基于PLC的叉车车架焊接生产线系统的设计

范 维，杨 洋，王迪阳，魏宗强，李 萌

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

中厚板结构件焊接是装备制造中的一道重要生产工序。国内工程机械、铁路机车、煤矿机械、航天军工和能源动力等行业已经在该工序中大量使用焊接机器人，以提高产品质量，减轻工人劳动强度，提升生产效率和降低生产成本。孤立于生产车间上下游工序的焊接机器人系统，虽然能够在单一焊接工序中具有上述优点，但是由于孤立的焊接机器人系统在结构件车间中往往存在物流不畅和人工干预过多等问题，因此对生产线乃至于整体车间的运营效率的提升总是不尽如人意。我公司和某知名叉车制造企业合作，研制了小吨位叉车车架自动焊接生产线，通过使用柔性制造系统将机器人系统和上下游工序有机而紧密地联系在一起，较好地解决了叉车车架焊接小批量、多品种的生产难点，通过自动识别系统、柔性自动工装夹具、焊接机器人、搬运机器人和自动输送辊道的集成实现了多品种车架的混线柔性自动焊接。该生产线的自动化和智能化水平达到同行业领先水平，成为业界标杆项目。

1 叉车车架焊接生产线的组成

叉车车架是整个车辆的基体，叉车的所有配件都直接或间接地安装在车架上。叉车车架支撑着各叉车配件的重量和货物的重量，承受着各种力、力矩和载荷，如发动机的转矩、叉车车轮的支反力、侧向力、制动和惯性力、各种冲击力等。叉车车架既要保证各配件有正确的相对位置，同时还是安放燃油箱、叉车液压油箱的构件。叉车车架的前端支承在驱动桥上，用螺栓与驱动桥刚性联接，后端通过中间铰轴承载在转向桥上。叉车车架的结构保证了叉车的轴距，为了保证叉车的稳定，平衡货物重量产生的倾复力矩，在车架的后端装有平衡重（配重）。叉车车架前端安装有前围板，用来安装叉车名牌、仪表盘、转向管柱等件，并起到保护叉车驾驶员安全的作用。

因此，车架的制造是叉车生产的一个重要环节。按照客户要求，该生产线需完成5个系列3种吨位的车架共计17种型号的自动化焊接。该焊接生产线的工艺流程为：车架组装→贴车架物料信息码→组装完工件自组装模具吊运至输送单元→人工在输送线上打底及安装焊接夹具用工装→车架物料信息确认（车架识别）→搬运机器人从输送线上料位取待焊车架→搬运机器人至焊接机器人工作站进行上下件工作→下件待料架滑板小车将焊接完工的车架移至下料输送线→补焊工位操作人员从下料输送线上取车架进行补焊（吊取车架时拆卸安装在车架上的工装）→补焊完毕后人工调至车架二焊接区。整条生产线的布局图如图1所示，主要包括有：上线输送系统、搬运机器人系统、七套机器人焊接工作站、下线输送系统和生产线控制系统。

图1 焊接生产线总布局图

2 基于PLC的控制系统的组成

焊接生产线的控制系统组成如图2所示，由三级系统组成：基础自动化级、过程控制级和生产管理级。该控制系统具有以下功能：机器人系统的控制；输送系统的控制；与上位机的通讯；开关状态和各种运行报警等都在触摸屏上显示；提供开关检测和各种运行报警等功能等。控制方式有调试模式、手动模式和全自动模式等。

图2 焊接生产线控制系统组成

基础自动化级是整个控制系统的核心，直接控制现场各个设备运行并采集传感器信号状态。本项目选用西门子s7-1500系列PLC作为总站，选用ET200SP远程I/O作为从站，采用现场总线进行输入输出扩展，总控系统负责整个焊接生产线的逻辑控制、数据处理、设备信息交互与协调，从站负责信号采集。整个系统具有自动、手动以及调试模式多种运行模式之间的切换功能，该控制系统实现了输送机和旋转台启停控制、工件条码信息读取、与库卡机器人进行信号交互协调、变位机夹具自动夹紧松开工件、与上位机系统的通讯等功能。在整个控制过程中，PLC控制系统与现场人机界面以及工控上位机监控系统进行实时交互，进而将整条焊接生产线的生产状态、系统故障信息、机器人的运行状态、开关状态和各种报警信息等在触摸屏和上位机上显示和存储，便于生产过程追溯。

过程控制级是系统的上位监控系统，选用研华工控机作为硬件，采用WINCC组态软件与PLC系统、焊接机器人系统、条码管理系统进行交互，采集现场设备数据，通过图形化技术对生产线状态进行显示。此外，该系统还可以与厂级的生产管理系统进行对接，实现数据上传。该生产线监控系统主要功能有：生产计划导入功能、生产线状态显示功能、设备管理功能、焊接参数显示功能、看板显示功能和数据存储功能。

3 PLC控制系统的设计

PLC控制系统在生产线中处于核心控制地位，负责协调控制工件上下料输送系统，协调焊接机器人与工装夹具，协调搬运机器人的运行调度，并通过人机界面和现场操作按钮以及指示灯进行状态显示和信息输入。通过模块化的编程思想，PLC程序运行稳定性和可靠性大大提高，同时也极大地提高了项目调试进度。

3.1 PLC的硬件设计

该焊接生产线集成了工件输送系统、搬运机器人系统、下料输送小车、机器人自动焊接系统和焊接自动工装系统，输入信号主要有按钮开关、工件检测传感器、气缸磁性开关等，输出信号有电机启动停止、电磁阀、机器人启动停止、现场指示灯等。基于模块化和可扩展性的设计原则，该控制系统采用集中控制和分散控制相结合的方式，总控柜选用西门子S7-1500控制器作为控制核心，现场输入输出信号就近汇入ET200SP远程控制站中，总控柜和远程控制站通过PROFINET协议进行通信，数据通信稳定，实时可靠。输送线电机由西门子G120变频器进行调速控制，变频器通过PROFINET协议与PLC进行数据通信。库卡机器人也通过PROFINET协议与PLC系统进行数据交互。系统设计框图如图3所示。此外，基于分区控制的原理，该系统将整条生产线划分为三个功能区域，分别为上线输送区、自动焊接区、自动下线输送区，每个区域都设计有独立的操作台，可分别对该区域的三种操作模式（调试模式、手动模式和自动模式操作模式）进行切换。在这三种模式中，有一定的优先级顺序：调试模式级别最高，然后是手动模式，最后是自动模式。现场操作台如图4所示。

图3 系统设计框图

图4 现场操作台

3.2 PLC的软件设计

PLC软件设计基于模块化设计理念，同一功能编写为功能块重复调用，如输送电机的控制流程和焊接机器人的控制流程，调用时只需要改变对应的输入输出地址即可，这样既极大地提高了编程效率，也降低了程序出错率。

3.2.1 工件条码识别程序设计

为了满足多种型号车架同时上线进行混线焊接的生产需求，该自动焊接生产线使用纸质条形码粘贴在车架上作为每一台车架的身份标识，通过工件二次识别系统获得该门架的身份标识，通过该标识在PLC控制系统中的存储和传递，实现搬运机器人和焊接机器人调用不同执行程序的功能。项目采用康耐视固定式条形码阅读器读取条码信息，当工件通过输送系统流转到读码工位时，启动条码阅读器读取条码，读取成功后将该条码信息上传到上位机中，上位机通过简析条码信息，检索数据库得到一个机器人程序代号，然后再传给PLC控制系统，PLC接收到正确的机器人程序代号后通知搬运机器人进行抓取，程序流程图如图5所示。

图5 工件条码识别流程图

3.2.2 输送线控制程序设计

该焊接生产线输送系统需满足多种型号车架的输送。输送线采用链板式输送系统，驱动采用普通三相交流电机，满足最大承载要求，输送速度最大可达10m/min，正反向可调，速度变频可调。输送线采用模块化设计，既可以独立工作也可以联合工作，控制采用分段控制。线体连接处采用无动力滚筒过渡，保证工件输送的平稳性。输送线辊道结构示意图如图6所示。

图6 输送线辊道结构示意图

整条生产线共有15段独立的输送辊道，每节辊道上安装有进入、减速和停止三个传感器，用于反馈辊道上当前运行状态。每节辊道都在线体边上设置有手动操作按钮盒，用于在手动或调试模式下手动运行辊道。辊道电机使用西门子变频器进行调速控制，启停平稳，速度可调。采用模块化编程思想，辊道控制编写一个通用程序块，不同辊道运行程序调用这个通用程序块。辊道运行有手动、自动和调试三种模式，手动模式和调试模式下通过按钮来点动控制辊道运行，运行中若碰到减速开关则减速，若碰到运动停止开关则运行停止，需要重新按下按钮。自动模式下，辊道的启停通过与前后辊道的状态交互接口来进行控制，当前一节辊道请求搬出工件而本辊道为空时，辊道启动接收工件直到检测到工件停止开关；当本辊道有工件并且下一辊道为空时，则辊道启动将工件输送到下一节辊道，当接收到下一节辊道接收完成信号时本辊道停止运行。该程序块还有完善的故障监测功能：硬件故障、传感器信号消失故障、辊道运行超时故障等。辊道运行程序流程图如图7所示。

图7 辊道运行程序流程图

3.2.3 搬运机器人控制程序设计

搬运机器人系统包括一台负载为1 吨的库卡KR1000titan六轴机器人、一套直线导轨行走机构和一套工件抓取手抓。机器人行走伺服电机采用机器人外部轴控制方式，工件手抓采用气缸加链条驱动的夹报式结构，气缸控制由PLC系统来完成，PLC和机器人控制系统之间通过工业以太网协议进行通信，通过信号映射的方式实现数据实时交互。搬运机器人上电后切换到外部自动模式后等待PLC传送相应的程序号，机器人通过程序号选择执行对应的子程序模块，完成焊接站上件、输送线取件和焊接站下件等工作任务。PLC程序要根据当前上料抓取位、焊接工作站、下料小车的实时状态、搬运机器人当前位置等信息，调用基于时间片轮询的调度算法计算得到搬运机器人的待执行工作任务号，PLC控制系统将计算出的工作任务号发给机器人，机器人执行完相应任务后等待下一个任务。搬运机器人工作流程如图8所示。

图8 搬运机器人工作流程图

3.2.4 焊接工作站控制程序设计

焊接工作站由一台倒挂式库卡KR1610焊接机器人、一台多轴伺服变位机、一套具有旋转和升降功能的机器人支撑机构、一台福尼斯数字化焊机，以及水冷焊枪、清枪剪丝、水冷机、焊接枪缆等组成。焊接工作站现场图如图9所示。

图9 焊接工作站现场图

夹具系统由多个气缸组成，由PLC进行控制气缸的打开和关闭，完成车架的定位和夹紧工作。夹具夹紧完成后PLC系统将搬运机器人系统传送过来的焊接程序号传送给焊接机器人，焊接机器人和PLC直接通过Profinet协议进行通信，两者通过IO映射的方式完成信号交互，PLC发送程序号、启动停止等信号给机器人，机器人发送机器人状态、焊接完成信号、焊接故障、焊接电流、焊接电压等信息给PLC。当机器人发生故障时，在每个工作站的三色灯上进行声光显示，方便提醒操作人员及时处理。焊接工作站的工作流程如图10所示。

图10 焊接工作站工作流程图

3.2.5 系统报警程序设计

该控制系统设计有完善的故障报警和处理显示程序。根据故障类型分为警告和报警两种，警告发生时不影响生产线运行，但会有信息提示；报警发生时对应区域的设备停机，保证设备和人员安全。现场人机界面上有故障信息提示，操作人员可根据信息提示进行故障处理后复位故障，重新启动。图11为焊接站的故障处理流程图。

图11 焊接站的故障处理流程图

3.2.6 人机界面设计

为了更好的方面现场操作人员进行生产线的操作与控制，该项目选用西门子TP1200系列精致面板开发了人机操作界面。人机界面的功能有设备状态显示、生产统计、参数设定、报警信息显示等。部分显示画面如图12所示。

图12 人机界面图

4 结语

该项目基于西门子S7-1500系列PLC设计了叉车车架焊接生产线的控制系统。该生产线自投产以来，运行稳定可靠，已上线产品达17种，完全达到了设计要求，客户非常满意。部分现场运行图如图13所示。该项目的成功实施不但大大减轻了工人的劳动强度，缩短了车架焊接时间，而且提高了车架的焊接质量和全车间的生产效率，在业界具有很好的示范效应。

图13 叉车车架焊接生产线现场运行图