PLC控制在车门焊接机器人中的应用.pdf

第 35 卷第 3 期湖南文理学院学报(自然科学版)Vol.35 No.32023 年 9 月Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology)Sep.2023doi:10.3969/j.issn.16726146.2023.03.010PLC控制在车门焊接机器人中的应用 王艺橙1,余丰闯2(1.珠海市理工职业技术学校 电气控制系,广东 珠海,519000;2.珠海市技师学院 智能控制系,广东 珠海,519000)摘要:为确保焊接机器人与车门焊接工序协同作业及焊接的一致性,提高车门焊接的生产效率,在分析车门焊接工艺的基础上对焊接机器人 PLC 控制系统进行设计,同时选择西门子 S7200 CPU266 和 EM222、EM223为硬件拓展模块,实施模块化编程。车门焊接试验表明,PLC 控制的车门焊接机器人焊接质量高。这对提升车门焊接系统稳定性与扩展性具有一定的参考。关键词:PLC 控制;车门焊接;焊接机器人中图分类号:TP 278文献标志码:A文章编号:16726146(2023)03005405Application of PLC control in door welding robotWang Yicheng1,Yu Fengchuang2(1.Department of Electrical Control,Zhuhai Vocational and Technical School of Science and Technology,Zhuhai519000,China;2.Department of Intelligent Control,Zhuhai Technician College,Zhuhai 519000,China)Abstract:To ensure the collaborative operation of the welding robot and the door welding process,guarantee thewelding consistency,and improve the door welding production efficiency,the PLC control system of the weldingrobot is designed based on the analysis of the door welding process.At the same time,Siemens S7200 CPU266 andEM222 and EM223 are selected as hardware expansion modules,and modular programming is implemented.Thedoor welding test shows that the door welding robot controlled by PLC has high welding quality.This has certainreference value for improving the stability and expansibility of the door welding system.Key words:PLC control;door welding;welding robot以智能制造为主导的工业 4.0 是人类历史上的第 4 次工业革命,是和工业革命比肩的技术革新。伴随着劳动力成本的快速增加,企业要想在激烈的市场竞争中占据有利地位,就必须不断降低工业生产成本,这使得机器人在工业界得到了广泛的应用1。焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人,使用焊接机器人能够提高劳动生产率,降低工人劳动强度和对工作操作技术的要求,因此焊接机器人在各行各业得到了广泛的应用2。控制系统是焊接机器人的重要组成部分,对焊接机器人的控制是学术界和工业界关注的焦点。秦俊非等3选择 Q03UDVCPU PLC 作为系统的主控制模块,和 AGV、视觉检测模块进行信息交互,采取模块化编程协同控制多功能线缆处理平台,有效实现了对柔性线缆的自动分类、抓取、焊接,使得焊接操作人员数量明显减少、焊接效率明显提高、焊接质量大大提升。王想实等4以MFC 为框架平台设计上位机、以 DSP 控制为下位机模式来设计控制焊接机器人控制系统,采用 RS232连接控制器和伺服系统,并通过指令方式来控制伺服系统,借助 MATLAB 平台对设计的控制系统进行通信作者:王艺橙,。收稿日期:20221025基金项目:珠海市教育科研“十四五”规划课题(2022ZHGHKTG054)。第3期王艺橙,等:PLC控制在车门焊接机器人中的应用55仿真,验证了所设计控制系统的可行性。张用等5设计了基于嵌入式 Linux 焊接机器人控制系统,采用Exynos 四核 CortexA9 处理器芯片设计上位机电路,选择 DSP 芯片作为下位机主控制器,通过仿真试验验证了所设计的控制系统能够对焊接机器人进行有效控制。曹志飞等6对管道自动焊接机器人控制系统进行研究,提出了 STM32 为控制核心、Modbus 协议为系统通信网络的管道自动焊接机器人控制系统,实现了对功能单元的一体化协同控制,并通过焊接试验验证了管道自动焊接机器人控制系统具有焊接效率高、焊缝良好等优点。相对于其它控制技术,PLC 控制具有可靠性高、抗干扰能力强、控制设备外部接线少、维修方便、易改造等优点,在机器人控制中具有更为突出的优势。尤其是对汽车车门而言,其工艺更复杂,同时对焊接质量与焊接一致性要求更高。因此,本文将 PLC 控制应用于车门焊接机器人中,实现车门焊接的高精度和高效率。1PLC 控制与车门焊接工艺1.1PLC 控制PLC,即可程序化逻辑控制器,是一种具有微处理器的数字电子设备,可以将控制指令随时载入内存并进行存储和执行。PLC 作为工业控制计算机,具有和微型计算机类似的硬件结构,其基本组成如图 1 所示7。PLC 的运行过程包括输入采样阶段、执行用户程序阶段、刷新输出阶段。在输入采样阶段,PLC 通过扫描读取输入状态与数据,并存入到 I/O 映象区的相应单位;用户程序执行阶段,PLC 按照从上到下的顺序对用户程序(梯形图)进行扫描,同时按照从左到右的顺序对触电所构成的控制线路进行逻辑运算;在刷新输出阶段,中央处理器结合输入/输出映象区所对应的状态来对所有的输出锁存电路进行刷新,并通过输出电路来对外部设备进行驱动8。1.2车门焊接工艺伴随着汽车工业的快速发展和生产制造自动化水平的不断提升机器人在汽车生产制造中的应用越来越广泛。白车身是汽车未进行涂装与内饰件总装前的车身,是轿车动力系统、行驶系统、电气系统、内外装饰件的载体,直接影响汽车的动力性、舒适性、平顺性、外观质量。车门是白车身的重要组成部分,车门焊接质量对整车的性能具有至关重要的影响。采用焊接机器人进行车门焊接能够确保焊接的一致性,提升车门焊接的质量,图 2 为车门焊接工艺流程9。由图 2 可知,4 个工位分别焊接汽车车门的不同部位,共由 2 台焊接机器人完成。整个车门焊接控制系统由焊接机器人、气压回路、操作台、PLC、夹具系统所组成,PLC 输入信号为操作台指令与各传感器信号,通过 PLC 输出来对焊接机器人动作、指示灯等进行控制。汽车车门焊接机器人采用 PLC 模块化编程能够使得车门焊接控制系统的稳定性大大提升,同时车门焊接质量得到有效保证。2焊接机器人 PLC 控制系统设计PLC 负责对机器人与夹具、激光器、焊接电源之间的动作进行协调控制,同时控制焊接现场按钮和状态显示灯。因此,PLC 在车门焊接生产线中占据至关重要的地位。图 3为车门焊接生产线控制系统结构组成。由图 3 可知,车门焊接机器人控制系统由 PLC 来对焊机机器人、夹具系统进行控制,确保其按照图 3车门焊接生产线控制系统结构组成操作台监控工控机云台临控摄像机配电柜PLC 控制其他电气路径优化工控机机器人控制器激光发生器夹具系统气压回路图 2车门焊接工艺流程工位一焊接玻璃导槽、防撞杆工位二焊接内板、铰链加强板、门锁加强板、内饰带加强板焊接外板、外板窗框铰链加强板、防撞杆车门焊接完成工位三工位四图 1PLC 基本组成存储器(ROM/RAM)系统程序+用户程序I/O 扩展单元扩展接口中央处理器CPU外部设备接口输入接口电源输出接口输入设备输出设备按钮、开关等接触器、电磁阀等PLC编程器监控设备外存储器打印机条码读入器56湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年设定的顺序运动,实现焊接机器人对车门按照规定的工艺进行焊接操作。PLC 和焊接机器人之间的通讯至关重要,通过 PLC 模块化的编程有利于对焊接控制系统进行调试与检测。2.1硬件设计汽车车门焊接生产线有 4 个工位,在每个工位上均安装有 1 套夹具,在夹具上有 1 组气缸,通过三位五通电磁换向阀进行控制。在气缸上安装有位置传感器,每个气缸有 2 个位置传感器。在工位一安装4个气缸,工位二安装5个气缸,工位三安装6个气缸,工位四安装7个气缸,因此整个车门焊接生产线位置传感器的输入点为 44 个。每个工位有 2 个控制输出点,因此整个车门焊接生产线的输出点为 8 个。汽车车门焊接生产线共有 52 路 I/O 点,另外还有焊接机器人与 PLC 之间进行通信的接口、夹具识别信号的接口等,接口数量比较多,但是整体不会大于 200个。因此 PLC 硬件可以选择性价比较高的西门子 S7200系列。西门子 S7200 系列采用模块化设计,具有价格便宜、结构紧凑、指令强大等优点,在工业自动化应用中具有良好的适应性10。汽车车门焊接生产线的 4 个工位布局比较紧凑,PLC和 I/O 距离比较近,这使得 4 个工位上的气动阀动作信号与气缸位置的检测信号能够和 PLC 的 I/O 之间直接连接。另外,在电气柜操作台上的按钮与工位上的状态指示灯也和 PLC 的 I/O 之间直接连接,最终 PLC 的硬件选择S7200 CPU266 和 EM222、EM223 拓展模块。PLC 的 I/O连接如图 4 所示。由于激光焊接将产生大量的光与热,加之气压回路的压力也对夹具的夹紧有非常大的影响,这些都会影响到车门焊接的质量。因此,采用模拟量拓展模块对焊接过程的温度、压力进行控制,一旦超过了设定的阈值就切断电源,有效保护整个汽车车门焊接生产线。图 5 为 PLC 的 I/O 接线图。2.2软件设计2.2.1焊接机器人与 PLC 之间的通讯协议焊接机器人与 PLC 控制器之间的通讯直接影响到车门焊接生产线,因此定义好焊接机器人与 PLC之间的通信协议至关重要。PLC 将执行焊接位姿操作信息传输给焊接机器人,焊接机器人将执行相关动作信息传输给PLC,在PLC和焊接机器人之间实现信息交换。表 1 为 PLC 发送与焊接机器人反馈的命令格式。焊接机器人与 PLC 之间的通讯由起始符、BBC 校验码、结束符来保证。为了避免在进行串口通讯的过程中指令受到外界干扰而出现数据信号扭曲,采用 BBC 校验码11。同时接收方在接收到指令之后,也会采取将字符串作和、异的方法来与信息传递方发送过来的信息进行比对,从而确保通讯的正确性。2.2.2焊接机器人和 PLC 的交互在汽车车门焊接生产线上,PLC 和机器人控制器之间是独立编程,为确保整个生产线的顺利生产就要在PLC与焊接机器人之间建立通表 1PLC 发送与焊接机器人反馈命令格式PLC 发送命令格式机器人反馈命令格式字节含义字节含义1起始符1起始符2指令类型2指令状态信息3指令状态信息34PLC 寄存器地址4机器人地址534写入 PLC 数据530写入机器人数据3536BBC 校验码3132BBC 校验码37结束符33结束符图 5PLC 的 I/O 接线图图 4PLC 的 I/O 连接O 输出状态指示灯各种按钮电磁阀磁性开关S7200CPU 266EM222焊接机器人操作台夹具气缸I 输入I 输入I 输入I 输入O 输出O 输出O 输出EM223第3期王艺橙,等:PLC控制在车门焊接机器人中的应用57信协议。PLC 控制系统采用的是模块化的编程思想,不同的独立操作被写在不同的子程序模块中,实际调用时通过条件选择来实现,大大简化了 PLC 控制软件的设计流程,同时也提高了控制系统的可靠性。图 6 为 PLC 程序和焊接机器人程序执行流程。由图 6 可知,机器人车门焊接系统启动之后,PLC 和焊接机器人控制器上电复位,扫描系统夹具传感器的初始状态以及按钮的开闭状态,同时与同程序存储中模块参数进行比较,选择参数相同的模块执行,并且三色灯显示当前生产线为工作的状态。PLC 模块所设定的动作完成之后和焊接机器人之间进行通讯,将执行动作指令与存储器中的指令进行对比,找出相应模块所对应的操作程序。焊接机器人在实际的焊接作业中,机器人控制器对电源电流、电源通电时长进行控制,达到对车门按照焊接路径实施焊接作业的目的。当焊接机器人完成本工位焊接操作后,即与 PLC 控制器之间进行通讯,告知 PLC操作结束。紧接着 PLC 会实施下一工位的焊接操作控制,直到完成整个车门的焊接任务为止。2.2.3夹具体自动识别汽车车门焊接生产线共有 4 个工位,每个工位上安装有 1套夹具,不同工位上的气缸数量不同,电磁阀的数量也不同。不同的气缸有使用和不使用、到位情况检测和不检测之分,这些情况构成了夹具体的控制字。在控制台设置 8 个控制开关按钮,将其作为夹具体编号输入,同时夹具体编号在显示屏上显示。PLC 程序中每次循环都扫描夹具体编号,将扫描结果放入到暂存区,并且和记忆区的夹具体编号进行对比。当两者一样时,直接执行相应程序;当两者不一样时,由操作者确认,然后进入到下一程序段。如果硬件出现故障使得识别出的夹具体编号和实际不符合时,那么可以采取强制写入正确夹具体编号的办法使得车门焊接生产系统进入到正常化的工作状态12。图 7 为夹具体自动识别程序执行过程。图 6PLC 程序和焊接机器人程序执行流程(a)PLC 程序执行流程(b)焊接机器人程序执行流程图 7夹具体自动识别程序执行过程58湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年3汽车车门焊接试验车门焊接质量直接影响整车的质量,必须保证车门焊接的质量,才能生产出高质量的汽车产品。将PLC 控制应用于车门焊接机器人中,实现了焊接机器人与各工位焊接夹紧结构之间的协同配合。PLC控制车门焊接机器人,并对焊接机器人进行初始化操作,即如果在机器人的焊接工位上存在未焊接或者已经焊接好的工件,传感器就发送控制命令对工件进行清理操作。完成初始化操作之后,若确保焊接工位上有待焊接工件,PLC 将传递控制信号给电磁阀,则电磁阀的气缸伸出,同时工件被夹紧。对工件夹紧之后保持 2 s,PLC 控制器向车门焊接机器人发出焊接信号,从而对车门实施焊接作业。当车门焊接作业完成之后,PLC 将发出松开夹具并转换工位的指令,然后将其送至下一个焊接工位。PLC 主程序主要是对各电磁阀参数初始化,处理和显示电源、焊接、故障、对中等指示灯。图 8 为车门焊接机器人现场。采用焊接机器人进行汽车车门焊接,在车门结点处焊接平整、无缝隙,提高了车门焊接的质量。图 9 为车门结点焊接效果。4结论焊接作业环境恶劣,人工焊接具有焊接一致性差、焊接质量无法保证、焊接效率低等缺点,焊接机器人的应用对提升劳动生产率具有重要意义。PLC 具有功能强大、可靠性高、环境适应性强等优点,将PLC 应用于焊接机器人控制中,通过 PLC 和焊接机器人之间的交互通讯,有效确保了焊接机器人和各工位焊接夹紧机构之间的协同工作,使得车门焊接的效率大大提升。PLC 控制模式下,机器人车门焊接减少了人工安装夹具的时间,降低了工人的劳动强度,对工业化生产具有一定的现实指导意义。参考文献:1郑泛舟.基于深度强化学习的机器人运动状态估计研究J.湖南文理学院学报(自然科学版),2023,35(1):3439.2蔡新奇,王学武,范晔平,等.焊接机器人数据采集与管控系统J.焊接,2022(3):17.3秦俊非,毕江海,王继军,等.基于 PLC 的铁路信号机房焊接机器人控制系统设计J.制造业自动化,2022,44(5):119123.4王想实,周薇,高雅.焊接机器人控制设计与仿真研究J.机床与液压,2017,45(17):3235.5张用,郝卫东,朱博譞,等.基于嵌入式焊接机器人控制系统设计J.组合机床与自动化加工技术,2017(1):8991,94.6曹志飞,段瑞斌,王天琪,等.管道自动焊接机器人控制系统研究J.热加工工艺,2022,51(13):103106.7韩宝珠,安叶青.基于 PLC 的液压支架带压移架控制技术J.煤炭技术,2022,41(7):185187.8刘媛.基于 PLC 与组态软件的工业生产线柔性加工自动控制系统J.湖南文理学院学报(自然科学版),2022,34(4):3137.9干年妃,冯秋翰,顾纪超,等.基于拓扑优化的多材料分块车门内板结构设计J.汽车工程,2016,38(2):257262.10 范维,杨洋,王迪阳,等.基于 PLC 的叉车车架焊接生产线系统的设计J.制造业自动化,2021,43(7):123128.11 陈志平.工业机器人自动焊接生产线的设计与调试J.机床与液压,2016,44(23):4245,49.12 吴亚赛,许焕敏.副车架侧梁多机器人焊接工作站设计与仿真J.组合机床与自动化加工技术,2020(9):126129.(责任编校:张艳燕)图 8车门焊接机器人现场图 9车门结点焊接效果