汽車焊接件防漏焊MES監控系統設計及應用

李楊

【摘 要】本文針對當前企業對人工點焊工作模式的質量監控需求越來越高的情況，設計一套面向中小企業典型點焊接流水線的焊接一體化MES監控系統，采用PLC檢測焊接工位焊鉗電流，并實時監控焊接點數等信息，結合鎖槍及暗燈系統，實現對整個車間若干條流水線的分布式數據采集，分層級監控，實現從現場、工段、車間級的多方位監控，并采用云端APP客戶端進行實時質量監控。

【關鍵詞】汽車 焊接件 防漏焊 MES監控系統 點焊 PLC MES

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）03C-0187-06

近年來，隨著汽車產業的產量逐年擴大，人們對于汽車質量及安全提出了更高的要求，汽車零部件的拼焊件逐漸采用工業機器人進行自動化焊接，但是一些中小型企業一時難以過渡到全自動化程度，很多生產線依然需要人工進行流水線焊接作業，不可避免出現焊接質量難以監控的問題，迫切需要一種簡單高效的監控方式實現對當前人工焊接的實時監控，盡量避免廢品的出現。

一、人工點焊對焊接件質量的影響

人工點焊對焊接件質量的影響表現在：一是人工焊接會受到體力，精神及很多方面的影響導致焊接過程不穩定，比如焊接電流不足或保壓時間不夠，造成焊接不牢固的情況。二是點焊電極頭要定期進行修磨，但是工人往往根據經驗進行修磨，帶來質量隱患。三是企業在后期抽檢才能發現焊接不牢固，或者有漏焊的情況。四是流水線有排產的不同需要，同工位會因為排產焊接不同拼焊件，工人也許會出現有漏焊的情況，直接影響下一工序的焊接，存在質量遺留問題。

二、自動焊接系統的具體功能

為了應對人工點焊出現的質量問題，設計了一套基于PLC的焊接線監控系統，基本功能如下：一是系統能夠實現對人工焊接時每一個焊點的電流值進行統計，判斷電流是否符合標準電流值。二是自動統計本工序的焊接點數，判斷是否符合焊接點個數的要求，從而知道是否有漏焊的情況。三是工裝夾具有識別零件的防錯焊的定位銷及工件識別傳感器，用于自動判斷是否有錯焊的情況。四是流水線工位設置暗燈功能，現場求援信號可以通過監控系統及時進行告警。五是利用多級監控方式實現對現場工位、工段及車間級的質量監控告警方式，及時反饋焊接情況，避免大批量的零件質量問題出現。六是便于企業對車間的焊接情況進行質量跟蹤，利用現場數據進行綜合分析，提高效率。

三、系統硬件總體設計

（一）單站系統的確設計

車間內有多條人工點焊焊接流水線，每條流水線有多臺人工焊鉗，在焊鉗端安裝電流互感器用于檢測每一次焊鉗點焊的電流，夾具平臺設置有識別零件的防錯焊的定位銷及工件識別傳感器，用于自動判斷是否有錯焊的情況，所有此類信號進到PLC后再進行判斷處理。各流水線由單臺PLC進行集中數據的采集分析和控制，人機界面觸摸屏在現場實現現場級的參數設定、調試及告警使用，同時數據還通過交換機與車間級上位工控機對接，匯總各個流水線的實時數據，綜合數據通過云平臺APP共享到手機客戶端，方便管理人員隨時監控車間生產情況。如圖1所示。

（二）焊點計數及電流檢測

通過電流互感器檢測焊鉗端焊接電流，PLC接受電流信號后，與標準信號進行比較，如果出現有嚴重偏差則及時報警。如果焊接個數不符合要求，也通過暗燈及上位機進行告警。如圖2所示。

（三）定期修磨設置

監控可以設置焊點總數統計，當達到一定的焊點次數后，可以通過鎖槍方式提醒工人及時進行電極修磨工作。本系統同時也輔助開發了與自動控制的修磨器，方便工人快速實現修磨功能，提高了效率。如圖3所示。

（四）車型識別及部件防漏焊

由于在排產過程中會出現有分班次分時段焊接不同零部件的情況，同一零件的不同批次會焊接不同的位置，人工焊接容易疏漏。系統采用夾具平臺設置有識別零件的防錯焊的定位銷及工件識別傳感器，用于自動判斷是否有錯焊的情況，出現有工裝錯誤會自動鎖夾具或者鎖槍的方式進行警告。具體如圖4所示。

四、控制系統程序設計

（一）程序設計（部分）

焊接電流采用電流互感器檢測，檢測電流經過變送器進入PLC模擬量模塊，通過數模轉換成數字量信號參與PLC內部運算。

焊點數量檢測是通過焊接電流來進行計數，通一次電流就算一點。實時監控每個工件每個焊鉗的焊點數量，避免漏焊少焊，提升焊接件焊接質量。如圖5所示。

（二）焊接點數的計數程序設計（部分）

PLC在人工焊接時從工件開始焊接至結束的計數，程序如下：

LD Always_On

A 焊機系統啟動29_1

LPS

AN 所有工作結束29

AN 工件焊接結束29

LD 焊鉗29計數

O 工件焊接開始29

ALD

= 工件焊接開始29

LPP

A 所有工作結束29

LD 工件焊接開始29

O 工件焊接結束29

ALD

= 工件焊接結束29

在對一個標準焊接過程結束時的程序進行比較后進行判斷，如下所示：

LD Always_On

A 焊機系統啟動29_1

LPS

EU

MOVW +0，實際焊點數29

LPP

AW>= 實際焊點數29，標準焊點數29

= 標準焊接結束29

每把焊槍總焊點計數以正常標準焊接進行計數，得到人工焊接的實時焊接點數。

LD Always_On

LPS

A First_Scan_On

MOVD +0，總焊點數29

AENO

MOVW +0，工件焊點數中間值29

AENO

MOVW +0，工件焊點數29

LPP

A 系統啟動

A 焊機系統啟動29_1

AW> 標準焊點數29，+0

LPS

A 焊鉗29計數

AR> 電流值29，標準下限電流29

AN 所有工作結束記憶29

EU

INCD 總焊點數29

INCW 工件焊點數中間值29

LPP

A 所有工作結束記憶29

EU

MOVW 工件焊點數中間值29，工件焊點數29

AENO

MOVW +0，工件焊點數中間值29

五、焊接線觸摸屏監控系統設計

（一）觸摸屏主界面

系統設置了多個焊接界面實現畫面間的切換，為放置無關人員對系統進行修改，保證系統安全穩定，特設置了登錄頁面。如圖6所示。

（二）登錄界面

登錄界面設置了兩級登錄權限功能，操作員登錄采用A級權限，可以對基本參數進行修改。維護登錄除了可以修改基本參數外，還可以對內部變量，腳本等底層界面進行修改。如圖7所示。

系統還設置了三個按鈕實現作業、維護和緊急情況的登錄，作業登錄能進入操作界面；維護登錄能進入參數設置界面；緊急登錄能進入系統停止界面。

（三）操作界面

操作界面主要用于實時監控焊機生產數據。焊接防漏檢測操作界面設置了各個焊機當前的實時焊接電流等信息。登錄按鈕可以進入焊槍解鎖界面。（焊槍鎖槍后，通過按工位上的復位按鈕和登錄焊槍解鎖界面進行雙重復位。）如圖8所示。

（四）參數設置界面

參數設置界面設置了可以切換車型的按鈕對應車型一、車型二、車型三和車型四。存入按鈕用于存入車型生產信息。（需要生產什么車型，就選擇車型，然后存入。）車型單獨選擇按鈕用于工位單獨選擇存入車型。非正常狀態按鈕用于非正常狀態下生產的車型的存入。電流系數用于設置電流系數的界面。（通過設置系數把系統監控電流設置成和焊機實際電流一致的界面。）操作界面主要用于實時監控焊機生產數據。焊接防漏檢測操作界面設置了各個焊機當前的實時焊接電流等信息。登錄按鈕可以進入焊槍解鎖界面。（焊槍鎖槍后，通過按工位上的復位按鈕和登錄焊槍解鎖界面進行雙重復位。）如圖9所示。

（五）緊急登錄界面

緊急登錄界面主要是根據需要單獨停止焊機的系統運行的功能。（例如：停止焊機001，則系統就不控制焊機001。）如圖10所示。

（六）車型單獨選擇界面

根據車間排產的需要，可以對工位需要單獨選擇車型焊點。如圖11所示。

（七）非正常狀態界面

非正常狀態界面設置兩種非正常狀態下的生產車型的焊點。如圖12所示。

（八）電流系數界面

焊接點電流也許會根據當前電流總體的變化，從而檢測有所改動，在電流系數界面可以設置比例系數，存入后可以統一修訂電流偏差。如圖13所示。

六、工控機組態監控界面設計

車間級由工控機進行全方位監控，采用組態王軟件實現對系統的監控。如圖14、圖15所示。

為了實現對各個流水線物料配送的及時告警，設置了物料呼叫監控界面，配合暗燈系統實現物流作業的輔助功能。如圖16所示。

通過產量統計報表可以對每天的產量進行報表統計，可以人工保存，也可以按照每天固定時間自動保存，方便企業進行數據分析。如圖17所示。

七、云端監控

云端通過APP手機客戶端可以實現對整個車間各條流水線作業的數據匯總，在手機端可以利用軟件進行及時的信息掌握。如圖18所示。

八、系統調試及驗證分析

該設備通過在企業1個多月的安裝及調試，各方面技術指標均已完成功能測試現已投入使用，經過2個多月的跟線及系統補充修改，完成了對員工的系統使用及維護培訓工作，現已完全交付企業使用至今。如圖19所示。

九、存在問題

本文介紹了基于PLC的汽車焊接件防漏焊監控系統的研制，從企業對拼焊件現場的質量問題出發，通過系統及時地對人工焊接中出現的漏焊，錯焊及焊接電流不足等造成的產品質量問題進行及時反饋，讓質量部門能快速響應糾錯，避免流水線大批量作業帶來的大量不合格品的出現。

在實際應用中還有些問題有待下一階段的提高，例如：

第一，人工焊接最直接有效的質量提升就是對人工焊接的規范化操作，以及職業道德的提升，對企業文化的融入等，只有對人的技術進行提升，才能從根本上實現質量的提升。監控手段只能作為輔助的一種質量監控手段，需要現場工人配合操作才能實現效能。

第二，生產部門與質量部門之間的協調很關鍵，系統在應用中會根據漏焊及影響焊接質量的反映，會通過鎖槍或者鎖夾具的方式避免焊接錯誤方式繼續下去，這樣會造成流水作業的停滯，需要人工解鎖然后才能繼續。生產部分以排產產量為中心，影響產量很難完成任務。而質量部門以質量為中心，希望影響質量的產品流入下一道工序。這樣就會造成矛盾的出現，在調試程序過程中受到兩個部門不同角度的影響，一度出現有麻煩的出現，此類問題需要快速保障的體系，與人工操作相配合才能實現。

系統下一階段圍繞以上問題進一步改進人機效能，在企業還無法大面積采用工業機器人焊接的情況下，找出更優的程序方案實現最大效能的汽車焊接件防漏焊監控系統。

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【基金項目】廣西教育廳高校中青年教師基礎能力提升項目（一般資助項目）“汽車焊接件防漏焊一體化監控系統研制”（2017KY1051）

【作者簡介】李 楊（1984— ），女，廣西柳州人，碩士，柳州職業技術學院機電工程學院講師，研究方向：工業電氣自動化、機電一體化技術。

（責編 盧 雯）