作完成結(jié)束，PLC與機器人的程序具體流程圖如圖2所示（見文末）。

S7-200PLC系統(tǒng)采用模塊化編程的方式，將一個大的程序按功能分割成一些小模塊，相互對立，各自具有相應(yīng)的功能。這樣可以使程序設(shè)計更優(yōu)化，縮短了開發(fā)周期，易于維護和功能擴充，保證整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)、有序地完成車門的焊接工藝。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

操作系統(tǒng)的主要過程為：當(dāng)按下啟動按鈕后，在自動工作模式下，焊接機器人初始化，當(dāng)焊接工位一上有零件時，傳感器給PLC發(fā)送控制命令，PLC輸出信號給氣壓系統(tǒng)電磁閥，電磁閥得電動作，氣缸伸出，零件被夾緊，零件裝夾完畢保持2S后，PLC發(fā)送焊接信號命令，機器人接收到PLC所發(fā)信號后開始工作，工藝完成后，機器人向PLC發(fā)送松開夾具和轉(zhuǎn)換工位信號，PLC控制工作臺拖動零件向焊接工位二運動。以此類推，直至車門上的各個零件在4個焊接工位全部焊接完成。PLC軟件共包含下面幾個部分：（1）主程序是整個程序的核心程序，將PLC、氣壓回路電磁閥各參數(shù)進行初始化，同時對電源、焊接、故障、對指示燈進行處理和顯示，同時開始調(diào)用和處理相應(yīng)的子程序及中斷子程序。（2）子程序共20個子程序，主要完成手動各工位工作循環(huán)、4個工位夾緊機構(gòu)動作、PLC輸出指示燈、各工位間工件傳送、焊車機器人1與機器人2交替工作等多種功能，為閱讀、調(diào)試、修改提供方便。（3）中斷子程序包括接收信息完成、接收字符、發(fā)送完成等中斷服務(wù)程序。

五、結(jié)語

通過S7-200PLC與焊接機器人構(gòu)建的控制系統(tǒng)，能有效提高焊接工藝和生產(chǎn)效率。通過PLC與焊接機器人的之間通信，確保焊接機器人與各工位焊接工序可以協(xié)同工作，使整個車門生產(chǎn)線上的焊接工藝水平提高、效率增強、質(zhì)量可靠，為實現(xiàn)汽車小型化、輕量化及提高車身結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能的發(fā)展，提供了強力技術(shù)支持。

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