基于PLC 和觸摸屏的車身總裝夾具控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
王淑旺，顧立才，張定，魯恒飛
( 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，合肥230009)

摘要: 車身總裝工藝是白車身生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝，論文用程序自動(dòng)控制代替手動(dòng)氣壓控制，確保達(dá)到車身總裝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求。該設(shè)備的控制系統(tǒng)是以PLC 控制技術(shù)為核心，以觸摸屏為人機(jī)操作界面，采用二者配合控制實(shí)現(xiàn)了車身總裝夾具的控制要求。設(shè)備已經(jīng)投入生產(chǎn)，運(yùn)行結(jié)果表明: 該系統(tǒng)在降低了設(shè)備成本的同時(shí)，有效的縮短了生產(chǎn)周期，對(duì)其它類產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞: 白車身; PLC; 觸摸屏; 車身總裝夾具

中圖分類號(hào): TH165 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

0 引言

    車身總裝焊接是白車身焊接中的關(guān)鍵工序，直接影響到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、門蓋、前后橋等其他零部件的裝配。國(guó)內(nèi)外主流汽車生產(chǎn)線在白車身總裝工序的設(shè)計(jì)和控制方面都做了不少探索，形成了一批自動(dòng)化程度高，焊接工藝優(yōu)良且工作效率高的車身總裝夾具。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，其將智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)一條物理線路連在一起，取代控制器和控制器之間的信號(hào)傳輸［1］，解決了以往集散控制系統(tǒng)布線量大，布線種類多，費(fèi)用高和易受干擾等缺點(diǎn)［2］?？偩€技術(shù)為車身焊裝自動(dòng)化控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

    原始的車身總裝夾具采用的是人工操作各種氣閥，來(lái)達(dá)到總裝工藝的要求; 這種控制方式不但無(wú)法控制好車身總裝的質(zhì)量，而且生產(chǎn)節(jié)拍要求很難達(dá)到。本文根據(jù)北京某公司輕客生產(chǎn)線的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)出了一套基于PLC 和觸摸屏的車身總裝夾具的自動(dòng)化系統(tǒng)。本系統(tǒng)使生產(chǎn)節(jié)拍由原來(lái)的450s ～ 600s縮短到250s ～ 360s，改變?cè)瓉?lái)由全人工操作為全自動(dòng)操作，對(duì)控制設(shè)備成本，提高經(jīng)濟(jì)效益很有幫助。

1 車身總裝設(shè)計(jì)方案

    本設(shè)計(jì)要求在總裝工藝上能實(shí)現(xiàn)八種不同車型的焊裝，考慮到經(jīng)濟(jì)和實(shí)際的運(yùn)用，我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)中加入一些切換機(jī)構(gòu)，如有無(wú)舵切換，有無(wú)門洞切換，新舊前圍切換，長(zhǎng)短車型切換等?？紤]到板件運(yùn)輸和生產(chǎn)效率，本總裝夾具采用吊具運(yùn)輸板件，結(jié)合觸摸屏和各個(gè)控制盒上設(shè)置的按鈕，來(lái)控制整改設(shè)備的動(dòng)作。又由于本設(shè)計(jì)是根據(jù)某公司輕客原車身焊接線而改造，所以從原生產(chǎn)線考慮改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

 

圖1 車身總裝夾具總體構(gòu)架示意圖
 

    本車身總裝工藝分為側(cè)圍補(bǔ)焊工藝和車身總拼工藝，通過(guò)左右吊具系統(tǒng)進(jìn)行板件的輸送。整個(gè)車身總裝的動(dòng)作采用氣動(dòng)控制。側(cè)圍補(bǔ)焊工位分為左右補(bǔ)焊夾具，屬于對(duì)稱分布，工藝流程類似。側(cè)圍補(bǔ)焊工位是一個(gè)可翻轉(zhuǎn)的夾具，夾具的翻轉(zhuǎn)是通過(guò)變頻器控制伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。側(cè)圍板件成型后輸送到側(cè)圍補(bǔ)焊位( 此時(shí)側(cè)圍補(bǔ)焊夾具處于垂直位) ，然后進(jìn)行焊點(diǎn)補(bǔ)焊; 補(bǔ)焊完成后，側(cè)圍補(bǔ)焊夾具翻轉(zhuǎn)到水平位置，通過(guò)吊具抓件向總拼位輸送?？紤]到側(cè)圍補(bǔ)焊控制的方便性，本設(shè)計(jì)在側(cè)圍補(bǔ)焊位設(shè)立的獨(dú)立的控制柜; 此控制柜可控制補(bǔ)焊位和相應(yīng)的吊具系統(tǒng)。

    車身總拼工位分為左右側(cè)圍位，與側(cè)圍補(bǔ)焊一樣對(duì)稱分布?？偲垂の坏膫?cè)位為一個(gè)可翻轉(zhuǎn)的夾具，考慮到總拼翻轉(zhuǎn)夾具自身的重量很大，用電機(jī)翻轉(zhuǎn)不但效果難實(shí)現(xiàn)且成本會(huì)加大，故我們考慮用250mm 缸徑的氣缸控制?？偲次唤邮軄?lái)自于吊具系統(tǒng)輸送的板件( 接受板件時(shí)總拼位側(cè)圍處于水平位置) ，然后總拼位側(cè)圍夾具夾緊翻轉(zhuǎn); 在地板上完后，側(cè)圍位平移合成車身，最后進(jìn)行焊接。為了操作人員控制的方便和生產(chǎn)安全，在總拼位設(shè)立了四個(gè)控制盒子，進(jìn)行配合控制?？偲次坏那皣彩且粋€(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)( 如圖2) ，前圍上件夾緊，從水平位翻轉(zhuǎn)垂直，后平移到位焊接; 焊接完成后原方式動(dòng)作復(fù)位。

 

圖2 前圍夾具三維圖
 

2 車身總裝控制方案

    由于車身總裝上工序較多且各個(gè)部分聯(lián)系較緊密，所以將整個(gè)控制系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別為:側(cè)圍補(bǔ)焊系統(tǒng)，總拼系統(tǒng)和吊具系統(tǒng)( 如圖3) 。由于DeviceNet 總線具有開(kāi)放、低價(jià)、可靠、高效的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高實(shí)時(shí)性要求的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)底層控制; 它運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸可靠、信息響應(yīng)快速、抗干擾能力增強(qiáng); 具有自動(dòng)診斷、故障顯示功能;更好地滿足控制系統(tǒng)信息集成的要求; 總線節(jié)點(diǎn)具有良好的防護(hù)等級(jí)［3］。所以本設(shè)備各個(gè)系統(tǒng)間及系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)DeviceNet 總線進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)控制，分析和處理，并通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分工作狀態(tài)的監(jiān)控。由于本系統(tǒng)各個(gè)工位是對(duì)稱分布且對(duì)稱工位控制方案類似，故以下只敘述系統(tǒng)動(dòng)作不區(qū)分左右。

 

圖3 控制方案
 

    側(cè)圍補(bǔ)焊系統(tǒng)主要由三個(gè)控制過(guò)程組成，分別是閥1 控制側(cè)圍補(bǔ)焊工位的氣缸的動(dòng)作; 閥2 控制側(cè)圍翻轉(zhuǎn)臺(tái)的到位鎖死動(dòng)作; 側(cè)圍變頻器控制側(cè)圍翻轉(zhuǎn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

    吊具系統(tǒng)主要功能是將板件輸送到總拼工位，是本工藝中聯(lián)系側(cè)圍補(bǔ)焊和總拼工位的紐帶。吊具系統(tǒng)的控制形式如下: 獨(dú)立閥1 控制吊具抓緊氣缸的動(dòng)作; 獨(dú)立閥2 控制吊具平移小車到位鎖死動(dòng)作;變頻器控制吊具的升降、平移。

   總拼系統(tǒng)是車身總裝關(guān)鍵工位，要完成的工序多，安裝標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，故采用三個(gè)閥島進(jìn)行集中控制( 如圖3 所示) 。閥島1 是由10 個(gè)兩位兩通閥和2個(gè)兩位三通閥組成，其中10 個(gè)兩位兩通閥控制如下: 門洞動(dòng)作控制、舵型切換控制、側(cè)圍夾緊1、側(cè)圍夾緊2、五個(gè)獨(dú)立固定焊鉗控制、側(cè)圍限位銷控制。側(cè)圍水平平移和側(cè)圍翻轉(zhuǎn)需氣壓較大且要求能在出故障時(shí)立即停止，故采用三位兩通獨(dú)立閥控制; 閥島2 主要控制地板和前圍的相關(guān)動(dòng)作，由5 個(gè)兩位兩通閥和1 個(gè)三位兩通閥組成。其中兩位兩通閥控制如下: 前圍夾緊動(dòng)作，前圍翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，地板夾緊動(dòng)作，長(zhǎng)短車型切換動(dòng)作，前圍切換動(dòng)作; 考慮到前圍平移的安全，我們?cè)谇皣揭苿?dòng)控制采用三位兩通閥。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    根據(jù)工藝方案和控制方案的設(shè)計(jì)，結(jié)合設(shè)備的動(dòng)作實(shí)際要求，我們進(jìn)行了硬件的選型和程序的編寫。本車身總成系統(tǒng)的核心處理器采用歐姆龍CJ-1W 系列的PLC，PLC 通過(guò)RS232 通訊電纜和觸摸屏通信; 觸摸屏選用的是歐姆龍NS10-TV00B-V2［4］，該系列觸摸屏以數(shù)據(jù)，圖形，按鈕等各種形式來(lái)反映PLC 的內(nèi)部狀態(tài)位，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而參與工程控制，能良好的滿足經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求。系統(tǒng)所有的邏輯控制和判斷、中間繼電器及時(shí)間繼電器的邏輯功能等均由PLC 內(nèi)部程序指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。考慮到焊裝車間的焊屑比較多，故選擇防護(hù)等級(jí)高的SMC 閥島EX245-SDN2-X35，并在氣源處加上過(guò)濾網(wǎng)。

3. 1 PLC 選型及軟件設(shè)計(jì)

    PLC 是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，本系統(tǒng)采用CJ-1W系列的組合模塊式PLC，控制模塊采用CJ-HCPU45［4］，通訊模塊采用CJ1W-DM21［4］。根據(jù)系統(tǒng)控制方案，可統(tǒng)計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)為73，輸出點(diǎn)數(shù)為55。為了保證系統(tǒng)I /Q 點(diǎn)數(shù)的需要并預(yù)留擴(kuò)展空間，選擇5塊16 點(diǎn)數(shù)字輸入模塊( DRT2-ID211: DI16 ×24DC) ［4］; 4 塊16 點(diǎn)數(shù)字輸出模塊( DRT2-OD211:DO16 × 24DC) ［4］。

    按車身控制方案，我們用Cx-Integrator 進(jìn)行總線組態(tài)，在DeviceNet 總線兩端用120 歐的終端電阻終結(jié)。CJ-1W 作為歐姆龍系列PLC 中功能強(qiáng)大的中型模塊式PLC，其編程語(yǔ)言是Cx-programmer，支持梯形圖、指令表、功能圖編程方式，具有結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，用樹(shù)型的形式管理用戶程序以及程序需要的數(shù)據(jù)等。本系統(tǒng)的工作流程框圖( 如圖4) ，簡(jiǎn)述如下:

(1) 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，會(huì)進(jìn)行包括站點(diǎn)故障，總線狀態(tài)，設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)等自檢內(nèi)容，無(wú)故障即可進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。
(2) 當(dāng)運(yùn)行開(kāi)始時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的模式進(jìn)行動(dòng)作; 手動(dòng)模式下，根據(jù)要生產(chǎn)的車型，進(jìn)行如新舊前圍、長(zhǎng)短車型、有無(wú)門洞、有無(wú)舵的切換。
(3) 各個(gè)切換完成后，按下自動(dòng)運(yùn)行模式按鈕，補(bǔ)焊工位會(huì)上件夾緊，并進(jìn)行補(bǔ)焊。
(4) 完成補(bǔ)焊后按下補(bǔ)焊工位控制柜上的“吊具下行”按鈕，吊具會(huì)自動(dòng)從中位平移到補(bǔ)焊工位; 與此同時(shí)補(bǔ)焊位夾具水平翻轉(zhuǎn)，吊具自動(dòng)下降抓件，后升起向總拼位平移。
(5) 此時(shí)會(huì)判斷總拼位圍位是否翻轉(zhuǎn)，如沒(méi)有翻轉(zhuǎn)吊具將在中位停止; 如已經(jīng)翻轉(zhuǎn)吊具會(huì)將板件運(yùn)輸?shù)娇偲磦?cè)圍。放件完畢后吊具會(huì)自動(dòng)升起回到中位，等待下次工作。
(6) 總拼位側(cè)圍接受到板件后會(huì)自動(dòng)夾緊，同側(cè)兩人同時(shí)按下操作盒上側(cè)圍翻轉(zhuǎn)按鈕，側(cè)圍夾具會(huì)垂直翻轉(zhuǎn)。在吊具放件的時(shí)候就可以上地板并夾緊。
(7) 同側(cè)操作人員同時(shí)按下“側(cè)圍前進(jìn)”按鈕，側(cè)圍將平移前進(jìn); 側(cè)圍平移到位后，滑臺(tái)定位銷將下降，此時(shí)車身總裝合成完成; 接著進(jìn)行相關(guān)的焊接工作，如前后梁焊接，車身各個(gè)點(diǎn)焊接，前圍動(dòng)作焊接以及固定焊鉗的自動(dòng)焊接等。
(8) 所有的車身焊接完成后，按下操作盒上的“工作完成”按鈕，總拼位各個(gè)夾具會(huì)自動(dòng)松開(kāi)，接著側(cè)圍滑臺(tái)定位銷自動(dòng)升起; 同側(cè)操作人員同時(shí)按下“側(cè)圍后退”按鈕，側(cè)圍滑臺(tái)自動(dòng)后退平移，滑臺(tái)定位銷在后位下降。到此整個(gè)動(dòng)作循環(huán)結(jié)束。

 

圖4 系統(tǒng)工作流程框圖
 

    本設(shè)備手動(dòng)與自動(dòng)控制、各個(gè)夾具的夾緊打開(kāi)、故障信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)等，均會(huì)通過(guò)主控柜上觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。本系統(tǒng)中設(shè)立的實(shí)時(shí)故障檢測(cè)功能，一方面會(huì)在觸摸屏上顯示報(bào)警地點(diǎn)，另一方面會(huì)使故障部分設(shè)備中斷，確保操作人員安全。

3. 2 觸摸屏軟件的設(shè)計(jì)

    觸摸屏將設(shè)備的分步動(dòng)作功能鍵及顯示集于一體，能方便的操作和監(jiān)控設(shè)備，并顯示當(dāng)前設(shè)備工作的狀態(tài)。選用歐姆龍觸摸屏NS10-TV00B-V2［4］，通過(guò)使用歐姆龍Cx-Designer 組態(tài)軟件提供的多種控制按鈕庫(kù)、圖形控件、功能控件等，可方便的對(duì)設(shè)備所需的顯示和操作進(jìn)行最優(yōu)修改。軟件還可以為不同的操作人員設(shè)立不同的密碼和使用權(quán)限。

   觸摸屏軟件的設(shè)計(jì)包括設(shè)備的分步功能按鈕，各個(gè)動(dòng)作的畫面和信息，并將他們與PLC 程序相連。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)界面，分步工位按鈕，各個(gè)工位氣缸信號(hào)檢測(cè)顯示，報(bào)警顯示以及調(diào)試等界面。如圖5所示為總拼工位主要界面; 圖6 所示為車型滑臺(tái)限位夾具監(jiān)控界面。

 

圖5 總拼工位界面
 

圖6 車型滑臺(tái)限位夾具界面
 

4 結(jié)束語(yǔ)

    本設(shè)計(jì)根據(jù)某公司輕客生產(chǎn)實(shí)際要求，通過(guò)PLC和觸摸屏的聯(lián)合控制，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)操作，提高了控制程序和人機(jī)界面的靈活性，并提供了完善的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，使系統(tǒng)性能更加安全可靠。本車身總裝夾具已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)，單車生產(chǎn)節(jié)拍不超過(guò)360s，有效的保證了車身生產(chǎn)線的節(jié)拍; 設(shè)備通過(guò)近3 萬(wàn)輛車的生產(chǎn)檢測(cè)，設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定、故障檢測(cè)與排除方便，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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