基于PLC和触摸屏的车身总装夹具控制系统设计.pdf

第 1期 2 0 1 2年 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M od ul ar M ac hi ne To o l＆ Aut oma t i c M a nuf a c t ur i ng Te c hn i qu e NO ． 1 J a n．2 0 1 2 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 2 O 1 0 0 7 40 3 基于 P L C和触摸屏的车身总装夹具控制系统设计 王淑 旺， 顾 立才 ， 张 定 ， 鲁恒飞 合肥工业大学 机械 与车辆工程学院， 合肥2 3 0 0 0 9 摘要 车身总装工艺是 白车身生产的关键工艺， 论文用程序 自动控制代替手动气压控 制， 确保达到车 身总装质量和生产效率的要 求。该设备的控制 系统是 以 P L C控制技术为核心， 以触摸屏为人机操作 界 面， 采用二者配合控制 实现 了车身总装夹具的控制要 求。设备 已经投入生产， 运行结果表明 该 系 统在降低 了设备成本的同时， 有效的缩短 了生产周期 ， 对其它类产品设计有一定参考价值。 关键词 白车身； P L C； 触摸屏 ； 车身总装夹具 中图分 类号 T H1 6 5 文献标 识码 A De s i g n o n c o n t r o l s y s t e m o f Ca r B o d y W e l d i n g J i g b a s e d o n P LC a n d TP W ANG S h u wa n g，GU L i c a i ，ZHANG Di n g，L U He n g f e i S c h o o l o f Ma c h i n e r y a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H e f e i 2 3 0 0 0 9， C h i n a Ab s t r a c t Ca r Bod y W e l di n g J i g i s t he ke y i n t h e pr o d u c t i o n o f c a r ，t hi s pa p e r us e s a u t oma tic c o n t r o l b y pr o g r a mme i ns t e a d o f ma nu a l c o n tro l b y a i r，t o e n s u r e t h i s e q u i p me n t t o a c h i e v e r e q u i r e me n t s o f q u a l i t y a n d p r o d uc t i v i t y ． Th e c o n t o l s ys t e m r e a l i z e d t h e r e q u i r e me n t o f Ca r Bo dy W e l d i n g J i g wi th P LC a nd TP a t the c o r e ．Thi s Eq u i pme n t ha s b e e n p u t i n t o p r o d u c t i o n Th e o p e r a t i o n r e s u l t s s h o w tha t t h e d e vi c e ha s s h o r t e n e d t h e p r o d uc t i o n c y c l e e f f e c tiv e l y a n d c o n t o l l e d the c os t ．Th e d e s i g n o f thi s p a pe r ma ke s c o n t r i b ut u i o ns t o the o the r p r o d uc t s ． Ke y w o r d s b o d y i n w h i t e ； P L C； T P； c a r b o d y we l d i n g j i g O 引 言 车身总装焊接是 白车身焊接 中的关键工序 ， 直 接影响到汽车发动机、 门盖 、 前后桥等其他零部件的 装配。国内外主流汽车生产线在 白车身总装工序的 设计和控制方面都做 了不少探索 ， 形成了一批 自动 化程度高 ， 焊接工艺优 良且工作 效率高的车身总装 夹具。由于现场 总线技术 的发展 ， 其将 智能化 现场 设备 、 自动化系统通过一条物理线路连在一起 ， 取代 控制器和控制器之 间的信号传输 ，解决 了以往集 散控制系统布线量大 ，布线种类多 ，费用高和易受 干扰等缺点 。总线技术为车身焊装 自动化控制提 供了强有力的技术支持。 原始的车身总装夹具采用的是人工操作各种气 阀， 来达到总装工艺的要求 ； 这种控制方式不但无法控 制好车身总装的质量， 而且生产节拍要求很难达到。 本文根据北京某公司轻客生产线的实际要求， 设 计出了一套基于 P L C和触摸屏的车身总装夹具的 自 动化系统。本系统使生产节拍 由原来 的 4 5 0 s一 6 0 0 S 缩短到 2 5 0 s ～ 3 6 0 s ， 改变原来由全人工操作为全 自动 操作， 对控制设备成本 ， 提高经济效益很有帮助。 l 车身总装设计方案 本设计要求在总装工艺上能实现八种不同车型 的焊装 ， 考虑到经济和实际的运用 ， 我们在本设计 中 加入一些切换机构 ， 如有无舵切换 ， 有无 门洞切换 ， 新旧前围切换 ， 长短车型切换 等。考虑到板件运输 和生产效率 ， 本总装夹具采用 吊具运输板件， 结合触 摸屏和各个控制盒上设 置的按钮 ， 来控制整改设备 的动作。又由于本设计是根据某公司轻客原车身焊 接线而改造 ， 所 以从原生产线 考虑改进设计 如图 1 所 示 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 60 8 ； 修回 日期 2 0 1 1 0 7 0 7 作者简介 王淑旺 1 9 7 8 一 ， 男 ， 山东 泰安人 ， 合肥 工业大学 副教授 ， 工学博 士 ， 主要从 事汽车 自动 化装备 、 汽 车试验 台等研 究 ， Em a i l wa n g s w h f u t 1 2 6． c o rn。 2 0 1 2年 1月 王淑 旺 ， 等 基 于 P L C和触 摸屏 的车身 总装夹 具控 制 系统设计 7 5 ■■● ■■l ■_ 图 1 车 身 总装 夹 具 总体 构 架 示 意 图 本车身总装工艺分为侧 围补焊工艺和车身总拼 工艺 ， 通过左右 吊具 系统进行板件 的输送 。整个车 身总 装 的动作采 用气 动控 制 。 侧 围补焊工位分为左右补焊夹具 ， 属 于对称分 布， 工艺流程类似。侧 围补 焊工位是一个 可翻转 的 夹具 ， 夹具的翻转是通过变频器控制伺服 电机来实 现。侧 围板件成型后输送 到侧 围补焊位 此时侧 围 补 焊夹 具处 于 垂 直 位 ， 然 后 进 行 焊 点补 焊 ； 补 焊 完 成后 ， 侧围补焊夹具翻转到水平位置 ， 通过 吊具抓件 向总拼位输送。考虑到侧 围补焊控制 的方 便性， 本 设 计在 侧 围补 焊 位 设 立 的独 立 的控 制 柜 ； 此 控 制 柜 可控制 补焊 位 和相应 的 吊具 系统 。 车身总拼工位分为左右侧 围位 ， 与侧 围补焊一 样 对称 分 布 。 总 拼 工 位 的 侧 位 为 一 个 可 翻 转 的 夹 具 ， 考虑到总拼翻转夹具 自身的重量很大， 用 电机翻 转不但 效果 难 实现 且成 本会 加 大 ， 故 我们 考虑 用 2 5 0 m m缸 径 的气缸控 制 。总拼 位 接 受来 自于 吊具 系 统输送的板件 接受板件 时总拼位侧 围处于水平位 置 ， 然后总拼位侧 围夹具夹紧翻转 ； 在地板上完后 ， 侧围位平移合成车身 ， 最后进行焊接 。为了操作人 员控制的方便和生产安全 ， 在总拼位设立 了四个控 制盒子 ， 进行配合控制。总拼位的前 围也 是一个翻 转机构 如图2 ， 前 围上件夹紧 ， 从水平位翻转垂直 ， 后平移到位焊接 ； 焊接完成后原方式动作复位。 图 2前 围 夹 具 三 维 图 2车身 总装控制方案 由于车身总装上工序较多且各个部分联系较紧 密 ， 所 以将整个 控制系统分为三个子系统 ， 分别为 侧围补焊系统 ， 总拼系统和吊具系统 如图 3 。 由于 D e v i c e N e t 总线具有开放 、 低价 、 可靠 、 高效 的优点 ， 特别适合于高实时性要求 的工业现场底层 控制； 它运用 网络技 术数据传 输可靠 、 信 息响应快 速、 抗干扰能力增强 ； 具有 自动诊断、 故障显示功能 ； 更好地满足控制系统信息 集成的要求 ； 总线节点具 有 良好的防护等级 。所以本设备各个系统 间及系 统内部通过 D e v i c e N e t 总线进行实时信 号控制 ， 分析 和处理 ， 并 通 过 触 摸 屏 实 现 各 个 部 分 工 作 状 态 的 监 控 。由于本系统各个工位是对称分布且对称工位控 制方案类似， 故以下只叙述系统动作不区分左右。 图 3控 制 方 案 侧 围补 焊 系统 主 要 由三个 控 制 过 程 组 成 ， 分 别 是 阀 1 控制侧围补焊工位的气缸的动作 ； 阀2控制侧 围翻转台的到位锁死动作 ； 侧围变频器控制侧 围翻 转 台翻 转动作 。 吊具系统主要功能是将板件输送到总拼工位 ， 是 本工 艺 中联 系 侧 围补 焊 和 总拼 工位 的纽 带 。 吊具 系统的控制形式如下 独立 阀 1控 制吊具抓 紧气缸 的动作 ； 独立阀 2控制 吊具平移小车到位锁死动作 ； 变频器控制吊具的升降、 平移 。 总 拼系统 是 车 身 总装 关 键 工 位 ， 要 完 成 的工 序 多 ， 安装 标 准 严 格 ， 故 采 用 三 个 阀 岛 进 行 集 中控 制 如 图 3所 示 。阀 岛 1是 由 1 0个 两 位 两 通 阀 和 2 个两位三通 阀组成 ， 其 中 1 0个两位两通 阀控制如 下 门洞动作控制 、 舵 型切换控制、 侧 围夹紧 1 、 侧 围 夹紧 2 、 五个独立 固定 焊钳控制 、 侧 围限位 销控制。 侧围水平平移和侧围翻转需气压较大且要求能在 出 故障时立即停止， 故采用三位两通独立 阀控制 ； 阀岛 2主要控制地板和前 围的相关动作 ， 由 5个两位两通 阀和 1 个三位两通阀组成。其 中两位两通阀控制如 下 前 围夹紧动作 ， 前围翻转动作 ， 地板夹紧动作 ， 长 短车型切换动作 ， 前 围切换动作 ； 考虑到前围平移的 安全 ， 我们在前 围水平 移动控 制采用 三位两通 阀。 7 6 组合机 床与 自动化 加 工技术 第 1期 阀岛 3和阀岛 1 控制类似属于对称控制 ， 不再叙述。 3控制 系统的设计 根据工艺方案和控制方案 的设计 ， 结合 设备的 动作实际要求 ， 我们进行 了硬件 的选型和程序 的编 写。本车身总成 系统的核心处理器采用欧姆龙 C J ． 1 W 系列 的 P L C， P L C通 过 R S 2 3 2通 讯 电缆 和触 摸 屏 通信 ； 触摸屏选用 的是欧姆龙 N S 1 0 ． T V 0 0 B ． V 2 ， 该 系列触摸屏 以数 据， 图形 ， 按 钮等各种 形式来 反映 P L C的内部状态位 ， 存储 数据， 从 而参 与工程控制 ， 能 良好的满足经济实用的要求。系统所有的逻辑控 制和判断、 中间继 电器及时间继 电器 的逻辑功能等 均 由 P L C内部程序指令来实现。考虑到焊装车间的 焊屑比较多 ， 故选择防护等级高的 S MC阀岛 E X 2 4 5 ． S D N 2 一 X 3 5 ， 并在 气源 处加上 过滤 网 。 3 ． 1 P L C选 型及 软件设计 P L C是整个系统的控制核心 ， 本系统采用 C J ． 1 W 系 列 的 组 合 模 块 式 P L C， 控 制 模 块 采 用 C J ． H C P U 4 5 ， 通讯模块采用 C J 1 W． D M2 1 。根据系统 控制方案 ， 可统计输入点数为 7 3 ， 输出点数为 5 5 。为 了保证系统 I ／ Q点数的需要并预留扩展空间 ， 选择 5 块 1 6 点 数 字 输 入 模 块 D R T 2 ． I D 2 1 1 D I 1 6 2 4 D C ； 4块 1 6点 数 字 输 出 模 块 D R T 2 ． O D 2 1 1 DO1 62 4 D C 。 按车身控制方案， 我们用 C x - I n t e g r a t o r 进行 总线 组态 ， 在 D e v i c e N e t 总线两端用 1 2 0欧的终端 电阻终 结 。C J 一 1 W 作为 欧姆 龙 系列 P L C中功 能强 大 的 中 型 模块式 P L C ， 其 编 程 语 言是 C x - p r o g r a m m e r ， 支 持梯 形 图、 指 令表 、 功能 图编程 方式 ， 具 有结 构化 程序设 计 的 优点 ， 用树型的形式管理用户程序 以及程序需要的数 据等。本系统的工作流程框图 如图4 ， 简述如下 1 系统开机后， 会进行包括站点故障， 总线状态， 设备当前状态等 自检内容， 无故障即可进入运行状态。 2 当运行 开始 时 ， 本 系统 会 根据 当前 的模 式进 行动作 ； 手动模式下 ， 根据要生产 的车型 ， 进行如新 旧前 围、 长短 车型 、 有无 门洞 、 有 无舵 的切 换 。 3 各个切换完成后 ， 按下 自动运行模式按钮 ， 补焊工位会上件夹紧， 并进行补焊。 4 完成补焊后按下补焊工位控制柜上的“ 吊具 下行” 按钮 ， 吊具会 自动从 中位平移到补焊工位 ； 与 此同时补焊位夹具水平翻转 ， 吊具 自动下降抓件 ， 后 升起向总拼位平移 。 5 此时会判断总拼位围位是否翻转 ， 如没有翻 转 吊具将在 中位停止 ； 如已经 翻转吊具会将板 件运 输到总拼侧围。放件完毕后 吊具会 自动升起 回到中 位 ， 等待下次工作。 6 总拼位侧围接受到板件后会 自动夹紧， 同侧 两人同时按下操作盒上侧围翻转按钮， 侧围夹具会垂 直翻转。在吊具放件的时候就可以上地板并夹紧。 7 同侧操作人员同时按下“ 侧围前进” 按钮 ， 侧 围将平移 前进 ； 侧 围平 移到位 后， 滑台定位 销将下 降， 此时车身总装合成完成 ； 接着进行相关的焊接工 作 ， 如前后梁焊接 ， 车身各个 点焊接 ， 前围动作焊接 以及 固定焊钳的 自动焊接等。 8 所有的车身 焊接完成 后 ， 按 下操作 盒上 的 “ 工作完成” 按钮， 总拼位各个夹具会 自动松开 ， 接着 侧围滑台定位销 自动升起 ； 同侧操作人员 同时按下 “ 侧 围后退” 按钮 ， 侧围滑台 自动后退平移， 滑台定位 销在后位下降。到此整个动作循环结束。 图 4系 统 工 作 流 程框 图 本设备手动与 自动控制、 各个夹具 的夹紧打开、 故障信号的实时检测等 ， 均会通过 主控柜上触摸屏 进行人机 交互。本 系统 中设立 的实 时故 障检测 功 能， 一方面会在触摸屏上显示报警地点 ， 另一方面会 使故障部分设备中断 ， 确保操作人员安全。 3 ． 2 触摸屏软件的设计 触摸屏将设备 的分步动作功能键及 显示集于一 体 ， 能方便的操作和监控设备， 并显示 当前设备工作 的状态。选用 欧姆龙 触摸屏 N S I O ． T V 0 0 B ． V 2 ， 通 过使用欧姆龙 C x ． D e s i g n e r 组态软件提供的多种控制 按钮库、 图形控件、 功能控件等， 可方便的对设备所 需 的显示和操作进行最优修改 。软件还可以为不同 的操作人员设立不 同的密码和使用权限。 触摸屏软件的设计包括设备的 下转第 8 0页