基于 S7－200 PLC 的汽车后桥焊接专机控制系统.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 4卷 第 1 期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e r i n g J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 4 N o ． 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 5 基 于 S 7 2 0 0 P L C的汽车后桥焊接专机控 制系统 潘矗锟 ， 刘 波 中北大学 机械与动力工程学院， 山西 太原0 3 0 0 5 1 摘要 针 对汽 车后桥 焊接 生产 现 状进 行 研 究 ， 提 出 了一种 低 成 本 的后 桥 自动 焊接 专机 。 以 s 7 2 0 0 P L C为核心设计汽车后桥 壳焊接专机控制 系统 ， 利用 昆仑通 态触摸屏设计人机 交互界 面， 通 过变频器实现对专机伺服 电机的精 准控制， 该专机 系统性 能稳定、 操作 简便 ， 具有较 高的 自动化 程度。焊接 产品焊缝均 匀、 过渡平滑 ， 质量符合后桥 壳设计工艺要求 ， 可在小批 量车型的设计 生 产审椎 广 吏飓 关键词 S 7 2 0 0 P L C； 焊接专机 ； 伺服 电机 ； 触摸屏 中图分类号 T P 2 7 8 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 5 0 1 0 0 6 2 0 4 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 j 。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 P L C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 P L C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 ， 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lT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 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 、 左送丝机 右送丝机 图 1 系统设备 示意 图 缸 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 方 向的转动 自由度 』 ， 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 收稿 日期 2 0 1 41 2～2 2 作者简介 潘矗锟 1 9 9 0 一 ， 男 ， 江西玉山人， 中北大学硕士研究生 ， 主要研究方向为机电液 系统的状态监测及智能控制 。 6 2 2 0 1 5年第 1 期 潘矗锟 基于 S 7 2 0 0 P L C的汽车后桥焊接专机控制 系统 进气缸上 ， 由气缸带动运动 ， 气缸搭载在可调的平 台上 J ， 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 1 9 0 A， 电压 2 1 ． 0 V， 右焊枪 电流 2 0 0 A， 电 压 2 4 ． 4 V。 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 ， 调试完成后进人批量生产， 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 P L C” 的 控制系统设计方案 。 。系统 的主结构 图如 图 3 所示 ， 控制系统 由触摸屏 、 S 72 0 0 P L C、 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 R S 4 8 5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 P P I电缆和 P L C相连 ， 实现信息的交互。P L C通过 1 0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。 R S 4 8 5总线 I 鲤 塑 I 雕触 摸屏 塑 竺生 焊机 ◆ 按钮 、指示灯 图 3 系统 的主 结构图 3 ． 2焊 机 控 制 焊机选择松下的 Y D一3 5 0 G R型焊机 ， 是全数 字 C O ／ MA G焊机 ， 支持 C O 焊接 、 MA G焊接 、 不 锈钢 MI G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 D C T与专机通讯 ， D C T是专 用的配置软 件。通讯 方式 为 2 线 半 双 工 R S 4 8 5 总 线 ，波 特 率 为 1 9 2 0 0 b p s ， 8位数据 ， 无校验 ， 1位停止位 。作 为主 动方 ， P L C发送完数据后会等待 D C T的 回复， 如果 D C T接受后并校验正确 ， 回复给 P L C一个确认代 码 ． P L C可 以继续发送 下一个数据 。如果 P L C发 送数 据后 ， D C T校验 不正确 ， 会 返 回校验错 误代 码 ， 则 P L C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。 6 3 2 0 1 5年第4 4卷 机械设计与制造工程 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 P L C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 要用到的规范存储予焊机内， 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 P L C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 I O接 口方式控制 ， 在本系统中选择 I O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“ O N” 时， 电弧产生 ， 焊枪开关 “ O F F ” 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 A S D AA 2系列和 E C MA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 。E C MA 伺服 电机 搭 配 高 精度 2 0一b i t 等 级 1 2 8 0 0 0 0 p ／ r e v 编码器， 提升定位精度与低速运转稳定度 ， 速度响应频宽为 1 k H z ， 命令整定时间在 1 ms 之内， 速度 由 一 3 0 0 0 r ／ ra i n加至 3 0 0 0 r ／ mi n ， 加速时间只 需 7 ms 。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 ， 但长时问的低速转动 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 8 01 ， 二级减速 比为 2 3 8 ， 总减速比为 2 3 0 1 。三爪卡盘每转分成 3 6 0 0 0 0 0 分 ， 即 每 3 6 0 0 0 0 0用 户 脉 冲对 应 焊 接 角 位 移 3 6 0 。 。根据相关公式计算电子齿轮比为 64 ． 1 2 8 0 0 0 02 3 0 ／ 3 6 0 0 0 0 0 2 9 4 4 ／ 3 6 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 P R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 D I 信号选择寄存器编 号。在此模式 下 ， P L C可通过 I O电缆控制伺 服驱 动器 ， P L C的输 出选择合适 的 步 ， 完成相应动作 ； P L C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 ， 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。 4分析与讨 论 这套 自动焊接系统 已完成设计制造和调试 ， 投 入实际生产 ， 运行 良好。焊接件通过 工厂检验测 试 ， 符合设计要求 。相 比传统焊接方式 ， 本系统具 备以下优点 a ． 该焊接系统 自动化程度高 ， 装卡方便 ， 一人 便可完成整套焊接工作 ， 降低 了工人 的劳动强度 ， 节约了企业的人力成本。 b ． 焊机可对 电压 电流进行精准监 控和调整 ， 对不同规格的产品可快速完成设 置， 自动化程度更 高 ， 适用范围更广。 e ． 伺服系统具有较高的控制精度和反应速度 ， 可在设计的时间内完成加减速 ， 为可靠焊接提供 良 好的基础 。 d ． 焊缝外形均匀， 焊道 与焊道 、 焊道与母材之 间过渡平滑 ， 焊渣和飞溅物清除干净， 没有裂纹、 气 孔等缺陷。整体外观干净 ， 漂亮 。 随着汽车产业的飞速发展 ， 相应的焊接设备需 求也在不断增加。相比于机器人焊接工作站 ， 焊接 专机价格相对低廉 ， 焊接质量高 ， 设计周期短 ， 调试 方便 ， 维修容易， 值得在小批量车型的设计生产 中 使用。 2 0 1 5年第 1 期 潘壶锟 基于 s 72 0 0 P L C的汽车后桥焊接专机控制系统 参考文献 [ 1 ] 李林． 后桥壳总成生产线焊接工艺及关键设备 [ J ] ． 现代零部 件 ， 2 0 1 1 4 4 8 5 3 ． [ 2 ] 顾宗平． M O D E LY后桥焊接总成加工 自动线的研制[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 8 8 8 1 8 5 ． [ 3 ] 刘政 军 ， 刘凯 ， 赵 东宁 ， 等． 后 汽车后桥壳 环缝焊接设 备的研 究 [ J ] ． 热加工工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 1 8 2 8 4 ． [ 4] 王先逵． 机械制造工艺学 [ M] ． 2版． 北 京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 6 2 612 71 ． [ 5 ] 周淑兰． 汽车后桥焊接工艺及设备[ J ] ． 焊接， 1 9 9 9 9 3 5 3 7． [ 6 ] 金敏． 基于P L C和Wi n c c 的压力机组自动控制系统[ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 1 3 1 2 2 1 6 2 1 8 ． [ 7 J S i e m e n s ．S I MI T I C s 7 2 0 0可编程控制系统手册 [ s J ．2 0 0 8 ． [ 8 ] 黎志刚． 基于 M C G S的S M C电动执行器控制方法研究[ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 1 4， 3 6 7 l 61 8 ． [ 9 ] 范小兰． 基于 P L C的机械手控制在 M C G S中的实现[ J ] ． 制 造业 自动化 ， 2 0 1 2 1 8 6 8 ． The s pe c i a l we l d i ng ma c h i n e c o n t r o l s y s t e m o f a ut o mo bi l e r e a r br i dg e ba s e d o n t he S 72 0 0 PLC PAN Ya o k u n，LI U Bo N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a ， S h a a n x i T a i y u a n ， 0 3 0 0 5 1 C h i n a Abs t r a c t Ac c o r di ng t o t h e pr e s e n t r e s e a r c h s i t u a t i o n o f we l d i n g p r o d u c t i o n o f a u t o mo b i l e r e a r a x l e，i t de s i g ns a l o w c o s t a u t o ma t i c we l d i n g ma c h i n e o f t h e a u t o mo b i l e r e a r b r i d g e ．I t c h o s e s s 72 0 0 P L C a s t h e c o r e o f t h e c o n t r o l s y s t e m wi t h Ku n Lu n To ng t a i t o u c h s c r e e n，d e v e l o p s hu ma n ma c hi n e i n t e r f a c e f o r t he p r e c i s e c o n t r o l o f t h e s e r v o mo t o r ．T h i s s p e c i w e l d i n g ma c h i n e f o r a u t o mo b i l e r e a r b ri d g e h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h s t a b i l i t y，e x c e l l e n t o pe r a b i l i t y a nd hi g h d e g r e e o f a u t o ma t i o n ．Th e we l d s e a m i s u n i f o r m ，s mo o t h a n d me e t s t h e r e q u i r e me n t s o f t he r e a r a x l e h o us i ng d e s i g n p r o c e s s ．Thi s l o w c o s t a ut o ma t i c we l di n g ma c h i n e c a n be wi d e l y u s e d i n t h e p r o d uc e o f s ma l l b a t c h v e h i c l e s ． Ke y wor ds S 7 2 0 0PLC；s p e c i a l we l d i n g ma c h i n e；s e r v o mo t o r ；t o u c h s 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