基于PLC 和觸摸屏的車身總裝夾具控制系統設計
王淑旺，顧立才，張定，魯恒飛
( 合肥工業大學機械與車輛工程學院，合肥230009)

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

關鍵詞: 白車身; PLC; 觸摸屏; 車身總裝夾具

中圖分類號: TH165 文獻標識碼: A

0 引言

    車身總裝焊接是白車身焊接中的關鍵工序，直接影響到汽車發動機、門蓋、前后橋等其他零部件的裝配。國內外主流汽車生產線在白車身總裝工序的設計和控制方面都做了不少探索，形成了一批自動化程度高，焊接工藝優良且工作效率高的車身總裝夾具。由于現場總線技術的發展，其將智能化現場設備、自動化系統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布線量大，布線種類多，費用高和易受干擾等缺點［2］。總線技術為車身焊裝自動化控制提供了強有力的技術支持。

    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量，而且生產節拍要求很難達到。本文根據北京某公司輕客生產線的實際要求，設計出了一套基于PLC 和觸摸屏的車身總裝夾具的自動化系統。本系統使生產節拍由原來的450s ～ 600s縮短到250s ～ 360s，改變原來由全人工操作為全自動操作，對控制設備成本，提高經濟效益很有幫助。

1 車身總裝設計方案

    本設計要求在總裝工藝上能實現八種不同車型的焊裝，考慮到經濟和實際的運用，我們在本設計中加入一些切換機構，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。考慮到板件運輸和生產效率，本總裝夾具采用吊具運輸板件，結合觸摸屏和各個控制盒上設置的按鈕，來控制整改設備的動作。又由于本設計是根據某公司輕客原車身焊接線而改造，所以從原生產線考慮改進設計如圖1所示。

圖1 車身總裝夾具總體構架示意圖
 

    本車身總裝工藝分為側圍補焊工藝和車身總拼工藝，通過左右吊具系統進行板件的輸送。整個車身總裝的動作采用氣動控制。側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。側圍補焊工位是一個可翻轉的夾具，夾具的翻轉是通過變頻器控制伺服電機來實現。側圍板件成型后輸送到側圍補焊位( 此時側圍補焊夾具處于垂直位) ，然后進行焊點補焊; 補焊完成后，側圍補焊夾具翻轉到水平位置，通過吊具抓件向總拼位輸送。考慮到側圍補焊控制的方便性，本設計在側圍補焊位設立的獨立的控制柜; 此控制柜可控制補焊位和相應的吊具系統。

    車身總拼工位分為左右側圍位，與側圍補焊一樣對稱分布。總拼工位的側位為一個可翻轉的夾具，考慮到總拼翻轉夾具自身的重量很大，用電機翻轉不但效果難實現且成本會加大，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輸送的板件( 接受板件時總拼位側圍處于水平位置) ，然后總拼位側圍夾具夾緊翻轉; 在地板上完后，側圍位平移合成車身，最后進行焊接。為了操作人員控制的方便和生產安全，在總拼位設立了四個控制盒子，進行配合控制。總拼位的前圍也是一個翻轉機構( 如圖2) ，前圍上件夾緊，從水平位翻轉垂直，后平移到位焊接; 焊接完成后原方式動作復位。

圖2 前圍夾具三維圖
 

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系較緊密，所以將整個控制系統分為三個子系統，分別為:側圍補焊系統，總拼系統和吊具系統( 如圖3) 。由于DeviceNet 總線具有開放、低價、可靠、高效的優點，特別適合于高實時性要求的工業現場底層控制; 它運用網絡技術數據傳輸可靠、信息響應快速、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信息集成的要求; 總線節點具有良好的防護等級［3］。所以本設備各個系統間及系統內部通過DeviceNet 總線進行實時信號控制，分析和處理，并通過觸摸屏實現各個部分工作狀態的監控。由于本系統各個工位是對稱分布且對稱工位控制方案類似，故以下只敘述系統動作不區分左右。

圖3 控制方案
 

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

    吊具系統主要功能是將板件輸送到總拼工位，是本工藝中聯系側圍補焊和總拼工位的紐帶。吊具系統的控制形式如下: 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。

   總拼系統是車身總裝關鍵工位，要完成的工序多，安裝標準嚴格，故采用三個閥島進行集中控制( 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、側圍夾緊1、側圍夾緊2、五個獨立固定焊鉗控制、側圍限位銷控制。側圍水平平移和側圍翻轉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 控制系統的設計

    根據工藝方案和控制方案的設計，結合設備的動作實際要求，我們進行了硬件的選型和程序的編寫。本車身總成系統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］，該系列觸摸屏以數據，圖形，按鈕等各種形式來反映PLC 的內部狀態位，存儲數據，從而參與工程控制，能良好的滿足經濟實用的要求。系統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 內部程序指令來實現。考慮到焊裝車間的焊屑比較多，故選擇防護等級高的SMC 閥島EX245-SDN2-X35，并在氣源處加上過濾網。

3. 1 PLC 選型及軟件設計

    PLC 是整個系統的控制核心，本系統采用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］。根據系統控制方案，可統計輸入點數為73，輸出點數為55。為了保證系統I /Q 點數的需要并預留擴展空間，選擇5塊16 點數字輸入模塊( DRT2-ID211: DI16 ×24DC) ［4］; 4 塊16 點數字輸出模塊( DRT2-OD211:DO16 × 24DC) ［4］。

    按車身控制方案，我們用Cx-Integrator 進行總線組態，在DeviceNet 總線兩端用120 歐的終端電阻終結。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，具有結構化程序設計的優點，用樹型的形式管理用戶程序以及程序需要的數據等。本系統的工作流程框圖( 如圖4) ，簡述如下:

(1) 系統開機后，會進行包括站點故障，總線狀態，設備當前狀態等自檢內容，無故障即可進入運行狀態。
(2) 當運行開始時，本系統會根據當前的模式進行動作; 手動模式下，根據要生產的車型，進行如新舊前圍、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，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，如沒有翻轉吊具將在中位停止; 如已經翻轉吊具會將板件運輸到總拼側圍。放件完畢后吊具會自動升起回到中位，等待下次工作。
(6) 總拼位側圍接受到板件后會自動夾緊，同側兩人同時按下操作盒上側圍翻轉按鈕，側圍夾具會垂直翻轉。在吊具放件的時候就可以上地板并夾緊。
(7) 同側操作人員同時按下“側圍前進”按鈕，側圍將平移前進; 側圍平移到位后，滑臺定位銷將下降，此時車身總裝合成完成; 接著進行相關的焊接工作，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，接著側圍滑臺定位銷自動升起; 同側操作人員同時按下“側圍后退”按鈕，側圍滑臺自動后退平移，滑臺定位銷在后位下降。到此整個動作循環結束。

圖4 系統工作流程框圖
 

    本設備手動與自動控制、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行人機交互。本系統中設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備中斷，確保操作人員安全。

3. 2 觸摸屏軟件的設計

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

   觸摸屏軟件的設計包括設備的分步功能按鈕，各個動作的畫面和信息，并將他們與PLC 程序相連。根據系統功能的要求，設計了氣動界面，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控界面。

圖5 總拼工位界面
 

圖6 車型滑臺限位夾具界面
 

4 結束語

    本設計根據某公司輕客生產實際要求，通過PLC和觸摸屏的聯合控制，簡化了現場操作，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視功能，使系統性能更加安全可靠。本車身總裝夾具已經投入實際生產，單車生產節拍不超過360s，有效的保證了車身生產線的節拍; 設備通過近3 萬輛車的生產檢測，設備系統穩定、故障檢測與排除方便，達到了預期的目標。

參考文獻

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