基于PLC的汽车焊装生产线控制系统设计(论文).pdf

2 0 0 8 年第1 期 控制与检测 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 0 8 0 1 0 0 4 7 0 4 基于p l c 的汽车焊装生产线控制系统设计 殷建国 大连职业技术学院 辽宁大连1 1 6 0 3 7 摘要 为了适应汽车焊装生产线柔性化的控制要求 以一个自动焊枪在2 个焊点之间运动的动作程序为 例具体讨论了p l c 控制系统的硬件与软件设计 给出了系统的梯形图及p l c 输a 输出地址对照表 将 p l c 应用于汽车焊装生产线的控制系统中 改变了传统的继电一接触器控制 使得控制更加灵活 设备运 行更加可靠 在不改变硬件接线的条件下 通过改变程序就可改变生产工艺 关键词 汽车 焊装生产线 p l c 应用 中图分类号 t g 6 5 9文献标识码 a p l c b a s e da u t o m o b i l ew e l d i n gp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e md e s i g n y i nj i a n g u o d a l i a nv o c a t i o n a lt e c h n o l o g yc o l l e g e d a l i a n1 16 0 3 7 c h i n a a b s t r a c t f o ra d a p tt oa u t o m o b i l ew e l d i n gp r o d u c t i o nl i n ef l e x i b l ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s t a k eo n eg u na tt w o p o i n t sw e l d i n gp r o c e s sf o re x e m p l i f i c a t i o n d i s c u s s i n gt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h e c o n t r o ls y s t e m a n dg i v e nt h el a d d e rd i a g r a mo ft h es y s t e ma n dt h ep l ci ol i s t p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r u s e di na u t o m o b i l ew e l d i n gp r o d u c t i o nl i n ew i l lr e pl a c et h et r a d i t i o n a lc o n t r o lf u n c t i o nw i t hr e l a ya n dc o n t a c t o r t h ec o n t r o la n do p e r a t i o nw i l lb es m a r ta n dr e l i a b l e f i x e d l yt h ec i r c u i tc o n n e c t i o n r e l yo nc h a n g et h e p r o g r a mb ea b l et oa l t e rt h ep r o c e d u r e s k e yw o r d s a u t o m o b i l e w e l d i n gp r o d u c t i o nl i n e p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra p p l i c a t i o n 0 引言1 汽车焊装生产线的基本组成 随着汽车产品更新换代的加快及个性化的需求 汽车生产设备要适应这种多品种 轮番生产的特点 对 控制系统提出了程序可变的柔性控制要求 采用p l c 的控制系统可以通过改编程序 在不改变硬件的条件 下 便能改变生产工艺 特别是在汽车生产中起到决 定汽车质量和生产效率的焊装生产线上 采用p l c 控 制系统 可以更好的满足柔性控制要求 汽车焊装生 产线主要完成车身侧围 门盖 底板及车身总成的焊接 等任务 从汽车的工业发展的历史来看 汽车焊装生产 线经历了5 0 6 0 年代手工焊装线一7 0 年代的自动化 刚性焊装线一8 0 年代后期的机器人柔性焊装线等阶 段 1 汽车焊装生产线由于自动化程度较高 往往完成 其固定的焊接工作 这就要求焊装生产线具有安全 可 靠 平稳及运行速度可调等功能 这样控制系统采用 p l c 作为控制核心设备是十分合适的 在汽车焊装生 产线中 由于完成的主要工作是部件焊装 在车身焊装 过程中有两个明显的特点 一是具有程序性 指车身制 件焊装的先后顺序 二是在焊装过程中 需要使用专门 的夹具来确定零件或合件的相对位置 并将其夹紧贴 合进行焊接 因而汽车焊装生产线主要是由各工序上 的焊装夹具 自动焊枪以及各工位问进行产品传输的 传送装置组成 1 收稿日期 2 0 0 7 0 9 0 4 修回日期 2 0 0 7 1 0 1 2 作者简介 殷建国 1 9 6 2 一 男 辽宁大连人 大连职业技术学院电气与电子工程技术系副教授 高级工程师 工学硕士 主要研究方向为电气自动 化 e m a i l y i n j i a n g u o 0 1 1 6 3 c o n l 万方数据 控制与检测 组合机床与自动化加工技术 1 1 焊装夹具 焊装夹具是焊装工装的重要组成部分 是焊装件 的定位和夹紧工具 它在焊接过程中确保车身形状 尺寸 精度符合产品图样技术要求 同时焊装夹具的自 动化程度还是影响汽车生产批量的关键因素 在生产 过程中 焊装夹具除了完成本工序的零件组焊 定位 外 还承担检验和校正上道工序焊合件的焊接质量的 任务 因此它的设计制造影响着整个焊接工艺水平 汽 车生产能力及产品质量 焊装夹具一般由支架 夹紧 元件 手动夹紧器或气缸 压板及定位板组成 有的还 带有定位销 1 在焊装夹具的自动控制过程中 只要气缸动作 夹 具就完成夹紧或松开动作 这样 我们可以利用p l c 的 输出点发出信号 控制电磁阀 完成夹具的夹紧与松开 1 2 焊枪 焊枪用来完成车身各组成部件的焊接工作 其安 装方式有固定式 旋转式 移动式或移动 旋转式 因 为车体为三维型体 焊枪一要避开与周围车体的干涉 二要与焊点型面垂直 因而焊枪还要做三维运动 所以 柔性焊装线上的焊枪大多夹持在可作空间三维运动的 机器人手爪上 采用电阻点焊方式的焊枪 焊接过程如下 预 压 电极压紧工件并加预压力的过程 电极通电 在 工件接触处产生局部电阻热 形成溶核的焊接过程 切断电源 维持电极压力 直到溶核凝固 形成焊点的 压力维持过程 松开电极 移至新的焊点位置 开始新 的焊接循环 这几个过程相互配合 合理分配时间 确 保每个过程顺利完成 才能保证车体的焊接质量 4o 焊接控制器是焊枪焊接时必备的设备 它用来控 制焊接过程中的焊接电流及每次焊接循环中各阶段的 时间分配等 一般焊接控制器包含多套焊接规范 用 于不同材料的焊接 在焊枪自动控制过程中 p l c 输出信号控制焊枪 的加压 并输出信号启动焊接控制器 由焊接控制器和 焊接变压器按焊接规范控制焊枪的焊接电流和时间分 配 当焊接过程完成后 焊接控制器输出完成信号 此 信号输入到p l c 由p l c 控制焊枪的卸压及焊枪移至 新的焊点位置 进行新的焊接循环过程 1 3 输送装置 输送装置主要由托板 托板的输送装置 抓取板件 的机械手等机构组成 完成工位问部件的输送任务 4 r 2 汽车焊装生产线p l c 控制系统设计 2 1 p l c 控制系统设计步骤 要想完成汽车焊装生产线p l c 控制系统设计 必须 了解设计的步骤 一般来说主要包括如下几个方面 1 首先要了解汽车焊装生产线的生产工艺以及 控制要求 有时要画出控制系统的工作循环图 流程 图 功能图或时序图 只有完全掌握了生产线的功能 要求 才能有的放矢 完成p l c 控制系统的设计 2 根据生产线对控制的要求 对输入信号及输出 信号在p l c 上分配一个确定的地址编号 一般要列出 现场信号与p l c 输入输出信号地址对照表 3 根据现场信号与p l c 输入输出信号地址对照 表完成p l c 控制系统硬件设计 硬件设计主要包括电 气原理图 电器元件位置图与电气安装接线图等 有 时还要完成控制面板的设计 电气控制柜的设计 标准 件和外购件清单列写等 4 根据控制要求设计梯形图 梯形图设计时 一 般要加一些标注 目的是为了阅读及调试时容易理解 这些标注要与现场信号与p l c 输入输出信号地址对照 表的元件注释一致 5 如果用手持编程器进行程序输入 要将梯形图 转换成指令语句表 如果用便携式图形编程器或计算 机进行编程及程序输入 p l c 编程软件可以自动进行 程序的各种形式转换 不需人为进行梯形图到指令语 句表的转换 2 2 系统设计 现在以某焊接生产线上的一把自动焊枪为例 介 绍p l c 控制系统设计方法 控制要求 此自动焊枪可以进行手动和自动控制 能够完成2 个焊点的焊接任务 焊枪在原点上升即可 到达焊点1 位置 要想到达焊点2 位置 为了避免与车 体部件干涉 需要在原点前进后再上升才能到达 焊 枪要完成2 个焊点的自动焊接任务动作程序为 原点 自动启动一上升一加压一焊接1 一卸压一下降一前进 一上升一加压一焊接2 一卸压一下降一后退一原点结 束 焊枪动作由气缸驱动 前进 后退 上升 下降气缸 分别由双线圈两位电磁阀控制 加压气缸由单线圈电 磁阀控制 焊枪焊接由焊接控制器控制 控制系统应 有相应的指示与保护功能 采用松下f p l 系列p l c 进 行控制 1 控制系统分析 万方数据 2 0 0 8 年第1 期 控制与检测 现以焊枪自动控制为例来进行分析 输入信号 焊枪应能手动和自动控制 用s a l 选 择开关来进行转换 1 为自动 0 为手动 s b l 为焊枪自 动启动按钮 s b 2 为急停按钮 焊接控制器故障报警信 号t c 2 5 焊接结束信号t c 2 3 需输入到p l c 焊枪后位 行程开关s q l 前位行程开关s q 2 下位行程开关s q 3 上位行程开关s q 4 信号需输入到p l c 气动系统压力 开关s p 信号需输入到p l c 这样共需输入点1 0 个 输出信号 焊枪需要前进 后退 上升 下降及加 压 则需要3 只气缸进行驱动 共5 个电磁阀 设前进 后退电磁阀为y v l a y v l b 上形下降电磁阀为 y v 2 a y v 2 b 加压电磁阀为y v 3 启动焊接控制器需 中间继电器k a l 气源故障指示灯为h l l 焊接故障报 警指示灯为h l 2 这样共需输出点8 个 2 p l c 输入输出对照表 为每个输入与输出信号安排一个地址 如表1 所示 表1p l c 输入输出信号地址对照表 输入信号输出信号 输入点输出点 名称代号 名称 代号 编号编号 自动 手动选择开关s a l x 0 焊枪前进电磁阀 y v l ay o 自动启动按钮s b lx 1 焊枪后退电磁阀 y v l by l 急停按钮 s b 2x 2 焊枪上升电磁阀 y v 2 ay 2 故障报警信号 t c 2 5x 3 焊枪下降电磁阀 y v 2 by 3 焊接结束信号 t c 2 3x 4 焊枪加压电磁阀 y v 3y 4 焊枪后位行程开关s q l x 5 启动焊接继电器 k a ly 5 焊枪前位行程开关 s q 2 x 6 气源故障指示灯 h l ly 6 焊枪下位行程开关 s q 3 x 7 焊接故障报警指示灯 h l 2y 7 焊枪上位行程开关 s q 4 x 8 压力开关 s px 9 3 p l c 控制系统硬件设计 根据控制系统的要求和对照表输入输出点的安 排 画出p l c 输人 输出接线图如图1 所示 0 l a c 2 2 0 v fo n y c o m p c 2 y o 卜 x c o m y l 肛 一 一 x 0 七 一 x 1y 2 卜一 一x 2 y 3 肛 一x 3 一 一 x 4 y 4 乎 o x 5 口一 x 6 y 5 l 一 厂 x 7 眦y 6 一 嚣f p lc 7 2 y 7 岖卜 一 自p 图1p l c 输入 输出接线图 4 设计梯形图 按照自动工作状态进行程序设计 为了避免双线 圈输出 在编程时利用辅助继电器作为中间输出 然后 将同一动作功能的辅助继电器触点并联来驱动输出继 电器 由于焊枪在启动自动焊接时 夹具必须全部夹 紧 假设辅助继电器r 1 5 为夹具全部夹紧信号 梯形 图如图2 所示 片忆日硎片倭盈明 x ox 3黔r 1 5 2m 7 i 1虹7 妇 480 t t 蝴i j 穗畹船 r k 4 9 卜 姚i lj 1 卤广期融e盟 r 蚰 艇 r 俨1 0 k l 虹 tio 哇c l 沁x 4r 4 e 2h d 勘 i j 硒r 4 f您 r 蛆 姚 f t l 4 x 1 1 k 1 幻 童i l麟0勉肇幔 l 断l 扣x 7髓1 2 骖0 站o l 蛞 髓贴2 2 驴1 站1l 魅l 船瞄 2 r 5 2 墼 r i水1 2 k 1 虹 t 1 2 驴3 e 3x 4肺5稃鲰 s 4 i lj a s 4r 5 6怼 r 5 5 盎s 5 f t i i i 1 3 k 1 订 1 3r 5 7辑擎6 站6l 5 6 x 7 肥 稃 擎7 l 贻7 卓 7 5p 5 8 糖出点接向 一r s 0 y o f 一 7 1l 翰 2 站1 妒 3 嗡l 盛一弘 站2 地 pl 型 y 6 盖t 7 二 lj 即卜 自动就绪 自动启动 自动启动 焊枪上升 焊枪加压 加压时问 焊枪1 点焊接 第1 点焊接结柬 焊枪卸压 卸压时闻 焊枪下降 焊枪前进 焊枪上升 焊枪加压 加压时间 焊枪2 点焊接 第2 点焊接结束 焊枪2 卸压 卸压时阅 焊枪下降 焊枪后退 焊接全部结束 焊枪前迸 焊枪后退 焊枪上升 焊枪下降 焊枪如压 启动焊接 气源故障指示 焊接故障指示 图2 梯形图 3结束语 随着汽车工业的迅猛发展 汽车生产厂家越来越 4 9 a b a b m m m m m 眦 m 眦 万方数据 控制与检测 组合机床与自动化加工技术 多地采用自动化生产线投入汽车的生产之中 在汽车 焊装生产线的自动控制过程中 p l c 作为控制核心设 备已成为人们的首选 将p l c 应用于汽车生产线的控 制系统中 使得生产线在需要改变生产工艺的情况下 只要改变p l c 的控制程序即可达到控制要求 不需对 硬件接线做较大的调整 减少了大量维修工作 使得设 备运行更加安全可靠 1 参考文献 1 彭振国 在汽车制造中的焊接技术现状及发展趋势 j 现代焊接 2 0 0 6 8 5 9 2 张彩云 电阻焊接技术及其应用设备 j 电子 1 二艺技术 2 0 0 3 5 2 0 1 2 0 3 3 丁华明 浅谈车体焊装生产线制造装配技术和工艺 j 汽车工艺与材料 t 9 9 8 8 3 5 3 8 4 刘永胜 王志勇 钟鼎 等 新型点焊机控制系统的研制 j 天津理工大学学报 2 0 0 5 4 2 5 2 7 5 殷建国 可编程序控制器及其应用 m 北京 机械工业 出版社 2 0 0 6 6 李国厚 p l c 原理与应用 m 北京 机械工业出版社 2 0 0 5 编辑李秀敏 上接第3 7 页 于是有 m a x c a b t 1 x1 4x c 2 2 0 7 5 2 1 6 0 s i n a r c t a n 朵 月 一 3 4 1 斗 对不同的砂轮直径采用相同的计算方法 则可以 得到下表1 所示数据 表l不同砂轮直径下加工槽腔宽度误差 砂轮直径 2 1 6 02 1 6 5 2 1 7 0 2 1 7 5 2 1 8 0 2 1 8 5 2 1 9 0 2 1 9 5 2 2 o o d m m 宽度误差 m a x a b 3 4 1 3 0 52 6 92 3 31 9 71 6 21 2 68 9 85 3 9 i x m 3讨论 1 由预估公式可知修整后砂轮允许最小直径 d 晌为2 1 8 4 0 7 m m 而在后面的实际误差计算中因为槽 宽公差减去磨削加工相应加工误差后所剩下的允许误 差量e 5 0 9 4 1i x m 又由图2 可知需满足m a x 1 曰 了a te 2 0 5 i l m 当m a x b 1 9 7 2 0 5 斗m 二 由表1 可知满足条件的砂轮直径为2 1 8 0 m m 这就是 实际修整时砂轮允许最小直径值 采用预估公式得到 的修整后砂轮允许最小直径d 2 1 8 4 0 7 m m 和实际 值2 1 8 0 r a m 是很接近的 这是因为在算例中最大压力 角和许用压力角的差值不是很大 为5 7 8 若差值 很大的话可能会有点出人 但是在这种情况下采用预 估公式的结果还是偏于保守的 故是可行的 2 由上面可知砂轮直径可供修整量2 3 4 3 仙m 而 普通砂轮很容易磨损 且每次修整 的量一般为2 0 1 山m 左右 采用金刚石滚轮修整 h 1 故对于普通砂轮来说 可供修整的余地不大 若采用c b n 砂轮来进行磨削 由于其良好的耐磨性 且砂轮的修整精度是可以达到 1 斗m h l 故c b n 砂轮相比于普通砂轮来说更适合于圆 柱凸轮导槽侧表面的精加工 s 0 4结论 采用目前普遍采用的坐标转换公式进行圆柱凸轮 导槽侧表面的数控磨削加工时由于砂轮半径的变小使 得砂轮和槽宽不相等会产生槽宽误差 并且砂轮直径 越小 槽宽误差b 越大 本文提出一个简单的公式来 对修整后砂轮允许的最小直径d i 进行预报 d i b 一2 e a 式中 e 为槽宽公差减去磨削加工公差后所剩 下的宽度误差允许量 a 为圆柱凸轮半径r 和导槽深 度日的比值 日为要加工的圆柱凸轮导槽槽宽 在实 际加工中d 是和圆柱凸轮的最大压力角 一般小于 许用压力角 有关的 故采用预估公式得到的d 是比 实际加工中的砂轮允许修整最小直径要大些 但是两者 很接近 故采用预估公式的结果对磨削加工圆柱凸轮导 槽侧面时砂轮允许的最小直径进行预估是可行的 另一面由于c b n 砂轮有比较好的耐磨性 且修整 精度也比较高 所以采用c b n 砂轮来进行圆柱凸轮导 槽数控磨削加工比采用普通砂轮更合适 参考文献 1 彭国勋 肖正扬 自动机构的凸轮机构设计 m 北京 机 械工业出版社 1 9 9 0 2 朱国文 彭芳瑜 周云飞 宽槽圆柱凸轮数控加工的研究 j 机械工艺师 2 0 0 0 4 3 q i u s h e n gy a n z i q i a n gz h a n g c b nq u i l lg r i n d i n gf o r2 d i m e n s i o n a lc u r v e ds u r f a c e k e ye n g i n e e r i n gm a t e r i a l sv o l s 2 3 3 2 3 6 2 0 0 3 5 0 9 5 1 4 4 杨叔子 机械加工工艺师手册 m 北京 机械工业出版 社 2 0 0 2 5 李益民 机械制造工艺设计简明手册 m 北京 机械工业 出版社 1 9 9 3 6 任嘉卉 公差与配合手册 m 北京 机械工业出版社 1 9 9 0 7 冯之敬 庄司克雄 周立波 等 小直径c b n 砂轮修整精度 的研究 j 清华大学学报 1 9 9 4 3 4 5 编辑李秀敏 万方数据 基于plc的汽车焊装生产线控制系统设计基于plc的汽