摘要: 車身總裝工藝是白車身生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝，論文用程序自動控制代替手動氣壓控制，確保達(dá)到車身總裝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求。該設(shè)備的控制系統(tǒng)是以PLC 控制技術(shù)為核心，以觸摸屏為人機操作界面，采用二者配合控制實現(xiàn)了車身總裝夾具的控制要求。設(shè)備已經(jīng)投入生產(chǎn)，運行結(jié)果表明: 該系統(tǒng)在降低了設(shè)備成本的同時，有效的縮短了生產(chǎn)周期，對其它類產(chǎn)品設(shè)計有一定參考價值。

關(guān)鍵詞: 白車身; PLC; 觸摸屏; 車身總裝夾具

中圖分類號: TH165 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

0 引言

車身總裝焊接是白車身焊接中的關(guān)鍵工序，直接影響到汽車發(fā)動機、門蓋、前后橋等其他零部件的裝配。國內(nèi)外主流汽車生產(chǎn)線在白車身總裝工序的設(shè)計和控制方面都做了不少探索，形成了一批自動化程度高，焊接工藝優(yōu)良且工作效率高的車身總裝夾具。由于現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，其將智能化現(xiàn)場設(shè)備、自動化系統(tǒng)通過一條物理線路連在一起，取代控制器和控制器之間的信號傳輸［1］，解決了以往集散控制系統(tǒng)布線量大，布線種類多，費用高和易受干擾等缺點［2］?？偩€技術(shù)為車身焊裝自動化控制提供了強有力的技術(shù)支持。

原始的車身總裝夾具采用的是人工操作各種氣閥，來達(dá)到總裝工藝的要求; 這種控制方式不但無法控制好車身總裝的質(zhì)量，而且生產(chǎn)節(jié)拍要求很難達(dá)到。本文根據(jù)北京某公司輕客生產(chǎn)線的實際要求，設(shè)計出了一套基于PLC 和觸摸屏的車身總裝夾具的自動化系統(tǒng)。本系統(tǒng)使生產(chǎn)節(jié)拍由原來的450s ～ 600s縮短到250s ～ 360s，改變原來由全人工操作為全自動操作，對控制設(shè)備成本，提高經(jīng)濟效益很有幫助。

1 車身總裝設(shè)計方案

本設(shè)計要求在總裝工藝上能實現(xiàn)八種不同車型的焊裝，考慮到經(jīng)濟和實際的運用，我們在本設(shè)計中加入一些切換機構(gòu)，如有無舵切換，有無門洞切換，新舊前圍切換，長短車型切換等?？紤]到板件運輸和生產(chǎn)效率，本總裝夾具采用吊具運輸板件，結(jié)合觸摸屏和各個控制盒上設(shè)置的按鈕，來控制整改設(shè)備的動作。又由于本設(shè)計是根據(jù)某公司輕客原車身焊接線而改造，所以從原生產(chǎn)線考慮改進(jìn)設(shè)計如圖1所示。

本車身總裝工藝分為側(cè)圍補焊工藝和車身總拼工藝，通過左右吊具系統(tǒng)進(jìn)行板件的輸送。整個車身總裝的動作采用氣動控制。側(cè)圍補焊工位分為左右補焊夾具，屬于對稱分布，工藝流程類似。側(cè)圍補焊工位是一個可翻轉(zhuǎn)的夾具，夾具的翻轉(zhuǎn)是通過變頻器控制伺服電機來實現(xiàn)。側(cè)圍板件成型后輸送到側(cè)圍補焊位( 此時側(cè)圍補焊夾具處于垂直位) ，然后進(jìn)行焊點補焊; 補焊完成后，側(cè)圍補焊夾具翻轉(zhuǎn)到水平位置，通過吊具抓件向總拼位輸送?？紤]到側(cè)圍補焊控制的方便性，本設(shè)計在側(cè)圍補焊位設(shè)立的獨立的控制柜; 此控制柜可控制補焊位和相應(yīng)的吊具系統(tǒng)。

車身總拼工位分為左右側(cè)圍位，與側(cè)圍補焊一樣對稱分布。總拼工位的側(cè)位為一個可翻轉(zhuǎn)的夾具，考慮到總拼翻轉(zhuǎn)夾具自身的重量很大，用電機翻轉(zhuǎn)不但效果難實現(xiàn)且成本會加大，故我們考慮用250mm 缸徑的氣缸控制。總拼位接受來自于吊具系統(tǒng)輸送的板件( 接受板件時總拼位側(cè)圍處于水平位置) ，然后總拼位側(cè)圍夾具夾緊翻轉(zhuǎn); 在地板上完后，側(cè)圍位平移合成車身，最后進(jìn)行焊接。為了操作人員控制的方便和生產(chǎn)安全，在總拼位設(shè)立了四個控制盒子，進(jìn)行配合控制?？偲次坏那皣彩且粋€翻轉(zhuǎn)機構(gòu)( 如圖2) ，前圍上件夾緊，從水平位翻轉(zhuǎn)垂直，后平移到位焊接; 焊接完成后原方式動作復(fù)位。

2 車身總裝控制方案

由于車身總裝上工序較多且各個部分聯(lián)系較緊密，所以將整個控制系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)，分別為:側(cè)圍補焊系統(tǒng)，總拼系統(tǒng)和吊具系統(tǒng)( 如圖3) 。由于DeviceNet 總線具有開放、低價、可靠、高效的優(yōu)點，特別適合于高實時性要求的工業(yè)現(xiàn)場底層控制; 它運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸可靠、信息響應(yīng)快速、抗干擾能力增強; 具有自動診斷、故障顯示功能;更好地滿足控制系統(tǒng)信息集成的要求; 總線節(jié)點具有良好的防護(hù)等級［3］。所以本設(shè)備各個系統(tǒng)間及系統(tǒng)內(nèi)部通過DeviceNet 總線進(jìn)行實時信號控制，分析和處理，并通過觸摸屏實現(xiàn)各個部分工作狀態(tài)的監(jiān)控。由于本系統(tǒng)各個工位是對稱分布且對稱工位控制方案類似，故以下只敘述系統(tǒng)動作不區(qū)分左右。

側(cè)圍補焊系統(tǒng)主要由三個控制過程組成，分別是閥1 控制側(cè)圍補焊工位的氣缸的動作; 閥2 控制側(cè)圍翻轉(zhuǎn)臺的到位鎖死動作; 側(cè)圍變頻器控制側(cè)圍翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)動作。

吊具系統(tǒng)主要功能是將板件輸送到總拼工位，是本工藝中聯(lián)系側(cè)圍補焊和總拼工位的紐帶。吊具系統(tǒng)的控制形式如下: 獨立閥1 控制吊具抓緊氣缸的動作; 獨立閥2 控制吊具平移小車到位鎖死動作;變頻器控制吊具的升降、平移。

總拼系統(tǒng)是車身總裝關(guān)鍵工位，要完成的工序多，安裝標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，故采用三個閥島進(jìn)行集中控制( 如圖3 所示) 。閥島1 是由10 個兩位兩通閥和2個兩位三通閥組成，其中10 個兩位兩通閥控制如下: 門洞動作控制、舵型切換控制、側(cè)圍夾緊1、側(cè)圍夾緊2、五個獨立固定焊鉗控制、側(cè)圍限位銷控制。側(cè)圍水平平移和側(cè)圍翻轉(zhuǎn)需氣壓較大且要求能在出故障時立即停止，故采用三位兩通獨立閥控制; 閥島2 主要控制地板和前圍的相關(guān)動作，由5 個兩位兩通閥和1 個三位兩通閥組成。其中兩位兩通閥控制如下: 前圍夾緊動作，前圍翻轉(zhuǎn)動作，地板夾緊動作，長短車型切換動作，前圍切換動作; 考慮到前圍平移的安全，我們在前圍水平移動控制采用三位兩通閥。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)工藝方案和控制方案的設(shè)計，結(jié)合設(shè)備的動作實際要求，我們進(jìn)行了硬件的選型和程序的編寫。本車身總成系統(tǒng)的核心處理器采用歐姆龍CJ-1W 系列的PLC，PLC 通過RS232 通訊電纜和觸摸屏通信; 觸摸屏選用的是歐姆龍NS10-TV00B-V2［4］，該系列觸摸屏以數(shù)據(jù)，圖形，按鈕等各種形式來反映PLC 的內(nèi)部狀態(tài)位，存儲數(shù)據(jù)，從而參與工程控制，能良好的滿足經(jīng)濟實用的要求。系統(tǒng)所有的邏輯控制和判斷、中間繼電器及時間繼電器的邏輯功能等均由PLC 內(nèi)部程序指令來實現(xiàn)。考慮到焊裝車間的焊屑比較多，故選擇防護(hù)等級高的SMC 閥島EX245-SDN2-X35，并在氣源處加上過濾網(wǎng)。

3. 1 PLC 選型及軟件設(shè)計

PLC 是整個系統(tǒng)的控制核心，本系統(tǒng)采用CJ-1W系列的組合模塊式PLC，控制模塊采用CJ-HCPU45［4］，通訊模塊采用CJ1W-DM21［4］。根據(jù)系統(tǒng)控制方案，可統(tǒng)計輸入點數(shù)為73，輸出點數(shù)為55。為了保證系統(tǒng)I /Q 點數(shù)的需要并預(yù)留擴展空間，選擇5塊16 點數(shù)字輸入模塊( DRT2-ID211: DI16 ×24DC) ［4］; 4 塊16 點數(shù)字輸出模塊( DRT2-OD211:DO16 × 24DC) ［4］。

按車身控制方案，我們用Cx-Integrator 進(jìn)行總線組態(tài)，在DeviceNet 總線兩端用120 歐的終端電阻終結(jié)。CJ-1W 作為歐姆龍系列PLC 中功能強大的中型模塊式PLC，其編程語言是Cx-programmer，支持梯形圖、指令表、功能圖編程方式，具有結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的優(yōu)點，用樹型的形式管理用戶程序以及程序需要的數(shù)據(jù)等。本系統(tǒng)的工作流程框圖( 如圖4) ，簡述如下:

(1) 系統(tǒng)開機后，會進(jìn)行包括站點故障，總線狀態(tài)，設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)等自檢內(nèi)容，無故障即可進(jìn)入運行狀態(tài)。
(2) 當(dāng)運行開始時，本系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前的模式進(jìn)行動作; 手動模式下，根據(jù)要生產(chǎn)的車型，進(jìn)行如新舊前圍、長短車型、有無門洞、有無舵的切換。
(3) 各個切換完成后，按下自動運行模式按鈕，補焊工位會上件夾緊，并進(jìn)行補焊。
(4) 完成補焊后按下補焊工位控制柜上的‘吊具下行’按鈕，吊具會自動從中位平移到補焊工位; 與此同時補焊位夾具水平翻轉(zhuǎn)，吊具自動下降抓件，后升起向總拼位平移。
(5) 此時會判斷總拼位圍位是否翻轉(zhuǎn)，如沒有翻轉(zhuǎn)吊具將在中位停止; 如已經(jīng)翻轉(zhuǎn)吊具會將板件運輸?shù)娇偲磦?cè)圍。放件完畢后吊具會自動升起回到中位，等待下次工作。
(6) 總拼位側(cè)圍接受到板件后會自動夾緊，同側(cè)兩人同時按下操作盒上側(cè)圍翻轉(zhuǎn)按鈕，側(cè)圍夾具會垂直翻轉(zhuǎn)。在吊具放件的時候就可以上地板并夾緊。
(7) 同側(cè)操作人員同時按下‘側(cè)圍前進(jìn)’按鈕，側(cè)圍將平移前進(jìn); 側(cè)圍平移到位后，滑臺定位銷將下降，此時車身總裝合成完成; 接著進(jìn)行相關(guān)的焊接工作，如前后梁焊接，車身各個點焊接，前圍動作焊接以及固定焊鉗的自動焊接等。
(8) 所有的車身焊接完成后，按下操作盒上的‘工作完成’按鈕，總拼位各個夾具會自動松開，接著側(cè)圍滑臺定位銷自動升起; 同側(cè)操作人員同時按下‘側(cè)圍后退’按鈕，側(cè)圍滑臺自動后退平移，滑臺定位銷在后位下降。到此整個動作循環(huán)結(jié)束。

本設(shè)備手動與自動控制、各個夾具的夾緊打開、故障信號的實時檢測等，均會通過主控柜上觸摸屏進(jìn)行人機交互。本系統(tǒng)中設(shè)立的實時故障檢測功能，一方面會在觸摸屏上顯示報警地點，另一方面會使故障部分設(shè)備中斷，確保操作人員安全。

3. 2 觸摸屏軟件的設(shè)計

觸摸屏將設(shè)備的分步動作功能鍵及顯示集于一體，能方便的操作和監(jiān)控設(shè)備，并顯示當(dāng)前設(shè)備工作的狀態(tài)。選用歐姆龍觸摸屏NS10-TV00B-V2［4］，通過使用歐姆龍Cx-Designer 組態(tài)軟件提供的多種控制按鈕庫、圖形控件、功能控件等，可方便的對設(shè)備所需的顯示和操作進(jìn)行最優(yōu)修改。軟件還可以為不同的操作人員設(shè)立不同的密碼和使用權(quán)限。

觸摸屏軟件的設(shè)計包括設(shè)備的分步功能按鈕，各個動作的畫面和信息，并將他們與PLC 程序相連。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，設(shè)計了氣動界面，分步工位按鈕，各個工位氣缸信號檢測顯示，報警顯示以及調(diào)試等界面。如圖5所示為總拼工位主要界面; 圖6 所示為車型滑臺限位夾具監(jiān)控界面。

4 結(jié)束語

本設(shè)計根據(jù)某公司輕客生產(chǎn)實際要求，通過PLC和觸摸屏的聯(lián)合控制，簡化了現(xiàn)場操作，提高了控制程序和人機界面的靈活性，并提供了完善的實時監(jiān)視功能，使系統(tǒng)性能更加安全可靠。本車身總裝夾具已經(jīng)投入實際生產(chǎn)，單車生產(chǎn)節(jié)拍不超過360s，有效的保證了車身生產(chǎn)線的節(jié)拍; 設(shè)備通過近3 萬輛車的生產(chǎn)檢測，設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定、故障檢測與排除方便，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。