ABB工業(yè)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

ABB工業(yè)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 關(guān)鍵詞：ABB機(jī)器人；焊接；S7-300PLC；HMI隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的提出和快速推進(jìn)，智能化制造、柔性化制造及精益化制造成為制造領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。在汽車生產(chǎn)制造過程中，白車身焊接過程會產(chǎn)生大量的煙塵、火花、飛濺，不僅會影響車身焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且會對現(xiàn)場工作人員身體健康造成一定的傷害，為提升汽車生產(chǎn)制造效率和焊接質(zhì)量穩(wěn)定性，我國多數(shù)整車制造基地引進(jìn)ABB機(jī)器人應(yīng)用于沖壓、焊裝、噴涂等各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高汽車制造的自動化水平，保證汽車制造質(zhì)量，同時(shí)降低汽車制造員工的工作強(qiáng)度及改善工作環(huán)境1?；赑LC的汽車自動焊接控制系統(tǒng)是運(yùn)用PLC作為核心控制器，以觸摸屏+PC站為人機(jī)操作界面對ABB工業(yè)焊接Robot（機(jī)器人）進(jìn)行操作及遠(yuǎn)程監(jiān)控，以提升白車身焊接質(zhì)量和工作效率。作為汽車制造焊接相關(guān)技術(shù)人員，進(jìn)行積極有效的探究白車身焊接工業(yè)Robot控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保證白車身焊接質(zhì)量的不斷提升具有較高的實(shí)踐意義。1白車身焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路ABB焊接Robot是具有較高自動控制水平的焊接操作機(jī)，能夠重復(fù)多次進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，通常用于3個(gè)以上的編程的軸，通過其安裝在管線包里面的通訊、動力電纜及控制系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)及軸計(jì)算機(jī)對Robot的控制2。PLC控制技術(shù)成熟、可靠、穩(wěn)定，在制造領(lǐng)域生產(chǎn)制造過程中得到充分的實(shí)踐應(yīng)用，其具有編程簡單、穩(wěn)定性高、運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。白車身是汽車各功能部件的載體，在進(jìn)行外表涂裝、內(nèi)室裝飾及整車總裝前需完成焊接工序，其焊接質(zhì)量很大程度決定著整車車身的技術(shù)性能。白車身焊接控制系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計(jì)，主要包括伺服驅(qū)動模塊、電氣控制模塊等。伺服驅(qū)動模塊通過控制6臺伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)焊槍工具中心點(diǎn)（TCP）在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的移動及對應(yīng)X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動，完成焊接Robot全關(guān)節(jié)運(yùn)動控制，達(dá)到焊接機(jī)械臂姿態(tài)、空間的轉(zhuǎn)變，達(dá)到定位焊槍和跟蹤焊接的目的；電氣控制模塊主要用于接受現(xiàn)場反饋及控制信息，完成伺服驅(qū)動裝置的控制，同時(shí)具備故障診斷、報(bào)警、記錄、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。基于PLC的白車身焊接Robot控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。白車身焊接控制器選用控制性能和經(jīng)濟(jì)性較好的西門子S7-300PLC為核心控制器，觸摸屏選用西門子TP1200，PLC與觸摸屏間采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，Profinet通訊具有傳輸效率高、組態(tài)方便、抗干擾能力強(qiáng)、功能完善的優(yōu)點(diǎn)。2控制系統(tǒng)硬件選型白車身焊接Robot控制系統(tǒng)硬件選型時(shí)需要綜合考慮控制點(diǎn)數(shù)量（I/O點(diǎn)位數(shù)）、外部設(shè)備兼容性、系統(tǒng)的先進(jìn)性、配套工藝軟件、網(wǎng)絡(luò)通訊、經(jīng)濟(jì)性等問題。在滿足工藝需求前提下，盡量選用可靠成熟、經(jīng)濟(jì)性高的控制器及控制模塊；通常I/O模塊數(shù)量配置時(shí)依據(jù)工作任務(wù)需求并冗余1020%的I/O點(diǎn)位量，以便于后期系統(tǒng)維護(hù)、維修以及系統(tǒng)功能擴(kuò)展。2.1PLC控制器依據(jù)ABB工業(yè)焊接Robot的控制要求及焊接工藝需求，統(tǒng)計(jì)白車身焊接控制系統(tǒng)點(diǎn)位數(shù)量（如表1所示），共確定I/O點(diǎn)32個(gè)，考慮到控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、擴(kuò)展性及經(jīng)濟(jì)性，選用西門子CPU319為核心控制器，單條指令處理時(shí)間約為0.1s，同時(shí)自帶Profinet網(wǎng)絡(luò)接口。數(shù)字量輸入模型選用6ES7221-1HF32-0XA0、數(shù)字量輸入模塊選用6ES7222-1HB32-0BX0、伺服驅(qū)動模塊選用6SL3210-5FE10-8UA03。2.2傳感器選型白車身焊接Robot控制系統(tǒng)傳感器主要為位置傳感器，包括焊接工作臺移動位置檢測、焊槍移動位置檢測及工件位置檢測。焊槍位置檢測及工件位置檢測選用倍加福NBB5-18GM50-E2-C-V1光電開關(guān)、焊接工作位置傳感器選用BC50S光電編碼器。2.3控制開關(guān)白車身焊接Robot控制系統(tǒng)控制開關(guān)主要用于設(shè)備啟動，工作模式的轉(zhuǎn)換，暫停、急停及復(fù)位功能。2.4HMI人界面人機(jī)界面選用西門子TP1200系列觸摸屏，完成觸摸屏與S7-300PLC通訊后，可以完成焊接模式選擇、報(bào)警記錄、焊接參數(shù)設(shè)置及焊接過程的遠(yuǎn)程監(jiān)視及信息讀取等功能4。2.5伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要是在PLC控制下自動完成焊槍X向、Y向的移動，滿足焊接工作任務(wù)需求，本系統(tǒng)主要通過伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)完成相應(yīng)的移動指令。2.6報(bào)警及顯示裝置報(bào)警及顯示裝置主要用于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示及系統(tǒng)故障的緊急報(bào)警，當(dāng)Robot發(fā)生水壓異常、氣壓異常以及焊槍電極更換、修磨超量等故障時(shí)現(xiàn)場檢測傳感器將檢測信號傳輸給PLC控制器經(jīng)邏輯處理后輸出控制信號給指示燈和蜂鳴器，發(fā)出緊急報(bào)警信號，以提升工作人員進(jìn)行故障處理。同時(shí)PLC控制將報(bào)警信息傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)對報(bào)警信息進(jìn)行歸檔處理并存儲，便于維修人員進(jìn)行故障查詢。3PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于PLC的汽車焊機(jī)Robot控制系統(tǒng)主要包括夾具控制、焊接操作臺控制、氣缸控制、Robot控制等，按照模塊化設(shè)計(jì)可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及故障排除的便捷性。依據(jù)ABB工業(yè)焊接Robot控制系統(tǒng)各部分的執(zhí)行步驟，在下位機(jī)Step7軟件中完成系統(tǒng)軟件程序編寫，主要包括：初始化程序主要完成控制器、氣壓回路、電磁閥等參數(shù)的復(fù)位；主程序?qū)Π总嚿砗附酉到y(tǒng)的電源、故障（含安全）、焊接等進(jìn)行顯示和邏輯處理，同時(shí)對各子程序進(jìn)行調(diào)用和中斷；子程序主要用于完成工位工作循環(huán)、機(jī)構(gòu)夾緊、故障處理、焊接工作、工作模式等功能；中斷程序主要用于信息接收、字符接收及發(fā)送等中斷程序5。當(dāng)白車身焊接控制系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化動作，在PLC的控制下啟動伺服系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)上位機(jī)中選擇Robot工作模式，當(dāng)選擇工作模式后PLC向ABB焊接Robot發(fā)送程序號（即任務(wù)號），Robot依據(jù)對應(yīng)任務(wù)號調(diào)用相應(yīng)的工作程序，完成相應(yīng)的動作指令。在汽車零部件焊接過程中，焊接Robot依據(jù)PLC控制指令通過控制通斷時(shí)間和電流大小，按照一定的工藝順序進(jìn)行焊接工作。PLC與ABB焊接Robot進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，當(dāng)Robot完成一個(gè)動作指令后向PLC傳送動作結(jié)果，當(dāng)PLC接收動作回復(fù)后，持續(xù)向ABB工業(yè)焊接Robot發(fā)送下一步動作指令，按照一定的順序指令進(jìn)行相應(yīng)動作，直到完成所有焊接任務(wù)，如圖2所示。白車身焊接控制系統(tǒng)采用WinCC軟件設(shè)計(jì)，WinCC與CPU319進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，完成焊接車間焊接生產(chǎn)過程的監(jiān)控及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取及功能處理。WinCC軟件可實(shí)現(xiàn)快速便捷組態(tài)汽車焊接生產(chǎn)線流程畫面、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲及歸檔，具有功能完善、人機(jī)友好、兼容性好、操作容易等優(yōu)勢。WinCC界面主要包括登錄界面、自動焊接界面、手動調(diào)試界面、參數(shù)設(shè)定畫面、故障報(bào)警界面，手動調(diào)試界面可控制分別進(jìn)行Robot機(jī)械臂控制、焊接工作平臺控制（即夾具控制），如圖3所示。4分析與討論本文以西門子S7-300PLC對ABB工業(yè)白車身焊接Robot的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，以提升白車身焊接自動化水平，進(jìn)而提高白車身焊接加工效率和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性?；赑LC的ABB工業(yè)焊接Robot控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：焊接自動化水平高、降低焊接工位勞動強(qiáng)度、節(jié)約人力成本；控制系統(tǒng)能夠精確控制和監(jiān)控焊接電流和時(shí)間，可適用于不同型號汽車零部件的焊接；伺服電機(jī)具有較好的反應(yīng)速度和控制精度，焊接可靠性高；焊點(diǎn)的位置、質(zhì)量等一致性高，確保車身的焊接品質(zhì)。參考文獻(xiàn)：1邢行，馬永力.基于PLC的汽車自動焊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，37（04）：96-99.2羅淼，鞏虎軍，金書騁.基于Profinet的ABB機(jī)器人與S7-300信號交互J.電氣自動化，2018，40（03）：109-111.3丁姝慧.基于PLC的白車身焊接機(jī)器人控制研究J.現(xiàn)代信息科技，2019，3（12）：157-161.4潘垚錕，劉波.基于S7-200PLC的汽車后橋焊接專機(jī)控制系統(tǒng)J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2015，44（01）：62-65.5宋欣欣，徐教禮，李盛，等.基于PLC的白車身焊接機(jī)器人控制分析J.中外企業(yè)家，2019（07）：141.