西門(mén)子S7-200系列PLC對(duì)汽車(chē)焊接機(jī)器人控制研究

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)汽車(chē)的需求量不斷增多，并在一定程度上推動(dòng)了汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。隨著自動(dòng)化技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，并大大改變了汽車(chē)制造模式，逐漸實(shí)現(xiàn)了精益化、個(gè)性化和柔性化的生產(chǎn)模式，在汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中，汽車(chē)焊接的智能化和自動(dòng)化水平不斷提高，大大提高了汽車(chē)焊接質(zhì)量，在白車(chē)身焊接生產(chǎn)中基本上都是使用激光焊接機(jī)器人，推動(dòng)了汽車(chē)制造行業(yè)的發(fā)展。

1 焊接機(jī)器人在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用

隨著自動(dòng)化和工業(yè)化不斷發(fā)展，機(jī)器人以高精度和高效率的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。在汽車(chē)制造行業(yè)中，尤其是轎車(chē)的生產(chǎn)節(jié)拍比較快，通常情況下都是在100秒左右。隨著消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)質(zhì)量提出了更高的要求，汽車(chē)制造的焊接工藝也在不斷提升，其中的焊接速度和焊接精度逐漸提升，由于在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的煙塵、飛濺和火花，對(duì)于人體而言具有一定的危險(xiǎn)性，如果利用人進(jìn)行焊接不僅效率低，且危害性大，所以自動(dòng)焊接在汽車(chē)制造中得到了廣泛的應(yīng)用，其中最具有代表性的產(chǎn)物就是焊接機(jī)器人，并在一定程度上推動(dòng)了汽車(chē)制造的發(fā)展。焊接機(jī)器人的使用不僅提高了汽車(chē)生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，還確保了焊接操作的穩(wěn)定性。在整個(gè)制造業(yè)行業(yè)中，汽車(chē)制造行業(yè)是最早使用焊接機(jī)器人的，焊接機(jī)器人也是應(yīng)用最廣泛的機(jī)器人。

由于汽車(chē)制造程序和內(nèi)容比較復(fù)雜，且焊接種類(lèi)多樣，對(duì)焊接工藝要求高，在汽車(chē)制造過(guò)程中，焊接機(jī)器人主要應(yīng)用在焊接比較復(fù)雜和要求較高的焊接工位，因?yàn)檫@些焊接工位人工操作不僅不方便，且也無(wú)法達(dá)到焊接要求，所以只能依靠焊接機(jī)器人，目前電焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人是汽車(chē)制造行業(yè)中應(yīng)用最多的機(jī)器人。

2 汽車(chē)焊接生產(chǎn)線和PLC控制器簡(jiǎn)介

PLC就是可編程控制器，應(yīng)用非常廣泛，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器有效的控制，并進(jìn)行模擬量處理和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)運(yùn)算，另外還能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的有效通訊。

PLC主要是為工業(yè)行業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)出的一種數(shù)字計(jì)算和運(yùn)算的控制器。PLC的存儲(chǔ)器具有可編制程序的作用，存儲(chǔ)器不僅可以進(jìn)行各種操作的指令，還能通過(guò)模擬式和數(shù)字式的輸出和輸入，從而實(shí)現(xiàn)控制各種機(jī)器的目標(biāo)。PLC控制器目前在汽車(chē)制造中得到了廣泛的應(yīng)用。S7-200系列的PLC不僅可以計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)控制和控制傳統(tǒng)的繼電器，還能支持多種形式和協(xié)議的通訊，進(jìn)行模擬量處理，應(yīng)具有可靠性高、編程靈活和功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

汽車(chē)焊接生產(chǎn)線包括左工位、右工位、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)、PLC。采取左右工位的焊接夾具的目的是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)焊接和裝卸，且每個(gè)工位的夾具型號(hào)規(guī)格都不相同，可根據(jù)需求更換相應(yīng)的夾具使用。焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)在接受到PLC指令執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，同時(shí)PLC又實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的工作狀態(tài)，包括工作信號(hào)、傳感系統(tǒng)和指令。另外，還需要接受人機(jī)界面信號(hào)、指令開(kāi)關(guān)信號(hào)和接近開(kāi)關(guān)信號(hào)。執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括定位裝置、卸料機(jī)構(gòu)和夾具的夾緊機(jī)構(gòu)，執(zhí)行結(jié)構(gòu)全部是由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)器人相互協(xié)調(diào)運(yùn)作。在汽車(chē)焊接生產(chǎn)線中都是通過(guò)終端操作進(jìn)行控制焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，確保每個(gè)動(dòng)作都能順利完成。

3 車(chē)門(mén)焊接控制機(jī)構(gòu)和硬件

在汽車(chē)焊接生產(chǎn)線中，車(chē)門(mén)焊接中需要兩臺(tái)激光焊接機(jī)器人，四個(gè)焊接工作平臺(tái)，每個(gè)焊接平臺(tái)都具有不同的作用，第一個(gè)焊接平臺(tái)的主要作用是防撞桿和焊裝玻璃引槽，第二個(gè)焊接平臺(tái)的作用是內(nèi)裝飾帶加強(qiáng)板、門(mén)鎖加強(qiáng)板和焊接鉸鏈加強(qiáng)板，第三個(gè)焊接平臺(tái)的作用是防撞桿和焊接鉸鏈加強(qiáng)板，第四個(gè)焊接平臺(tái)的作用是焊接外板窗框。整個(gè)車(chē)門(mén)焊接控制系統(tǒng)包括激光焊接機(jī)器人、氣壓回路、夾具、操作平臺(tái)和PLC，PLC控制器在整個(gè)焊接控制系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，通過(guò)接受控制平臺(tái)的操作指令，并傳輸給焊接機(jī)器人、夾具和控制閥，在整個(gè)控制系統(tǒng)中PLC控制發(fā)揮著重要作用，對(duì)焊接機(jī)器人的動(dòng)作控制特別重要。

4 基于PLC的汽車(chē)焊接機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

在汽車(chē)焊接工藝組成中，夾具動(dòng)作的實(shí)施主要是通過(guò)氣壓回路的氣缸進(jìn)行控制，通常情況下每個(gè)氣缸上都會(huì)裝有電磁閥，通過(guò)電磁閥控制夾具的動(dòng)作，電磁閥的型號(hào)為三位五通。每個(gè)焊接平臺(tái)上都會(huì)安裝對(duì)應(yīng)的氣缸，且每個(gè)氣缸上都會(huì)安裝傳感器，一般情況下都是在兩個(gè)位置分別安裝傳感器，I/O輸入點(diǎn)具有52路，另外，還有夾具體識(shí)別信號(hào)和機(jī)器人的通訊接I/O輸出輸入點(diǎn)控制在200以內(nèi)，S7-200型號(hào)的PLC具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以在硬件上不需要使用遠(yuǎn)程I/O模塊。另外，還需要兩個(gè)數(shù)字量I/O擴(kuò)張模塊，且型號(hào)分別為EM223和EM221，主要用途就是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入和輸出模塊，CPU的主要用途是中心控制器數(shù)字量輸入和輸出。

另外，激光焊機(jī)機(jī)器人在焊接過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱和光，并在一定程度上影響到氣壓回路的壓力，氣壓回路的壓力又會(huì)影響到夾具的功能，那么為了保證夾具系統(tǒng)的夾緊功能，必須要對(duì)焊接過(guò)程的溫度進(jìn)行有效的控制，這里采用模擬量拓展模塊EM235對(duì)其進(jìn)行控制，確保氣壓系統(tǒng)的壓力和溫度都能在有效范圍內(nèi)，當(dāng)氣壓回路的壓力變大時(shí)，PLC直接輸出斷電信號(hào)，使整個(gè)焊接生產(chǎn)線停止工作，實(shí)現(xiàn)了全面保護(hù)焊接生產(chǎn)線的目的。

5 基于PLC的汽車(chē)焊接機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

焊接生產(chǎn)線上的控制和焊接機(jī)器人的控制器是相互獨(dú)立的，且兩者之間能夠相互通訊，其通訊的效果將直接影響到焊接工作是否正常。機(jī)器人和PLC之間使用的通訊方式為問(wèn)答式串口通訊，結(jié)束符號(hào)、BBC檢驗(yàn)碼和起始符號(hào)保證了焊接機(jī)器人和PLC之間能夠正確通訊。BBC檢驗(yàn)碼的主要作用是防止因外界影響干擾而導(dǎo)致執(zhí)行錯(cuò)誤狀況發(fā)生，保證了通訊正確。通訊是否正確通常情況下都是確認(rèn)指令發(fā)送方和接受方之間的真值進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)ASCⅡ碼是否以字節(jié)為單位作異或和并，真值相同那么就代表一切通訊正常。焊接機(jī)器人和PLC指令傳送圖如圖1所示。

按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，焊接機(jī)器人控制器和PLC之間恢復(fù)通電，并對(duì)所有位置的傳感器件進(jìn)行掃描，并確認(rèn)目前的狀態(tài)，然后將掃描的結(jié)果與存儲(chǔ)器的模塊參數(shù)進(jìn)行比較，如果參數(shù)相同那么就可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并使用存儲(chǔ)中的模塊進(jìn)行執(zhí)行。接著與焊接機(jī)器人直接通訊，PLC向焊接機(jī)器人發(fā)送指令，焊接機(jī)器人控制器接受到指令后，與焊接機(jī)器人控制器的中指令進(jìn)行對(duì)比，如果指令相同根據(jù)PLC指令選擇模塊程序，并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。在焊接過(guò)程中，焊接機(jī)器人的控制器通過(guò)控制通斷時(shí)間和電源電流的大小，完成焊接要求，并根據(jù)程序按照一定的順序進(jìn)行焊接工作。在機(jī)器人完成某一個(gè)動(dòng)作指令后，與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，并根據(jù)通訊指令向PLC回復(fù)制定結(jié)果。PLC在接收到動(dòng)作完成的指令后，持續(xù)向激光焊接機(jī)器人控制器發(fā)送下一步操作指令，然后機(jī)器人根據(jù)指令進(jìn)行操作，按照這個(gè)順序循環(huán)下去，直到所有的操作指令全部完成。

西門(mén)子S7-200控制器具有編程的優(yōu)勢(shì)，使用模塊化編程，通過(guò)調(diào)用和選擇不同的子程序模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)動(dòng)作的控制，并按照相應(yīng)的順序進(jìn)行有效的控制。促使控制設(shè)計(jì)和調(diào)試更加簡(jiǎn)單、方便、靈活，確?？刂葡到y(tǒng)更加安全可靠，同時(shí)也保證了系統(tǒng)能夠有序和協(xié)調(diào)的完成焊機(jī)工藝。

6 結(jié)論

本文主要以西門(mén)子S7-200系列PLC對(duì)汽車(chē)焊接機(jī)器人控制進(jìn)行研究，PLC具有編程靈活、可靠性高和功能強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)，促使控制系統(tǒng)更加安全可靠，使汽車(chē)焊接工藝實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化，對(duì)汽車(chē)制造業(yè)來(lái)說(shuō)具有重要意義。
責(zé)任編輯：YYX