基于PLC 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230009)
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PLC 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; PLC; 触摸屏; 车身总装夹具
中图分类号: TH165 文献标识码: A
0 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［1］，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［2］。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PLC 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450s ～ 600s缩短到250s ～ 360s，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。
1 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。
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250mm 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DeviceNet 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［3］。所以本设备各个系统间及系统内部通过DeviceNet 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10 个两位两通阀和2个两位三通阀组成，其中10 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。
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CJ-1W 系列的PLC，PLC 通过RS232 通讯电缆和触摸屏通信; 触摸屏选用的是欧姆龙NS10-TV00B-V2［4］，该系列触摸屏以数据，图形，按钮等各种形式来反映PLC 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PLC 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SMC 阀岛EX245-SDN2-X35，并在气源处加上过滤网。
3. 1 PLC 选型及软件设计
PLC 是整个系统的控制核心，本系统采用CJ-1W系列的组合模块式PLC，控制模块采用CJ-HCPU45［4］，通讯模块采用CJ1W-DM21［4］。根据系统控制方案，可统计输入点数为73，输出点数为55。为了保证系统I /Q 点数的需要并预留扩展空间，选择5块16 点数字输入模块( DRT2-ID211: DI16 ×24DC) ［4］; 4 块16 点数字输出模块( DRT2-OD211:DO16 × 24DC) ［4］。
按车身控制方案，我们用Cx-Integrator 进行总线组态，在DeviceNet 总线两端用120 欧的终端电阻终结。CJ-1W 作为欧姆龙系列PLC 中功能强大的中型模块式PLC，其编程语言是Cx-programmer，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NS10-TV00B-V2［4］，通过使用欧姆龙Cx-Designer 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分步功能按钮，各个动作的画面和信息，并将他们与PLC 程序相连。根据系统功能的要求，设计了气动界面，分步工位按钮，各个工位气缸信号检测显示，报警显示以及调试等界面。如图5所示为总拼工位主要界面; 图6 所示为车型滑台限位夹具监控界面。
图5 总拼工位界面
图6 车型滑台限位夹具界面
4 结束语
本设计根据某公司轻客生产实际要求，通过PLC和触摸屏的联合控制，简化了现场操作，提高了控制程序和人机界面的灵活性，并提供了完善的实时监视功能，使系统性能更加安全可靠。本车身总装夹具已经投入实际生产，单车生产节拍不超过360s，有效的保证了车身生产线的节拍; 设备通过近3 万辆车的生产检测，设备系统稳定、故障检测与排除方便，达到了预期的目标。
参考文献
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