【《基于PLC的某汽车产线中弧焊工作站控制系统设计案例》5100字】

基于PLC的某汽车产线中弧焊工作站控制系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2982基于PLC的某汽车产线中弧焊工作站控制系统设计案例 1115321.1控制系统原理 193901.2机器人控制 285711.2.1机器人初始化程序 2231441.2.2机器人主程序 2210751.2.3机器人作业程序 3123941.3PLC控制 5314391.4工作站逻辑控制 628381.4.1仿真组件设置 6295831.4.2仿真组件连接 7305061.4.3工作站逻辑设置 8231551.4.4事件管理器设置 9140111.5碰撞检测设定 9241051.6检测设置 1017941.7人机交互设置 11295001.8节拍控制 111.1控制系统原理如图6-1所示，PLC作为控制核心，统一协调外部设备。四台机器人需要通过信号将所在位置反馈给PLC，PLC根据信号逻辑对进入干涉区的机器人进行控制。同时PLC也肩负控制转台和夹具的角色，需要PLC控制电机的旋转方向和速度，PLC对于气路电磁阀的控制进而通过控制气体流行控制气缸动作，动作执行过程由磁性开关反馈给PLC，使得工作站构成闭环系统，提高控制精度。图6-1控制系统原理图在编程中，将汽车侧围搬运机器人命名为RB1，焊接机器人命名为RB2，焊接附件搬运机器人命名为RB3，检测机器人命名为RB4。1.2机器人控制根据工作站设计要求，四台工业机器人需要执行不同的动作，同时搭载不同的末端执行器。对于汽车侧围搬运机器人而言，需要配有行走轴以增加其运动范围，在设计中将行走轴作为机器人的第七轴。由于第七轴对机器人本体而言作为外部轴，在初次配置时需要设置电机的减速比、回转量、脉冲数、零点、温度、电流及过载电流等参数。在仿真软件中，需要将其创建为搬运机器人的机械装置即可，控制添加进搬运机器人控制器，作为机器人的第七轴。在RobotStudio软件中，机器人本体可以从库中根据需求调取合适的型号，并为其创建控制系统，由于此设计有四台机器人，为了示教器统一显示，在创建机器人系统之初需要打开软件中的MultiMove功能，方便调试。由于RB1机器人需要与其他三台机器人协同工作，并且RB1机器人拥有行走轴，需要设置RB1机器人行走轴的上下限位，添加的行走导轨长度为4000mm，设置其下限为0，上限为3700mm。RB1机器人的程序分为三部分：初始化程序，主程序，作业程序 。1.2.1机器人初始化程序初始化程序“Initialize”是将所有信号复位，机器人回归原点，外部轴回归home点，向PLC输出home点到位信号，等待PLC的下一步指令信号，如图6-2所示。图6-2搬运机器人初始化程序1.2.2机器人主程序主程序“main”类似与C语言中的主程序，主程序作为程序的核心部分，也是程序开始执行的地方，在主程序中根据PLC的输入信号调用不同的作业程序作业。在搬运机器人的主程序中，首先调用初始化程序，然后对输入信号DI0的状态进行判断，若输入信号DI0的状态为1，则证明程序可以进入作业阶段；作业程序根据PLC输入的DI10信号数值进行判断，满足条件即可执行对应的作业程序，如图6-3所示。图6-3搬运机器人主程序1.2.3机器人作业程序“Cewei_1”、“Cewei_2”为两个不同的作业程序，作业程序可以拥有多个，面对不同类型的工件和机器人末端执行器可以实现柔性切换，不拘泥于单个大批量生产。在企业生产中，通常一条产线会生产不同的型号的产品，在程序中使用BCD代码来代表不同类型的零件。在多程序切换中，程序切换的索引为输入信号，不同的输入信号代表不同的BCD代码，会调用不同的作业程序，如图6-4，6-5所示。图6-4侧围2抓取搬运程序图6-5侧围1抓取程序在此工作站中，侧围工件1和2分为汽车前驱侧围和汽车后驱侧围，由于抓取点设置在零件的公共部分，故可以使用同一台机器人末端执行器抓取。在抓取程序中，需要对抓取和放置点进行采集验证，运行轨迹中的过度点可以根据节拍要求和干涉规避进行确认，抓起预备点和放置预备点根据夹具的实际状态进行偏移。偏移采用RAPID语言偏移函数offs（p1,x,y,z）。其中，“p1”为需要偏置的参考点，“x、y、z”为参考工件坐标系x、y、z方向偏移的数值，单位为mm。偏移之后的新点offs（p1,x,y,z）作为独立点，不会更改p1点的数值。程序语句中的V1000代表速度为1000mm/s，fine代表平滑等级为准确到达，tool0代表机器人工具坐标系参考tool0。在RAPID语言中，MoveJ、MoveL、MoveC为三种不同的运动命令，MoveJ为非直线命令，机器人行走的轨迹可能不是直线，但运转速度较直线会有所增加；MoveL为严格的直线轨迹；MoveC命令为圆弧命令，在使用MoveC命令时，机器人会结合上一行程序的点，三点绘制一个圆弧轨迹。1.3PLC控制PLC作为整个工作站的控制核心，需要控制转台的旋转方向和速度，同时PLC也需要处理机器人发送的信号和协调机器人运动，协调干涉区内的机器人作业轨迹。在此工作站中由于搬运机器人与其他三台机器人需要协同工作，因此干涉区信号在机器人协同工作时变得尤为重要，如表6-1所示。表6-1PLC信号I/O分配表输入端口分配输出端口分配作用I0.0Fx_okQ0.0-Q0.3fixture_OK转台的旋转180°Q0.4使能&运转指示灯I0.1Fx_1Q0.5fixture_1夹具1的张开与闭合I0.2Fx_2Q0.6fixture_2夹具2的张开与闭合I0.3Grp_OPNQ0.7My_gripper_open末端抓手打开I0.4Grp_GNDQ1.0My_gripper_gnd焊接负极气缸动作I0.5Grp_CLSQ1.1My_gripper_close末端抓手的闭合I0.6Jz_CLSQ1.2Jiaziclose末端夹子夹取焊接零件I0.7X_LgtQ1.3X_lightX-ray检测I1.0P_LgtQ1.4Photo_light拍照检测I1.1R1_WR_OKQ1.5Rob3_wait_pickready_OKRob3等待夹取信号干涉区互锁信号I1.2R1_CR_OKQ1.6Rob4_wait_check_OKRob4等待检查信号I1.3R2_W_OKQ1.7Rob2_wait_weldready_OKRob3等待焊接完成I1.4R3_P_OKQ2.0Rob3_wait_weld_OKRob2等待开始焊接I1.5R3_CW_OKQ2.1Rob1_wait_cewei_weld_OKRob1等待焊接完成I1.6R4_CH_OKQ2.2Rob1_wait_check_OKRob1等待检测完成I1.7急停PLC梯形图中需要添加一组常闭触电连接急停开关，当有紧急情况时可以按下外部急停开关，以应对意外情况的发生，如图6-6。图6-6PLC梯形图1.4工作站逻辑控制此仿真工作站需要动画组件与逻辑信号交互，对于仿真采取Smart组件与事件管理器结合的方式，工作站逻辑中需要连接各个组件之间的信号。此工作站中共包含五个Smart组件，分别是：SC_mygrippe、SC_effect、SC_fixture、SC_jiazi、SC_turn，分别对应搬运机器人末端执行器动作组件、灯光声效组件、侧围夹具组件、焊接附件搬运组件、转台组件。此外，在设置中还应用了事件管理器对零件组合进行仿真设计，主要应用为附加和提取。1.4.1仿真组件设置在此工作站设计中，使用到的组件有PoseMover组件、Attacher组件、Detacher组件、LogicGate组件、LightControl组件、SoundPlayer组件，五个Smart组件分别对其进行若干组合，使其分别达到不同的仿真效果。事件管理器使用了附加和提取功能，其和Smart组件中的Attacher组件和Detacher组件有着相似的作用，但事件管理器的附加和提取功能对零件的组合没有主次之分，也不需要框架和坐标系作为参考，其设置也是使用数字信号对其触发。在SC_mygripper组件设置中，添加PoseMover组件、Attacher组件、Detacher组件、LogicGate组件。其中，PoseMover组件用来定义一种姿态，当此组件的执行条件为真时，机械装置的姿态在设定的时间内发生变化，运动到已经定义的某种状态，以此来模拟真实的运动状态。如图6-7所示，设置时需要在Mechanism中选择需要设置的机械装置，在Pose中选择需要到达的状态，如果需要达到人眼可以看到的效果，在Duration中设置的时间不得小于0.05s。触发时需要将数字信号连接至Execute并将信号由低电平转化为高电平有效，即高电平有效和保持。图6-7PoseMover组件属性Attacher组件用来执行安装动作，将子对象安装至父对象，即捆绑子对象于父对象，在执行安装之后只需对父对象进行操作即可达到对子对象的相同操作。如图6-8所示，设置时需要在Parent栏中选定安装的父对象，在Flange中需要选定设置的坐标框架，即子对象安装时需要参考的框架方向，但不重合；Child栏选择安装的子对象即可。在Attacher设置属性中有Mount选项，此选项的作用是将子对象移至父对象的位置，此选项设置为打开时，子对象与父对象的框架为重合状态。触发条件同PoseMover组件类似。图6-8Attacher组件设置Detacher组件为拆除组件，用来执行与Attacher组件相对的动作，在设置Detacher组件时只需将Child栏对象选中即可。Detacher组件会首先对Child对象进行判断，如若Child对象已被安装则对其进行拆除动作，否则将不进行任何操作，既保持Child对象的原来状态。LogicGate组件是对输入的数字信号进行判断，在LogicGate组件的设置属性中有五种逻辑状态，分别是：NOT、AND、OR、XOR、NOP。同时还可以对输入的信号进行延时设置，即为输出延时时间。Detacher组件与Attacher组件的状态为相对状态，此时需要LogicGate组件中的[NOT]功能，对信号取反后连接至Detacher组件。加入LogicGate组件[NOT]状态后，可以使用同一个数字信号对Detacher组件和Attacher组件同时控制，如图6-9所示。图6-9LogicGate组件设置此外，在仿真设置中可以加入仿真灯光和声音效果，以达到逼真焊接的效果。设置时需要在组件中添加LightControl组件和SoundPlayer组件，设置完LightControl组件后需要打开图形工具即可。1.4.2仿真组件连接在所有组件设置完成后，需要将各个组件连接起来，组件连接需要注意逻辑关系和先后顺序。此外，需要在Smart组件添加I/O信号配置，每个信号在配置时需要注意作为输入信号还是输出信号，还需要注意信号的类型是数字量、模拟量还是组输入。在配置完成信号后就可以连接组件和信号之间的关系。此工作站中的五个Smart组件连接方式均不相同，连接时需要依据需要实现的功能和配置的组件按照逻辑关系配置。在设置SC_mygripper组件时，需要建立4个内部数字输入信号如图，这4个内部数字输入信号分别连接对应的组件，其组件触发方式均为高电平保持有效，因此需要创建其值为0，如图6-10所示。图6-10SC_mygripper组件设置在完成数字输入信号的创建后，需要设置信号与组件之间的逻辑关系。四个数字输入信号My_gripper_open、My_gripper_gnd、My_gripper_close_2、My_gripper_close_1分别对应机器人末端执行器的打开状态、焊接负极动作至工作位状态、侧围零件2抓取后末端执行器闭合状态、侧围零件1抓取后末端执行器闭合状态。在信号连接时，My_gripper_open连接至PoseMover_2[open]、My_gripper_gnd连接至PoseMover_3[gnd]、My_gripper_close_2与My_gripper_close_1均连接至PoseMover[close]。在实际抓取时，抓手闭合后会夹取的工件夹住，之后作为一个临时整体一起运动。因此，在信号连接时需要添加LogicGate组件[NOT]状态，在My_gripper_close信号未置1时不需要安装侧围至抓手上。故My_gripper_close信号连接LogicGate组件[NOT]之后连接Detacher组件，同时My_gripper_close信号需要连接Attacher组件，如图6-11所示。图6-11SC_mygripper组件信号连结1.4.3工作站逻辑设置此工作站站中，工作站逻辑对所有信号统一协调管理，处理各个Smart组件之间的信号和机器人内部信号，扮演真实工作站中PLC的角色。在信号连接时，需要明确信号对于不同的设备有输入和输出两种角色，每个Smart组件中子组件的信号为输入信号，需要连接PLC的输出信号，PLC的输入信号为Smart组件的输出信号。在此工作站逻辑连接信号时，需要明确System与其他5个Smart组件的主从关系，反馈信号属于组件内部信号，无需反馈给System，具体信号连接如图6-12所示。图6-12工作站逻辑信号连接1.4.4事件管理器设置事件管理器设置作为仿真设置的一部分，其可以实现更改I/O、附加对象、提取对象、打开/关闭TCP跟踪、将机械装置移至姿态、移动对象、显示/隐藏对象等操作。在此工作站中需要捆绑零件与零件、安装零件至机器人末端执行器、解除捆绑、拆除零件的操作。具体在配置时需要选择信号及信号的变更方式（0跳变1、1跳变0），接着设置需要实现的操作，完成之后需要将启动设置为打开状态，否则在仿真时不会出现对应的效果，具体配置如图6-13所示图6-13事件管理器设置1.5碰撞检测设定在此工作站中，由于存在干涉区作业，则需要在仿真时对其干涉区进行检测。在RobotStudio1.07软件中，打开碰撞检测设定，如图6-14所示，可以查看两个设备间的干涉距离及位置。在碰撞监控中可以对接近距离进行设置，可以修改碰撞颜色便于发现。在工业生产中，由于设备惯性冲击和设备形变一般规定干涉区作业时接近距离不得小于50mm。图6-14碰撞监控设置1.6检测设置对于白皮车身弧焊，需要对焊接效果进行检测，现在普遍采用工业相机，对其焊接效果进行拍照处理，对于照片的参数进行阈值和滤波等一系列处理后与设定的参数进行对比，若满足工艺要求则焊接完成，否则作为残次品从流水线撤下。在此设计中，采用拍照检测和X光同时检测的手段对焊接质量进行测定，确保焊接质量。拍照检查外观焊接是否完成，X光