西門子S7-200系列PLC對汽車焊接機器人控制研究

0 引言

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

1 焊接機器人在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

隨著自動化和工業(yè)化不斷發(fā)展，機器人以高精度和高效率的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。在汽車制造行業(yè)中，尤其是轎車的生產(chǎn)節(jié)拍比較快，通常情況下都是在100秒左右。隨著消費者對汽車質(zhì)量提出了更高的要求，汽車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，由于在焊接過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重的煙塵、飛濺和火花，對于人體而言具有一定的危險性，如果利用人進行焊接不僅效率低，且危害性大，所以自動焊接在汽車制造中得到了廣泛的應(yīng)用，其中最具有代表性的產(chǎn)物就是焊接機器人，并在一定程度上推動了汽車制造的發(fā)展。焊接機器人的使用不僅提高了汽車生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，還確保了焊接操作的穩(wěn)定性。在整個制造業(yè)行業(yè)中，汽車制造行業(yè)是最早使用焊接機器人的，焊接機器人也是應(yīng)用最廣泛的機器人。

由于汽車制造程序和內(nèi)容比較復(fù)雜，且焊接種類多樣，對焊接工藝要求高，在汽車制造過程中，焊接機器人主要應(yīng)用在焊接比較復(fù)雜和要求較高的焊接工位，因為這些焊接工位人工操作不僅不方便，且也無法達到焊接要求，所以只能依靠焊接機器人，目前電焊機器人和弧焊機器人是汽車制造行業(yè)中應(yīng)用最多的機器人。

2 汽車焊接生產(chǎn)線和PLC控制器簡介

PLC就是可編程控制器，應(yīng)用非常廣泛，利用計算機技術(shù)的運算技術(shù)實現(xiàn)對繼電器有效的控制，并進行模擬量處理和計時計數(shù)運算，另外還能夠?qū)崿F(xiàn)各個系統(tǒng)的有效通訊。

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

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

3 車門焊接控制機構(gòu)和硬件

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

4 基于PLC的汽車焊接機器人硬件設(shè)計

在汽車焊接工藝組成中，夾具動作的實施主要是通過氣壓回路的氣缸進行控制，通常情況下每個氣缸上都會裝有電磁閥，通過電磁閥控制夾具的動作，電磁閥的型號為三位五通。每個焊接平臺上都會安裝對應(yīng)的氣缸，且每個氣缸上都會安裝傳感器，一般情況下都是在兩個位置分別安裝傳感器，I/O輸入點具有52路，另外，還有夾具體識別信號和機器人的通訊接I/O輸出輸入點控制在200以內(nèi)，S7-200型號的PLC具有獨特的優(yōu)勢，所以在硬件上不需要使用遠(yuǎn)程I/O模塊。另外，還需要兩個數(shù)字量I/O擴張模塊，且型號分別為EM223和EM221，主要用途就是實現(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，激光焊機機器人在焊接過程中，會產(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，必須要對焊接過程的溫度進行有效的控制，這里采用模擬量拓展模塊EM235對其進行控制，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，PLC直接輸出斷電信號，使整個焊接生產(chǎn)線停止工作，實現(xiàn)了全面保護焊接生產(chǎn)線的目的。

5 基于PLC的汽車焊接機器人軟件設(shè)計

焊接生產(chǎn)線上的控制和焊接機器人的控制器是相互獨立的，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。機器人和PLC之間使用的通訊方式為問答式串口通訊，結(jié)束符號、BBC檢驗碼和起始符號保證了焊接機器人和PLC之間能夠正確通訊。BBC檢驗碼的主要作用是防止因外界影響干擾而導(dǎo)致執(zhí)行錯誤狀況發(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行對比，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。焊接機器人和PLC指令傳送圖如圖1所示。

按下系統(tǒng)啟動按鈕，焊接機器人控制器和PLC之間恢復(fù)通電，并對所有位置的傳感器件進行掃描，并確認(rèn)目前的狀態(tài)，然后將掃描的結(jié)果與存儲器的模塊參數(shù)進行比較，如果參數(shù)相同那么就可以正常運轉(zhuǎn)，并使用存儲中的模塊進行執(zhí)行。接著與焊接機器人直接通訊，PLC向焊接機器人發(fā)送指令，焊接機器人控制器接受到指令后，與焊接機器人控制器的中指令進行對比，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)動作。在焊接過程中，焊接機器人的控制器通過控制通斷時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行焊接工作。在機器人完成某一個動作指令后，與PLC進行實時通訊，并根據(jù)通訊指令向PLC回復(fù)制定結(jié)果。PLC在接收到動作完成的指令后，持續(xù)向激光焊接機器人控制器發(fā)送下一步操作指令，然后機器人根據(jù)指令進行操作，按照這個順序循環(huán)下去，直到所有的操作指令全部完成。

西門子S7-200控制器具有編程的優(yōu)勢，使用模塊化編程，通過調(diào)用和選擇不同的子程序模塊實現(xiàn)對某個動作的控制，并按照相應(yīng)的順序進行有效的控制。促使控制設(shè)計和調(diào)試更加簡單、方便、靈活，確?？刂葡到y(tǒng)更加安全可靠，同時也保證了系統(tǒng)能夠有序和協(xié)調(diào)的完成焊機工藝。

6 結(jié)論

本文主要以西門子S7-200系列PLC對汽車焊接機器人控制進行研究，PLC具有編程靈活、可靠性高和功能強大等優(yōu)勢，促使控制系統(tǒng)更加安全可靠，使汽車焊接工藝實現(xiàn)了智能化和自動化，對汽車制造業(yè)來說具有重要意義。
責(zé)任編輯：YYX