基于PLC的汽车焊装生产线控制系统设计

0 引言

　　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PLC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PLC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50～60年代手工焊装线→70年代的自动化刚性焊装线→80年代后期的机器人柔性焊装线等阶段。

1 汽车焊装生产线的基本组成

　　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PLC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。

　　1.1 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。

　　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PLC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：①预压，电极压紧工件并加预压力的过程；②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；③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；④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。

　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，PLC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PLC，由PLC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。

2 汽车焊装生产线PLC控制系统设计

　　2.1 PLC控制系统设计步骤

　　要想完成汽车焊装生产线PLC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PLC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PLC上分配一个确定的地址编号，一般要列出现场信号与PLC输入输出信号地址对照表。

　　(3)根据现场信号与PLC输入输出信号地址对照表完成PLC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PLC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，PLC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PLC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→上升→加压→焊接1→卸压→下降→前进→上升→加压→焊接2→卸压→下降一后退→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FPl系列PLC进行控制。

　　(1)控制系统分析

　　现以焊枪自动控制为例来进行分析。

　　①输入信号：焊枪应能手动和自动控制，用SA1选择开关来进行转换，1为自动，0为手动；SB1为焊枪自动启动按钮；SB2为急停按钮；焊接控制器故障报警信号TC25、焊接结束信号TC23需输入到PLC；焊枪后位行程开关SQ1、前位行程开关SQ2、下位行程开关SQ3、上位行程开关SQ4信号需输入到PLC；气动系统压力开关SP信号需输入到PLC。这样共需输入点10个。②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YVlA、YVlB，上形下降电磁阀为YV2A、YV2B，加压电磁阀为YV3；启动焊接控制器需中间继电器KAl；气源故障指示灯为HLl、焊接故障报警指示灯为HL2。这样共需输出点8个。

　　(2)PLC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。