基于S7－200PLC的汽车后桥焊接专机控制系统

2015-05-07潘垚锟

机械设计与制造工程 2015年1期

潘垚锟，刘波

(中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051)

后桥是汽车关键部件之一，起支撑作用，受力复杂，承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力［1－2］。焊接是后桥生产制造过程中主要的加工方式，对于大批量、自动化程度要求高的大型汽车企业，常采用机器人工作站焊接生产线的方式，通过一个个工作站的焊接作业，完成对后桥的焊接。对于小批量或者专职零部件生产的企业，从经济成本的角度来看，可以采用焊接专机来替代工作站，采取气动或电动控制夹紧，用PLC控制整个系统完成整个焊接过程。本文介绍的就是这样一种由PLC控制的低成本、高精度的后桥焊接专机系统，专机在设计时采用伺服电机控制工件，从而达到更高的精度。

1 系统简介

该专机系统需要焊两道焊缝，分别是桥壳盖与桥体之间的焊缝和桥体与加强圈之间的焊缝。这两道焊缝为两道规则的圆形环焊缝［3］，从设计和经济的角度分析，采用“焊枪不动，工件旋转”的设计方案。在工件定位夹紧、气缸将焊枪送进到位后，开始送丝引弧，进行焊接作业。在此过程中，焊枪固定不动，由专机系统通过驱动器控制伺服电机带动工件以一定的速度进行旋转，完成焊接。

采用二氧化碳和氩气混合气保护焊的焊接方法进行自动焊接，具有生产效率高、对油锈不敏感、焊接变形小、冷裂纹倾向小、采用明弧焊接、操作简单、成本低等优点，同时避免了单独使用二氧化碳气体焊出的焊缝发黑、飞溅物较多的缺点。

2 机械系统和工艺流程

图1 系统设备示意图

专机系统可分成机械系统和电气系统。专机系统整体构造如图1所示，包括电气柜、焊机电源、焊枪、气缸等。为便于装卡，在专机焊接前一道工序时，已将桥壳盖、桥体和加强圈之间进行了点焊，使之相连。采用三爪卡盘定位，压紧气缸压紧的方式对工件进行定位夹紧。三爪卡盘撑出对工件定位，仅剩x方向的转动自由度［4］，压紧气缸起固定作用，保证加工精度。三爪卡盘一端用来定位工件，另一端与伺服电机相连，焊接时，通过伺服电机带动三爪卡盘进而带动工件旋转。焊枪固定在送进气缸上，由气缸带动运动，气缸搭载在可调的平台上［5］，平台可对焊枪的焊接角度和空间位置进行调整，以达到最佳焊接效果。两道焊缝的工艺要求不同，焊枪的焊接电压和电流也不一样，设定左焊枪电流190A，电压21.0V，右焊枪电流200A，电压 24.4V。

为便于装卸工件，选择脚踏开关控制定位夹紧气缸。装卡时，工人操作吊具将工件放置在合适位置，控制脚踏开关完成对工件的定位夹紧。脚踏开关设置4次为一循环周期，第一次是三爪卡盘撑开;第二次是压紧气缸压紧;第三次是压紧气缸收回;第四次是三爪卡盘收回。借助脚踏开关，一个工人即可完成整个后桥专机焊接操作，节约了企业的人力成本。

系统运行分手动和自动两种模式，手动模式在调试时使用，在系统进入正常生产使用时必须选择自动模式。手动模式下，工件装卡后，按下控制台的点动按钮手动控制系统焊接。控制台上有焊接、点动、复位和急停4个按钮，借助控制台可方便地操作系统。自动模式下，工件装卡后，按下控制台的焊接按钮，自动完成整个焊接过程。焊接时若出现紧急情况，可按下急停按钮，系统停止。按下复位按钮，将使所有气缸回到初始位置。

焊接时，气缸送进焊枪，引弧焊接，同时伺服驱动器控制伺服电机旋转以完成焊接作业;焊接完成后，伺服驱动器控制电机停止旋转，气缸收回带动焊枪回位，工人卸件。调试时，进行焊枪角度和位置的相关调整，调试完成后进入批量生产，除工件装卸和定位夹紧需要人工操作外，其余过程可实现自动化生产，无需额外操作。系统流程图如图2所示。

图2 控制系统流程图

3 控制系统

3.1 控制系统主体设计

专机控制系统主要包括对自动焊接过程的控制和监控。根据设计要求，选择“触摸屏+PLC”的控制系统设计方案［6－7］。系统的主结构图如图3所示，控制系统由触摸屏、S7－200PLC、伺服驱动器、2台焊机等构成。选择昆仑通态触摸屏设计人机交互界面，触摸屏通过RS485总线和焊机相连，可实现电流、电压等实时数据的更改与监控;通过PPI电缆和PLC相连，实现信息的交互。PLC通过IO电缆控制焊机、伺服驱动器和焊接系统的其他构件。伺服电机由伺服驱动器控制，可实现电机的启停、正反转和精准的速度控制。

图3 系统的主结构图

3.2 焊机控制

焊机选择松下的YD－350GR型焊机，是全数字CO2/MAG焊机，支持CO2焊接、MAG焊接、不锈钢MIG焊接等多种焊接方法。通过全数字控制，从小电流领域到大电流，均可对电流状态进行极其精细的控制，实现持续稳定的焊接。

焊机控制首先建立与专机的通讯。焊机通过DCT与专机通讯，DCT是专用的配置软件。通讯方式为 2线半双工 RS485总线，波特率为19 200bps，8位数据，无校验，1位停止位。作为主动方，PLC发送完数据后会等待DCT的回复，如果DCT接受后并校验正确，回复给PLC一个确认代码，PLC可以继续发送下一个数据。如果PLC发送数据后，DCT校验不正确，会返回校验错误代码，则PLC接收到后应该重发。此过程称为握手。

握手成功后，设置焊机的控制模式，需对电源输出、检气控制、电机转动控制和电机方向控制的控制模式进行设置，焊机电源的动作方式可通过串口数据指令实现，也可通过端子台控制，这里选择的是端子台控制方式。

设置焊机的预置参数，包括电流、电压、丝径、材质等参数，成功后，焊机接收并校验正确回复。在一台PLC同时控制多台焊机时，如果焊接过程中所有焊机都需要修改焊接电流电压，且时序要求比较严格的情况下，必须在待机时就将焊接过程中要用到的规范存储于焊机内，在焊接时通过焊枪开关的切换来实现规范的修改，在焊接过程中是不允许修改丝径、材质、气体等信息的。

设置焊机的动作指令，指的是PLC需要给焊机发送的指令。焊接电源的动作可通过指令方式控制，也可选择IO接口方式控制，在本系统中选择IO接口方式对焊机电源进行控制。

专机焊接选择无收弧焊接，其特点是可直接进行主焊接，焊枪开关“ON”时，电弧产生，焊枪开关“OFF”时，电弧停止，无收弧操作。专机设计为自动焊接作业，伺服系统可以精准控制旋转角度，保证焊接到位，无需收弧操作。

3.3 伺服电机控制设计

此前的专机常采用气缸、电机、接触器、电磁阀、行程开关相互配合从而完成焊接工作，无法实现自动化操作，整体机械结构复杂繁琐，可靠性和焊接精度更难以把控。本文介绍的焊接专机在精度上选用伺服系统来控制，伺服系统是根据给定值来控制物体的位置、方位、状态等的自动控制系统，可精确地跟随或复现某个过程，具有简化操作、数据采集以及可重复性等特点。

伺服驱动器和伺服电机分别选择台达的ASDA－A2系列和ECMA系列。台达的伺服系统已经非常成熟，拥有专业的控制软件，可在电脑上对驱动器进行参数设置并对电机进行调试。ECMA伺服电机搭配高精度20－bit等级(1 280 000 p/rev)编码器，提升定位精度与低速运转稳定度，速度响应频宽为1kHz，命令整定时间在1ms之内，速度由－3 000r/min加至3 000r/min，加速时间只需7ms。后桥焊接要求专机具备高精度和高反应速度，伺服系统优异的性能可满足焊接要求，为焊接系统提供了良好的保障。

设计要求电机低速转动，但长时间的低速转动会损伤伺服电机，影响定位精度，因此采用选择加减速器的方法以满足设计要求。选择二级齿轮减速器，一级减速比为80∶1，二级减速比为23∶8，总减速比为230:1。三爪卡盘每转分成3 600 000分，即每3 600 000用户脉冲对应焊接角位移360°。根据相关公式计算电子齿轮比为:

调试时，驱动器与电脑相连，通过电脑对操作模式、电子齿轮比、增益系数、脉冲数等进行设置，将设置值保存。操作模式选择PR位置模式，驱动器接受位置命令，命令由内部寄存器提供，利用DI信号选择寄存器编号。在此模式下，PLC可通过IO电缆控制伺服驱动器，PLC的输出选择合适的步，完成相应动作;PLC的输入监控伺服系统的运行。

3.4 操作面板设计

焊接专机系统操作面板主要用于系统的监控和参数设置［8－9］，分3排布置。第一排是触摸屏，触摸屏上显示各气缸状态，左右焊枪的焊接电流、电压，可根据焊接工艺，写入新的电流和电压，也可通过触摸屏对气缸和焊枪进行操作控制。第二排显示电源通断情况，借助5个指示灯，分别显示系统的主电源、焊机电源1、焊机电源2、电机电源和控制电源这5部分电源通断情况，监测系统电源情况。第三排是4个选择开关，分别对运行状态、运行模式、产品类型、主电源通断进行控制，在焊接操作前，需对各选择开关进行正确选择。