汽車制造業(yè)的自動化生產(chǎn)線最早可追溯到20世紀(jì)20年代的福特生產(chǎn)線，歷經(jīng)了手工——(半)自動剛性——(半)自動柔性生產(chǎn)線等不同發(fā)展階段。目前，流行了半個(gè)多世紀(jì)的美國福特公司的單一品種、大批量生產(chǎn)模式已被日本豐田公司的多品種、中小批量生產(chǎn)模式所替代。隨著汽車T業(yè)的發(fā)展和自動化水平要求的不斷提高，焊接機(jī)器人在汽車白車身制造中得到了越來越多的應(yīng)用。在汽車行業(yè)的制造模式步入按用戶要求進(jìn)行柔性加1二的精益生產(chǎn)階段，激光焊接技術(shù)正向高速度、高精度、高柔性、低成本、智能化、集成化的方向發(fā)展，基于激光焊接機(jī)器人的白車身生產(chǎn)線系統(tǒng)的開發(fā)具有十分重要的意義。

　　PLC是一種實(shí)現(xiàn)控制功能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，由于它具有功能強(qiáng)，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力強(qiáng)，以及接線簡單，編程靈活、方便等特點(diǎn)，因此在各類生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文從自車身系統(tǒng)實(shí)際出發(fā)，用PLC設(shè)計(jì)了白車身生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)與機(jī)器人進(jìn)行通訊，滿足了系統(tǒng)順序控制的要求。

1 白車身系統(tǒng)的組成

　　白車身是指尚未進(jìn)入涂裝和內(nèi)飾件總裝階段之前的車身，它是轎車的動力系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、內(nèi)外裝飾件等轎車子系統(tǒng)的載體，是轎車動力性、舒適性.平順性等性能的載體，是轎車外觀形象、外觀質(zhì)量的載體。因此，轎車白車身制造是轎車總車制造中一項(xiàng)關(guān)鍵的制造技術(shù)。本系統(tǒng)針對白車身的車門部分進(jìn)行焊接加工設(shè)計(jì)。如圖1所示，第一工位為小件焊接，負(fù)責(zé)焊接玻璃導(dǎo)槽、防撞桿。第二工位為內(nèi)板焊接，負(fù)責(zé)焊接鉸鏈加強(qiáng)板、門鎖加強(qiáng)板、內(nèi)裝飾帶加強(qiáng)板。第三工位為內(nèi)板焊接，負(fù)責(zé)焊接玻璃導(dǎo)槽、外裝飾帶加強(qiáng)板、防撞桿，焊接完即成內(nèi)板總成。第四一位為外板焊接，負(fù)責(zé)焊接外板窗框，焊完即成整個(gè)車門。第一臺機(jī)器人負(fù)責(zé)第一，四這兩個(gè)工位的激光搭接焊，第二臺機(jī)器人負(fù)責(zé)第二、第三兩個(gè)工位中的激光填絲焊。生產(chǎn)線的物流方式，均采用液壓手推車，搬運(yùn)方式均采用人工搬運(yùn)。系統(tǒng)中兩臺激光焊接機(jī)器人共用一個(gè)激光焊接器，采用分時(shí)操作的方法，即在同一時(shí)間內(nèi)只有一臺機(jī)器人使用激光器工作。為了保證整個(gè)生產(chǎn)線T作的效率，另一臺機(jī)器人則可以進(jìn)行不需要使用激光器的位姿操作。

2 基于PLC控制系統(tǒng)的組成

　　焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由激光焊接機(jī)器人及控制器、PLC控制系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、助力臂系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)通過PLC控制器控制激光焊接機(jī)器人及夾具系統(tǒng)按程序設(shè)定的順序動作，實(shí)現(xiàn)車門按照規(guī)定的工藝流程進(jìn)行加工;控制焊接機(jī)器人激光器的功率按照焊接工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié);控制焊接機(jī)器人的激光器按照操作順序要求進(jìn)行分時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)激光器為兩個(gè)激光焊接機(jī)器人供光?，F(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄激光焊接機(jī)器人的運(yùn)行狀況，并能對加T軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。在電氣柜操作臺上裝有PLC的運(yùn)行狀態(tài)指示燈以及對系統(tǒng)進(jìn)行手動控制的按鈕。

3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　PLC在整個(gè)生產(chǎn)線中處于核心的控制地位。負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)機(jī)器人和夾具、機(jī)器人與激光器、機(jī)器人與焊接電源的動作，并對現(xiàn)場按鈕與顯示燈進(jìn)行控制。PLC與機(jī)器人的通訊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，同時(shí)PLC能對夾具體的軟件進(jìn)行自動識別，極大地方便了對系統(tǒng)夾具體的維護(hù)和對生產(chǎn)線功能的擴(kuò)展。PLC軟件的模塊化編程對系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了重要的作用，也極大地方便了對系統(tǒng)的調(diào)試和檢測。

　　3.1 PLC的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中共有4個(gè)工位。每個(gè)工位上裝有一套夾具，每套夾具上的氣缸為一組，由一個(gè)三位五通電磁換向閥來控制。每個(gè)氣缸配有兩個(gè)位置傳感器(干簧管磁性開關(guān))，為了方便對夾具體進(jìn)行識別，每套夾具上氣缸的數(shù)量不一樣，根據(jù)位置傳感器數(shù)量的不同來進(jìn)行夾具體的區(qū)分。氣缸個(gè)數(shù)最多為7個(gè)(為4，5，6，7)，故整個(gè)生產(chǎn)線的氣缸位置傳感器的輸入點(diǎn)最多為2×(4+5+6+7)一44點(diǎn)，每組氣缸由一個(gè)三位五通電磁換向閥來控制，4個(gè)工位共需要2×4—8個(gè)控制輸出點(diǎn)。加上機(jī)器人的通訊接口和夾具體識別的8個(gè)輸入按鈕以及系統(tǒng)的各類顯示燈，總輸入輸出點(diǎn)不超過200個(gè)?？紤]系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，選用性價(jià)比較高的西門子S7—200系列PLC作為本生產(chǎn)線的核心控制器。

　　S7—200采用模塊化設(shè)計(jì)，緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格，強(qiáng)大的指令以及大的輸入輸出電壓范圍，使其在解決工業(yè)自動化問題時(shí)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。由于整條生產(chǎn)線的4個(gè)工位布局緊湊，PLC與I/o的距離較近，不需要采用遠(yuǎn)程I/o模塊，每個(gè)工位上氣動閥的動作信號和氣缸位置的檢測信號都與PLC的I/o口直接相連。同時(shí)，電氣柜操作臺上的按鈕和狀態(tài)指示燈也直接與PLC的輸人輸出口相連接，故選擇S7—200的CPU226和擴(kuò)展模塊EM222、EM223，就完全能滿足系統(tǒng)控制的要求。具體I/O對現(xiàn)場按鈕與顯示燈進(jìn)行控制。PLC與機(jī)器人的通訊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，同時(shí)PLC能對夾具體的軟件進(jìn)行自動識別，極大地方便了對系統(tǒng)夾具體的維護(hù)和對生產(chǎn)線功能的擴(kuò)展。PLC軟件的模塊化編程對系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了重要的作用，也極大地方便了對系統(tǒng)的調(diào)試和檢測。

　　3.1 PLC的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中共有4個(gè)工位。每個(gè)工位上裝有一套夾具，每套夾具上的氣缸為一組，由一個(gè)三位五通電磁換向閥來控制。每個(gè)氣缸配有兩個(gè)位置傳感器(干簧管磁性開關(guān))，為了方便對夾具體進(jìn)行識別，每套夾具上氣缸的數(shù)量不一樣，根據(jù)位置傳感器數(shù)量的不同來進(jìn)行夾具體的區(qū)分。氣缸個(gè)數(shù)最多為7個(gè)(為4，5，6，7)，故整個(gè)生產(chǎn)線的氣缸位置傳感器的輸入點(diǎn)最多為2×(4+5+6+7)一44點(diǎn)，每組氣缸由一個(gè)三位五通電磁換向閥來控制，4個(gè)工位共需要2×4—8個(gè)控制輸出點(diǎn)。加上機(jī)器人的通訊接口和夾具體識別的8個(gè)輸入按鈕以及系統(tǒng)的各類顯示燈，總輸入輸出點(diǎn)不超過200個(gè)?？紤]系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，選用性價(jià)比較高的西門子S7—200系列PLC作為本生產(chǎn)線的核心控制器。S7—200采用模塊化設(shè)計(jì)，緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格，強(qiáng)大的指令以及大的輸入輸出電壓范圍，使其在解決工業(yè)自動化問題時(shí)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。由于整條生產(chǎn)線的4個(gè)工位布局緊湊，PLC與I/o的連接見圖3。

　　圖4是PLC輸入輸出點(diǎn)的接線圖。為表達(dá)清晰，圖中只列出一部分輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行說明。10.0為手動自動切換按鈕輸入，按下為自動操作，系統(tǒng)將按照自動程序模塊運(yùn)行，此時(shí)手動操作的按鈕失效;斷開為手動操作，可通過手動按鈕對系統(tǒng)進(jìn)行控制。Io.2～10.5為第一工位到第四工位的單獨(dú)操作按鈕，能對系統(tǒng)進(jìn)行單個(gè)工位的操作調(diào)試。11.o～12.1為位置傳感器，檢測氣缸的動作位置。12.3為溫度傳感器，對系統(tǒng)起限流保護(hù)作用。12.2為壓力傳感器，有一定的壓力允許范圍，當(dāng)系統(tǒng)壓力超出允許范圍時(shí)，傳感器就會自動切斷整個(gè)生產(chǎn)線電源，避免事故發(fā)生，對系統(tǒng)起保護(hù)作用。系統(tǒng)的輸出QO.1～QD.4通過控制2個(gè)三位五通電磁閥來控制氣缸的伸縮，進(jìn)而控制央具體的夾緊和松開。Q1.O～Q1.4為氣缸的位置顯示燈，當(dāng)氣缸到達(dá)設(shè)定的傳感器位置時(shí)，綠燈亮表示系統(tǒng)的操作運(yùn)行正常。而在操作指令完成后的設(shè)定時(shí)間內(nèi)仍未到達(dá)設(shè)定位置時(shí)，則閃爍紅燈進(jìn)行提醒，系統(tǒng)同時(shí)啟動報(bào)警程序。Q1.5～Q1.7為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的三色指示燈，顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，方便操作人員進(jìn)行安全操作。

　　3.2 PLC的軟件設(shè)計(jì)

　　3.2.1 PLC與機(jī)器人的通訊協(xié)議

　　在生產(chǎn)線中PLC與機(jī)器人控制器分別編程，PLC與機(jī)器人的通訊是整個(gè)生產(chǎn)線的核心問題，定義好PLC與機(jī)器人的通訊協(xié)議很關(guān)鍵。PLC與機(jī)器人之間采用問答式的串口通訊(通訊數(shù)據(jù)的組成由下表1，表2所示)。PLC發(fā)送給機(jī)器人的指令內(nèi)容是通知機(jī)器人執(zhí)行焊接或者是位姿操作的不同動作，機(jī)器人發(fā)送給PLC的指令內(nèi)容則是通知PLC機(jī)器人執(zhí)行相關(guān)動作的完成情況。

　　PLC根據(jù)機(jī)器人的通訊指令進(jìn)行下一步的操作。整個(gè)通訊的可靠性由起始符，BCC檢驗(yàn)碼和結(jié)束符來保證。在串口的通訊過程中，指令有可能受到任何的干擾而使原來的數(shù)據(jù)信號發(fā)生扭曲，此時(shí)的指令當(dāng)然是錯(cuò)誤的，為了偵測指令在傳輸過程中發(fā)生的錯(cuò)誤，接收方必須對指令作進(jìn)一步的確認(rèn)工作，以防止錯(cuò)誤的指令被執(zhí)行，最簡單的方法就是使用校驗(yàn)碼。BCC校驗(yàn)碼的方法就是將要傳送的字符串的ASCII碼以字節(jié)為單位作異或和，并將此異或和作為指令的一部分傳送出去;同樣地，接收方在接到指令后，以相同的方式對接收到的字符串作異或和，并與傳送方所送過來的值作對比，若其值相等，代表通訊正確。

　　3.2.2 PLC與機(jī)器人的交互軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)啟動后，PLC與機(jī)器人控制器上電復(fù)位，對系統(tǒng)夾具的各傳感器初始狀態(tài)和各按鈕的開閉狀態(tài)進(jìn)行掃描，將檢查結(jié)果同程序存儲中的模塊參數(shù)進(jìn)行比較，選擇參數(shù)一致的模塊執(zhí)行，同時(shí)控制三色燈顯示生產(chǎn)線目前的工作狀態(tài)。PLC軟件模塊設(shè)定的動作完成后與機(jī)器人通訊，機(jī)器人控制器根據(jù)PLC的通訊指令，通過與控制器存儲器中的相關(guān)指令進(jìn)行比較，選擇執(zhí)行對應(yīng)的模塊程序，進(jìn)行焊接作業(yè)或者位姿操作。在焊接時(shí)，機(jī)器人控制器通過控制焊機(jī)激光器的電源電流的大小和通斷時(shí)間來實(shí)現(xiàn)既定的焊接工藝參數(shù)，按照程序既定的焊接路徑進(jìn)行焊接。機(jī)器人完成相應(yīng)操作后通過通訊端口與PLC通訊，通過相應(yīng)的通訊指令通知PLC操作完成。

　　PLC根據(jù)機(jī)器人控制器的相應(yīng)通訊指令進(jìn)行下一步的操作，操作完成后再與機(jī)器人通訊，直到完成整個(gè)焊接任務(wù)。PLC與機(jī)器人的程序具體流程圖見圖5和圖6。

　　PLC系統(tǒng)采用模塊化編程的方式，將各個(gè)不同的獨(dú)立操作編寫成不同的子程序模塊，通過有條件的選擇和調(diào)用來實(shí)現(xiàn)我們順序控制的要求。這樣可以大大簡化控制軟件的設(shè)計(jì)，使軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試更具靈活性，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，保證整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)、有序地完成焊接要求。

　　3.2.3夾具體的自動識別軟件設(shè)計(jì)

　　PLC對夾具的控制實(shí)現(xiàn)了夾具體的自動識別。每套夾具上的氣缸數(shù)量不一樣，電磁閥的數(shù)目不一樣(根據(jù)每套夾具體氣缸分組情況而定)，而且氣缸存在使用和不使用的問題，氣缸的到位情況也有檢測和不檢測之分，根據(jù)這些參數(shù)構(gòu)成夾具體的控制字，對夾具體進(jìn)行區(qū)分和編號存儲。在控制臺上設(shè)置8個(gè)控制開關(guān)按鈕作為夾具體的編號輸入，通過顯示屏進(jìn)行夾具體的編號顯示。在PLC程序上，每次程序循環(huán)中都對夾具編號的輸入點(diǎn)進(jìn)行掃描，并放入暫存區(qū)，同時(shí)與記憶區(qū)中的夾具編號進(jìn)行比較。如果兩者相同，則表明該工位上的夾具狀態(tài)正常，無需任何動作，直接執(zhí)行相應(yīng)的程序模塊;如果不同，則提示夾具編號變化，需操作員確認(rèn)，此時(shí)又分為兩種情況：有新夾具換上工作臺，且系統(tǒng)已經(jīng)正確識別出新放入的夾具的編號，那么操作員需要在觸摸屏上確認(rèn)該夾具編號的正確性。

　　如果放上的夾具以前從未在該系統(tǒng)中使用過。則需對該夾具的控制字進(jìn)行正確設(shè)置后寫入PLC數(shù)據(jù)區(qū);如果該夾具曾經(jīng)在本系統(tǒng)中使用過至少一次，即數(shù)據(jù)區(qū)中保留有該夾具號對應(yīng)的控制信息，那么操作員在確認(rèn)夾具編號后，該夾具的控制信息會由系統(tǒng)以間接尋址方式自動調(diào)用出來，并顯示在觸摸屏上，確認(rèn)無誤，即可開始生產(chǎn)。由于硬件故障(連線斷裂、網(wǎng)絡(luò)故障等)造成自動識別出的夾具編號與實(shí)際不符時(shí)，(識別出錯(cuò))可通過強(qiáng)行寫入正確夾具編號的方式來讓系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式進(jìn)行生產(chǎn)，待完成任務(wù)后再進(jìn)行維修等操作，以緩解生產(chǎn)壓力。具體的過程見圖7。

4 結(jié)束語

　　利用PLC功能強(qiáng)，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力強(qiáng)，以及接線簡單，編程靈活、方便等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)激光焊接機(jī)器人生產(chǎn)線控制的方法，能保證系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定地工作，通過PLC與焊接機(jī)器人的交互通訊，達(dá)到了分散穩(wěn)定控制的目的。夾具體的自動識別和氣動夾具的可調(diào)整性增加了系統(tǒng)的靈活性，整個(gè)控制系統(tǒng)動作快速敏捷，定位精確，能滿足激光焊接機(jī)器人的高精度要求，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試和初步實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。