西门子PLC汽车车门焊接机器人控制

汽车行业的制造模式由原来的大批量、单一模式向按用户要求的柔性精益生产模式转变，而自动焊接技术在汽车车身焊接生产线上的应用有着十分重要的意义。S7-200PLC功能强大、编程调试方便，能满足高性能工业机器人位置和运动精度要求，在汽车车门自动焊接生产线上有着广泛的应用。
　　一、车门焊接工艺与加工系统组成
　　车身焊接是汽车制造生产线上的重要环节，而车门焊接是车身焊接中的关键一环，其工艺好坏直接影响到整车的质量和性能。车门焊接生产线包含四个工位，两台焊接机器人，工位一、工位二、工位三、工位四代表不同的工序，焊接机器人按照工艺要求，顺序控制完成工位一到工位四的工作，实现对车门不同部件的焊接。车门焊接工艺流程如图1所示。
　　整个焊接控制系统由西门子PLC、机器人、气压回路、夹具系统、操作台等构成。S7-200 PLC的输入部分主要为各工位按钮操作指令和传感器检测信号，其输出部分主要为气缸、电磁阀以及各指示灯，其中PLC对焊接机器人的控制极为关键。而采用模块化编程方法可以极大地提高整个系统的稳定性。
　　二、PLC硬件设计
　　在控制系统中，其中焊接工艺的夹具系统是由气压回路的气缸实现的，每组气缸分别由1个三位五通电磁阀来控制换向。工位一、二、三、四分别有4、5、6、7个气缸，每个气缸上装有2个位置传感器，共计有52路I/O输入点，加上机器人的通信接口和夹具体识别信号，总共的I/O点不超过200个，PLC的硬件不需要采用远程I/O模块，因此选择S7-200PLC CPU226以及2个扩展模块（数字量I/O扩展模块EM223和EM221），各模块及配置如表1所示。
　　由于焊接过程产生一定的温度，使气压回路的压力对夹具系统的夹具功能受到影响，所以在硬件设计过程中需添加模拟量扩展模块EM235。EM235模块可控制焊接过程中的温度和气压系统的压力，当气压回路压力超出允许工作范围时，PLC输出信号会自动切断生产线电源，保护焊接加工工艺生产线不被破坏。根据系统控制要求，S7-200 PLC的I/O分配表如表2所示（为表达清楚，表中只列出部分I/O端子）。其中SB4按钮为手动、自动切换按钮，SB5为急停按钮。
　　三、PLC软件设计
　　PLC与机器人在通信前要定义好通信协议，PLC与焊接机器人通信数据见表3。为了避免动作指令受到外界干扰而被错误地执行，使用BBC校验码来确保通信正确。指令发送方将要传送的字符串的ASCII码以字节为单位作异或和并发给接收方。接收方收到指令后，则以相同方式对收到的字符串作异或和，并与传送方发送来的真值作对比，或两者的值相等，则说明通信正确。
　　按下启动按钮，整个系统处于上电复位状态，控制器对各输入状态信号进行扫描，并将扫描后的信息与程序存储器中的各模块参数对比，如果两者参数相同，则开始执行该模块。
　　各模块动作结束后，S7-200PLC开始与焊接机器人相互通信。首先PLC向焊接机器人发送通信命令，机器人接收后并将与其自身控制器存储器中的相关指令比照，从而选择相应的模块程序开始执行，并进行焊接工艺或位置移动操作。焊接工艺参数的实现取决于焊机激光器的电源电流的大小和通断时间，在焊接机器人控制器控制下，机器人可以按照程序设定的工作路径进行操作。相应焊接操作完成后，机器人向PLC传送指令，PLC根据接收的指令完成下一步的流程，之后再发送指令至机器人，直至整个工作完成结束，PLC与机器人的程序具体流程图如图2所示（见文末）。
　　S7-200PLC系统采用模块化编程的方式，将一个大的程序按功能分割成一些小模块，相互对立，各自具有相应的功能。这样可以使程序设计更优化，缩短了开发周期，易于维护和功能扩充，保证整个系统协调、有序地完成车门的焊接工艺。
　　四、系统软件设计
　　操作系统的主要过程为：当按下启动按钮后，在自动工作模式下，焊接机器人初始化，当焊接工位一上有零件时，传感器给PLC发送控制命令，PLC输出信号给气压系统电磁阀，电磁阀得电动作，气缸伸出，零件被夹紧，零件装夹完毕保持2S后，PLC发送焊接信号命令，机器人接收到PLC所发信号后开始工作，工艺完成后，机器人向PLC发送松开夹具和转换工位信号，PLC控制工作台拖动零件向焊接工位二运动。以此类推，直至车门上的各个零件在4个焊接工位全部焊接完成。PLC软件共包含下面几个部分：（1）主程序是整个程序的核心程序，将PLC、气压回路电磁阀各参数进行初始化，同时对电源、焊接、故障、对指示灯进行处理和显示，同时开始调用和处理相应的子程序及中断子程序。（2）子程序共20个子程序，主要完成手动各工位工作循环、4个工位夹紧机构动作、PLC输出指示灯、各工位间工件传送、焊车机器人1与机器人2交替工作等多种功能，为阅读、调试、修改提供方便。（3）中断子程序包括接收信息完成、接收字符、发送完成等中断服務程序。

　　通过S7-200PLC与焊接机器人构建的控制系统，能有效提高焊接工艺和生产效率。通过PLC与焊接机器人的之间通信，确保焊接机器人与各工位焊接工序可以协同工作，使整个车门生产线上的焊接工艺水平提高、效率增强、质量可靠，为实现汽车小型化、轻量化及提高车身结构综合力学性能的发展，提供了强力技术支持。