（机械制造及其自动化专业论文）基于rockwell平台的biw机器人焊装线电控系统研究.pdf

基于r o c k w e l l 平台的b i w 机器人焊装线电控系统研究 摘要 b i w ( 白车身) 机器人焊装线结构复杂，自动化程度高，控制难度大，安全 要求高。本文基于r o c k w e l l 控制平台，对白车身机器人焊装线整线的电控 系统进行了研究。根据整线生产工艺和线体构成，采用r o c k w e l l 公司提供 的n e t l i n x 开放网络体系结构，硬件设备和软件系统，构建了一套标准化、模 块化的焊装线整线控制网络和硬件系统，简化了控制系统的硬件接线，降低了 成本。通过对整线控制任务的剖析，将整线控制程序进行了合理的规划，编写 了针对典型工位和典型设备的通用控制程序。通过对各个程序模块建立标准的 接口和丰富的控制变量，增强了程序的可读性，提高了编程效率，缩短了整线 控制系统的开发周期，实现了整线控制程序的标准化和模块化。采用基于安全 控制器、安全总线和分布式安全工0 的方式构成了安全电控系统，保证了整条焊 装线安全、可靠、高效的运行，实现了整条焊装线的柔性化控制，方便了安装 调试和系统维护。 关键词：b i w 机器人焊装线；r o c k w e l l 控制平台；安全电控系统；标准化， 模块化 r e s e a r c ho nt h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rb i w r o b o tw e l d i n gl i n eb a s e do nr o c k w e l lp l a t f o r m a b s t r a c t i nb i w ( b o d yi nw h i t e ) r o b o tw e l d i n gl i n e ，t h ew h o l el i n ef e a t u r e s c o m p l e xs t r u c t u r e ，h i g ha u t o m a t i o n ，d i f f i c u l t yi nc o n t r o l ，a n dh i g hs a f e t y r e q u i r e m e n t s b a s e do nt h er o c k w e l l e o n t r o lp l a t f o r m ，t h ee l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mo ft h ew h o l el i n ew a ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o n p r o c e s sa n dt h e1 i n ec o m p o s i t i o n ，s t a n d a r d i z e da n dm o d u l a r i z e dh a r d w a r e d e s i g na n dc o n t r o ln e t w o r kw e r ec o n s t r u c t e db ym e a n so fr o c k w e l l c o m p a n y sn e t l i n xo p e nn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r ef a c i l i t i e sa n d s o f t w a r es y s t e m ，w h i c hs i m p l i f i e st h eh a r d w a r ec o n n e c t i o n ，a n dr e d u c e s t h ec o s t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew h o l el i n ec o n t r 0 1t a s k s ，t h ew h o l e l i n ec o n t r o lp r o g r a m sw e r ep l a n n e da c c o r d i n g l y ，a n dt h eg e n e r a lc o n t r o l p r o g r a m so ft y p i c a ls t a t i o n sa n dt y p i c a le q u i p m e n tw e r ed e v e l o p e d t h r o u g he s t a b l i s h i n gs t a n d a r di n t e r f a c ea n dr i c hc o n t r o lv a r i a b l e sf o re a c h p r o g r a mm o d u l e s ，e n h a n c i n gt h er e a d a b i l i t yo ft h ep r o g r a m ，i m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c yo fp r o g r a m m i n g ，s h o r t i n gt h ed e v e l o p m e n tc y c l et i m eo fl i n e s ， a n dr e a l i z i n gt h es t a n d a r d i z e da n dm o d u l a r i z e dc o n t r o lp r o g r a m as a f e t y e l e c t r i c a ls y s t e m ，c o m p o s i n go fs a f e t yc o n t r o l l e r ，m u l t i l e v e ls a f e t y f i e l d b u s ，a n ds a f e t yi om o d u l e s ，e n s u r e st h es y s t e ms a f e t y ，r e l i a b i l i t ya n d e f f i c i e n c y ，c o n s e q u e n t l ym a k e st h ew h o l el i n ec o n t r o lm o r ef l e x i b l e ，a n d i n s t a l l a t i o n ，c o m m i s s i o n i n g ，m a i n t e n a n c e ，a n ds e r v i c i n gm o r ec o n v e n i e n t a sw e l l k e yw o r d s ：b i wr o b o tw e l d i n gl i n e ；r o c k w e l l c o n t r o lp l a t f o r m ； s a f e t ye l e c t r i c a ls y s t e m ；s t a n d a r d i z a t i o n ，m o d u l a r i z a t i o n 插图清单 图2 1 白车身焊装线焊装工艺流程图5 图2 2 机器人焊接系统7 图2 3 平移式夹具8 图2 4 滚床滑撬式输送系统9 图2 4o u a r d l o g i xp l c 1 1 图3 1 白车身地板总成焊装线布局图1 4 图3 2n e t l i n x 三层网络结构示意图1 6 图3 3 白车身焊装线控制网络架构一1 9 图3 4 控制系统硬件规划图2 0 图3 5 控制系统电源规划图2 1 图3 6 配电柜( p d p ) 矛i 主控柜( m c p ) 柜内布置参考图一2 1 图3 7 焊接控制柜及变频器控制柜柜内布置参考图2 2 图3 8 人工工位按钮盒外观及硬件构成2 3 图3 9 现场接线盒柜内外参考图2 4 图3 10 安全门盒板面图2 4 图3 1 1h m i 操作站外观及功能画面2 5 图3 1 2 以太网交换机盒2 5 图4 1r s l i n x 软件中的网络通讯2 6 图4 2r s l o g i x 5 0 0 0 软件中硬件组态图。2 7 图4 3 以太网节点及远程以太网模块通讯设置2 7 图4 4 安全i 0 模块硬件参数设置2 8 图4 5r s n e t w o r k s 软件中d e v i c e n e t 模块组态图2 8 图4 6 模块数据类型图2 9 图4 7 用户自定义数据类型图2 9 图4 8p r o g r a mt a g 和c o n t r o l l e rt a g 2 9 图4 - 9 标准程序间变量的交互方式3 0 图4 1 0 安全程序和标准程序间变量交互方式3 1 图4 1 l 生产者消费者通信示意图3 2 图4 1 2 焊装线控制程序规划图3 3 图4 1 3 主任务及安全任务结构图3 4 图4 1 4 典型工位示意图3 5 图4 1 5 典型工作站的控制过程3 6 图4 1 6 机器人焊接控制过程4 0 图4 1 7 具有焊接、抓件和放件动作的机器人控制过程4 1 图4 1 8 夹具动作时序控制图一4 3 图4 1 9 滚床工作流程图4 5 图4 2 0 滚床上升控制时序图4 5 图4 2 1 安全区域的全局画面4 7 图4 2 2 通用画面标题的信息条目位置4 7 图4 2 3 h m i 和p l c 交互信号示意图4 8 图4 2 4 h m i 程序中部分标签图4 9 图5 1 使用安全继电器搭建的安全回路5 0 图5 2 使用安全p l c ，安全总线和安全i o 搭建的安全回路5 l 图5 3c e l l l 安全系统硬件分布图一5 2 图5 4 安全控制系统网络规划图5 2 图5 5 安全任务图5 3 图5 - 6s a f e t y 标准配置模块图例5 4 表格清单 表2 1 人工按钮盒按钮及指示灯功能描述：2 3 表4 1p l c 与机器人轨迹控制信号交互表3 7 表4 2 机器人轨迹段号功能定义3 8 表4 3 机器人轨迹段号1 0 5 9 在焊装线中的定义3 8 表4 4 设备动作类型及功能表一4 1 表4 5 h m i 画面标题条目内容及功能4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒8 里王些盍堂 政其 他教育机构的学位或证二 ；而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 彳衍 签字日期：溯年石月2 牙自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 曼王些叁堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盒8 巴工些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名匆 签字日期：狮年红月邵日 日 学位论文作者毕业后去向： ：【作单位： 通讯地址： 导师签名： 签- y - 日期：c ，年哆月 电话： 邮编： 致谢 两年多紧张而充实的研究生生活即将结束。在此毕业论文成稿之际，谨以只 言片语向两年来在各个方面支持、帮助、关心过我的人们表示真挚的谢意。 本文是在导师王健强教授的悉心指导下完成的。在两年多的学习生涯中，导 师在学习、生活等方面均给予了我无私的帮助与支持。在我学位课程的拟定、 研究课题的落实、论文撰写等方面给予了悉心指导和热情关怀，使我从中受益 匪浅。可以说本文得以完成，倾注了导师大量的心血和汗水。在此谨向我的导 师王健强教授暾以崇高的敬意和衷心的感谢! 导师渊博的学识、严谨的治学态 度、科学求实的作风、忘我的敬业精神和虚怀若谷的学术作风给我留下了深刻 的印象，并将激励我在今后的科学道路上不懈攀登! 在两年多的硕士学习生活中，感谢巨一自动化公司给我提供学习和实习的机 会，感谢公司领导对我的关心，感谢公司同事吴承超、马文明、王明、陶翔等 对我指导。感谢师兄张天华、孙纯哲、任玉峰、王长润及同学李斌、王华国， 张婧慧，刘宝柱，王玮等对我手足般的支持和关爱。 我要特别感谢我的家人多年来对我学习和生活的支持和鼓励。在我困难的时 候，是他们给予了我战胜困难的信心和力量，使我得以顺利完成了学业。本文 凝结了他们的心血、教诲和温暖! 最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在百忙中 给予的悉心指导! 同时也对曾给予我帮助和关心我的老师、同学和朋友们表示 衷心的感谢! 作者：童育华 2 0 1o 年4 月1 日 第一章绪论 汽车产业是国民经济重要的支柱产业，产业链长、关联度高、就业面广、 消费拉动大，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。进入2 1 世纪以来，我 国汽车产业高速发展，形成了多品种、全系列的各类整车和零部件生产及配套 体系，产业集中度不断提高，产品技术水平明显提升，已经成为世界汽车生产 大国。但是，技术水平不高、产业结构不合理、自主开发能力薄弱、消费政策 不完善等问题依然突出。2 0 0 8 年下半年起，随着国际金融危机的蔓延，国内汽 车市场受到严重冲击，为应对国际金融危机，促进我国汽车产业持续、健康、 稳定发展，特制定了汽车产业调整和振兴规划。汽车产业调整和振兴规划 的目标是稳定需求，调整产品结构和产业结构。其中，稳定汽车市场需求方面， 力求未来三年平均增长率达1 0 。汽车产业振兴规划中提出了十几项扩大汽车 消费的措施，如车购税减征，汽车下乡，油价调整、燃油税改革和以旧换新等， 随着这些政策的出台和实施，国内汽车消费环境进一步好转、消费者的信心进 一步增强，汽车行业增长复苏也得到有效的刺激。到2 0 0 9 年底【2 】，中国汽车业 得到了井喷式的增长，产销双超13 0 0 万辆，超越日本、美国位居世界第一。据 中汽协2 0 1 0 年3 月底发布的汽车销量数据显示【3 】，一季度汽车产销分别完成 4 5 5 4 5 万辆和4 6 1 0 6 万辆，同比分别增长7 7 和7 2 。当月和一季度产销均刷 新历史最高记录。 目前，我国汽车市场【4 】正处在增长期，城乡市场需求潜力巨大，汽车产业 发展的基本面没有改变。中国巨大的汽车市场吸引全球国际汽车品牌纷至沓来， 在中国各地投资建厂，汽车制造商为了扩大市场占有率和提升利润空间，愈发 重视应用先进的生产设备和技术以扩大生产规模，增进效率，降低成本。因而， 汽车自动化系统的快速发展成为了业界瞩目的焦点之一。白车身焊装线 5 1 的主 流及发展方向是以机器人柔性焊装生产线为主，以适应多车型、变批量的混流生 产。 1 1 国内外b i w ( 白车身) 机器人焊装线技术发展状况 1 1 1 国外发展状况 国外在白车身焊装线领域已经掌握了比较先进的技术，其中最为典型的是 工业机器人技术，工业机器人已经成为一种标准设备被业界广泛应用。目前， 国外在白车身机器人焊装线领域的发展趋势主要有以下几点【6 h 1 4 】： 1 自动化生产线的虚拟制造技术。虚拟制造技术是利用仿真与虚拟现实技 术，在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模 拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造 的本质过程。 2 自动化焊装线的在线检测和实时监控技术。通过网络技术，机器人技术， 传感器技术等，实现自动化生产线在生产过程中的在线检测和实时监控，保证 产品质量，实现安全生产。 3 自动化生产线的协调控制和管理技术。通过对生产过程建立完整的制造 过程信息，实现对整条生产线的协调控制和管理，使产品能够快速响应市场， 从而提高产品竞争力。 4 自动化生产线标准化，模块化的设计技术。通过对自动化生产线的设备 和控制技术等建立标准化，模块化的模板，能实现自动化生产线的快速重构和 调整。 5 应用大量新型的技术，来完成白车身的焊装，如视觉系统，图像处理系 统，人工智能，仿生技术，机器人激光焊接等。 1 1 2 国内发展状况 我国在白车身机器人自动化焊装线的研究应用现状主要表现在【1 5 1 【1 6 1 ： 1 ) 在白车身焊装线中，机器人技术的应用起步较晚，应用领域不宽，核心 技术的掌握不够； 2 ) 在焊装线整线控制技术中，多级现场总线技术的应用与国际主流焊装线 系统集成商相比有很大的差距。国内机器人系统集成商的车间级现场总线使用 还仅是从安全和防护层次出发，使用设备种类不多，范围不广，所开发的机器 人系统多以硬线连接为主，系统集成的可靠性和柔性水平不高； 3 ) 在焊装线的夹具，输送系统，控制系统等设计制造技术方面已经取得了 长足进步，但是与国际先进水平相比较有较大的差距，难以进入高端轿车生产 线的设计制造领域； 4 ) 国内机器人系统集成商对整线的全面规划能力较低，产品的系列化、通 用化、模块化程度不高； 5 ) 通过与国际公司一起设计规划机器人焊装线系统集成解决方案，掌握了 相关的技术，但是深层次大范围的应用还不成熟。 总体来看，我国在机器人自动化焊装线的设计与制造技术方面，与国外相 比有很大的差距，对于国内的机器人系统集成商来说这是机遇，更是艰巨的挑 战，设计并制造出应用程度广，技术含量高的机器人焊装线是国内机器人系统 集成商的主要目标，是我国参与国际汽车市场竞争，进入高端汽车领域的重要 保证。 1 2 本课题研究的意义 汽车工业高速发展，对焊装线的质和量上的需求均有很大的增长。因此， 大力开展机器人焊装自动化技术和装备的研发，提高我们的焊装自动化成套装 备的设计和制造水平有着十分重要的意义。通过对机器人集成新技术的研发， 2 技术不断的更新和提升，在中高端机器人系统上可以部分替代进口产品，能够 产生明显的技术经济效益和社会经济效益。 白车身焊装线整线设备繁多，机器人、输送系统、夹具等设备的动作时序 复杂，整线控制难度大。目前国内机器人自动化焊装线系统一般由多家系统集 成商共同设计与制造，机器人，夹具，输送系统等设备由多家系统集成商分别 控制，由于不同设备之间存在大量的接口信号，不同系统集成商的控制方法和 控制思想也不同，造成设备之间的信号接口不统一，使整条焊装线可靠性降低， 维护成本增加，且多个p l c 的使用造成设备的严重浪费。 本文主要研究标准化、模块化的控制程序以及典型工位和设备的控制方法， 实现整线控制的柔性化，其研究意义主要体现在以下几点： 1 ) 标准化，模块化的硬件设计和控制网络规划使整线控制任务更加清晰， 方便了用户的使用，提高了焊装线系统的可维护性。 2 ) 标准化，模块化的控制思想把焊装线上的工位和设备划分为独立的控制 对象，并对每个独立控制对象建立丰富的外部接口，通过操作这些外部接口完 成整线的动作、时序、互锁、监控和调试功能。只要对每个控制对象建立了标 准化，模块化的基础控制程序，整线编程任务将大大简化。 1 3 本课题主要研究内容和目标 本课题来源于安徽巨一自动化装备有限公司为国内某大型汽车主机厂设计 的某型乘用车白车身机器人自动化焊装线项目。本文主要从自动化控制的角度 出发，通过研究汽车白车身机器人自动化焊装线整线控制的硬件规划，网络规 划，以及基于r o c k w e l l 平台的整线控制方法，构建一种标准化、模块化的 白车身焊装线整线控制架构，提高整线系统的柔性、可靠性、安全性，降低设 备成本。 为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下： 1 ) 分析白车身机器人自动化焊装线的焊装工艺，根据整线控制工艺，划分 控制区域( c e l l ) ，确定p l c 的控制范围，设计整线电控系统架构。规划线体中 的焊接控制柜，主控柜，配电柜，h m i ，按钮盒，接线柜等。 2 ) 多级现场总线，多p l c 系统构成的复杂控制网络规划。通过e t h e r n e t ， d e v i c e n e t 组态现场设备，建立标准化、模块化的控制网络构架。 3 ) 基于r o c k w e l l 软件控制平台的模块化及面向对象的编程思想，研究 模块化的p l c 整线控制方法。通过研究夹具，机器人，输送系统等设备的控制 逻辑以及h m i 监控画面的设计，构建标准的控制模块和p l c 通讯接口。 4 ) 根据整线控制中设备的安全要求，合理选择安全控制设备，建立安全系 统的控制网络，研究安全级别较高的安全任务的控制方法，实现整线控制的安 全性和可靠性。 1 4 本章小结 本章详细地分析了白车身机器人焊装线在国内外的应用发展情况，阐述了 本课题研究的重要意义，最后对本课题的研究目标和主要内容进行了论述。 4 第二章白车身焊装线系统设计技术 白车身机器人焊装线是一个复杂的系统工程，是机器人技术、汽车制造技 术、焊接技术、总线控制技术等技术的融合。典型的白车身焊装线的系统设计 包括焊装线的焊装工艺设计，设备的选择布置安装及其整线控制系统设计等等。 2 1 白车身焊装线典型焊装工艺流程 在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装的四大生产工艺中，车身焊装质量 牵涉车身的外观质量及总装的难易程度，因此，焊装生产工艺在四大工艺中起 承上启下的作用。所谓焊装线【17 】 【1 引，就是将各车身冲压零件装配焊接成白车 身分总成或者总成的生产线。 r ” ”羽 左右侧围总盛j c = 冷 f ，_ 巾_ _ _ _ _ _ r 羽 l 。左右门总成l 霸嘲睁 1 j ：一 磊羽g l l 。油漆车间i 、广 l ：。一 圃 l ，车身总或7 乏 f ”可啊弱 ：l 匕：翌篓茎苎壁：l 司圈曝 图2 一l 白车身焊装线焊装工艺流程图 图2 1 为一个典型的白车身焊装线工艺流程图，从白车身的结构上分，整 条焊装线主要可以分为地板线与主拼线。地板线是将前底板总成、后底板总成、 发动机舱总成焊接拼合成车身下部总成；主拼线是将车身下部总成、车身左右 侧围、顶横梁、顶盖装焊成一个完整的白车身。各工位由相应的焊装夹具、线 体输送、点焊机器人系统、点焊设备、电气控制系统和安全系统等组成。车身 装焊完成后，通过在线测量工位完成车身关键特征的精度检测，然后车身下线 送至调整线进行外观检查、并完成左右车门、发动机舱盖、行李箱盖及其他组 件的安装，至此完成了汽车白车身焊装的全过程。 2 2 焊装线常用设备简介 白车身机器人自动化焊装线主要由机器人焊接系统、焊装夹具、输送系统、 以及以p l c 为控制核心的控制系统等组成。现将此系统中主要设备介绍如下 【1 9 】 【2 4 】： 2 2 1 机器人焊接系统 机器人焊接系统是由多个单机器人系统组成，一个单机器人点焊系统由机 器人系统( 机器人本体和机器人控制柜) 、焊接控制器、焊枪单元及点焊辅助设 备( 净化电源、压缩空气单元、冷却水单元、电极修磨器) 构成。 焊接机器人是用于模仿人上肢运动，可以代替人进行某些工业劳动，是动 作自由度多，自动化程度和柔性程度极高的焊接设备，它具有焊接，抓件等多 重功能，且具有焊接质量和重复精度高，抓取重量大、动作稳定可靠等特点， 焊接机器人是焊装线柔性化生产的最佳设备。目前，在国内主流汽车生产厂使 用较多的机器人品牌有k u k a 、h y u n d a i 、a b b 、f a n u c 、c o m a u 、 m o t o m a n 等。 机器人控制柜是机器人本体的控制核心，主要由计算机控制系统，伺服驱 动系统，示教器以及i o 接口模块等组成。计算机控制系统是机器人控制的“大 脑 ，多采用具有实时中断控制和多任务处理功能的专用控制系统，以响应数据 输送、方式切换等机器人在运动过程中随机发生的多种动作；伺服驱动系统主 要控制并驱动组成机器人各自由度关节的伺服电机，实现机器人的随机运动控 制；示教器用于手动操作机器人运动，完成参数设置和程序存取、动作示教等 基本操作；i o 接口模块通过硬线连接或总线连接的方式完成与外部控制系统 或设备的通讯。 焊枪用来完成车身各组成部件的焊接工作。常见的焊枪形式有伺服焊枪和 气动焊枪。在车体的焊接过程中，焊枪的运动是三维运动，它的动作不仅要避 免与车体干涉，还要与焊点型面垂直，所以大多数焊枪安装在机器人的末端。 根据电阻焊工艺的不同，常用的焊接分为工频和中频两种，主要根据焊接部位 和焊点的工艺以及所用焊枪的大小选择使用。 采用电阻点焊方式的焊枪，焊接过程如下：预压，电极压紧工件并加预 压力的过程；电极通电，在工件接触处产生局部电阻热，形成熔核的焊接过 程；切断电源，维持电极压力，直到熔核凝固，形成焊点熔核；松开电极， 移至新的焊点位置，开始新的焊接循环。 焊接控制器用来控制焊接过程中的焊接电流以及焊接循环过程中各阶段的 时间等。一般焊接控制器包含多套焊接规范以适应不同材料的焊接。在焊枪自 动控制过程中，p l c 输出信号控制焊枪的加压，并输出信号启动焊接控制器， 由焊接控制器和焊接变压器按焊接规范控制焊枪的焊接电流和时间分配。当焊 接过程完成后，焊接控制器输出完成信号，此信号输入到p l c ，由机器人控制 焊枪的卸压及焊枪移至新的焊点位置，进行新的焊接循环过程。 6 大型白车身自动化焊装线中，一般有多个机器人工位来完成焊接任务，通 过多个机器人的协调工作组成了机器人焊接系统。如图2 2 为某汽车生产线上 的机器人焊接系统。 图2 - 2 机器人焊接系统 222 夹具系统 焊装央具是焊装线中晟基本的工艺装备，主要用来完成本工序工件的定位， 夹紧等任务，除此以外，还有检验和校正上道工序焊件质量的工作，它的设计 制造水平影响着整条焊装线的焊接工艺水平以及车身的质量。焊装夹具通常由 夹紧元件、支架、定位销、压板及定位板组成，其夹紧或松开动作的控制主要 是通过控制气缸的伸缩位置来实现的。p l c 经过逻辑处理后，由输出点发出信 号，控制电磁阀动作，通过电磁阀的动作控制气缸的伸缩位置，从而完成夹具 的夹紧或松开。 白车身焊装生产线中的合装夹具决定了车身的质量、整条生产线的柔性以 及生产节拍。根据不同白车身的焊装工艺，将焊装夹具分为三类：平移式、铰 链翻转式、立柱式。 平移式兴其具有定位精度高、柔性度好、可靠性强、适用范围广等特点， 目前己广泛应用于各种白车身自动化生产线中。如图2 - 3 所示为某焊装线中的 平移式夹具。铰链翻转式夹具与平移式夹具控制方法相同，不同的是铰链翻转 式夹具是绕铰链轴旋转打开，这种打开方式与平移式夹具相比，更有利于线体 的输送、装配以及定位央紧。立柱式夹具有成本低、结构简单、维修方便等特 点，但是定位精度低，不适用于自动化程度较高的焊装线。 囝2 3 平移式夹具 223 输送系统 在白车身焊装线中，自动化输送系统始终贯穿于整个生产过程中，主要完 成车身总成，左右侧围总成，车门总成，顶梁盖等输送任务。输送系统的可靠 性，稳定性直接影响了整条生产线的生产节拍和产量，目前在国内外常见的输 送系统主要有：步进式输送，台车式输送，央具移动输送，自行或手动吊具输 送，板式输送，机器人输送等。其中适合在大型自动化机器人焊装线中应用的 主要有步进式输送，自行吊具输送，机器人输送等。 步进式输送系统的基本原理是：在水平方向上，通过变频电机驱动齿轮、 齿条机构做往复运行实玑工件的水平输送；在垂直方向上，如果是往复杆式输 送，则通过气动方式驱动曲柄或摆臂旋转1 8 0 0 ，实现往复杆的起落。如果是滚 床滑撬式输送，则通过电机带动曲柄或凸轮旋转1 8 0 。，实现输送线本体的起落。 步进式输送系统具有结构简单、辅助时间较短、稳定性好、重复定位精度高等 特点，被国内外汽车生产厂商广泛应用。如图2 4 所示，为国内某自动化机器 人焊装线中滚床滑撬式输送系统。 自行吊具输送在自动化焊装线中一般用于车身顶梁的输送，它要求工位的 上空留有吊具行走的空间，主要特点有结构简单、夹具定位设计不会受传输运 动装置影响，投资少等，缺点是空中输送有安全隐患。 机器人输送是焊装线中最灵活的一种输送方式，通过机器人的抓手抓取工 件，井按照工艺要求放到指定位嚣。机器人输送只需要编写相关的机器人程序， 无需设计复杂的夹具，这种方式能大大提高线体的柔性但是机器人成本较高， 一般用于上件空间狭小且生产效率较高场合。 圈2 4 滚床滑撬式输送系统 2 3 白车身焊装线整线电控系统设计技术 231 大型可编程逻辑控制器的选择 目前国内外主流焊装线使用的控制器有西门子p l c ，r o c k w e l l 公司旗 下的a bp l c ，欧姆龙p l c 等，由于白车身机器人焊装线的设备较多，且自动 化程度较高，因此需要采用大型的p l c 系统，常见的有西门子s 7 4 0 0 r o c k w e l l 的c o n t o l l o g i x 系列，现将两者的优劣比较如下： 1 使用性能 c o n t r o l l o g i x 的i o 模块可提供关于硬件状态诊断的各种信息字母数字显 示和指示灯，使故障查询更加方便，提高了设备的“正常运行时间”，并且可通 过控制网实现本地和分布式控制。西门子s 7 4 0 0 不能通过p r o f i b u s 提供i o 控 制，这使得消费者不得小准各第二个、也许功能差一些的i 0 平台，如e t 2 0 0 m 。 2 通信和设计的灵活性 1 ) c o n t r o l l o g i x 的“p r o d u c e r c o n s u m e r ”( 生产者客户) 通信模式提供了 一个更具响应特性、更加灵活并且更加高效的系统，无论何时何地，只要应用 场合需要i o 和处理器的信息，系统都能够主动地提供这些信息。而西门予 s 7 4 0 0 提供的“m a s t e r s a v e ”( 主从) 通信模式下，i o 模块必须等待主机的 询问，而且，存绝大多数情况下，i 0 状态的“共享”只发生在用户编程通过 一个独立的“对等网络”发送信息之时。 2 ) c o n t r o l l o g i x 利用n e t l i n x 服务软件来提供通信中的路桥服务。在通信 卡问移动数据不需要通过控制器进行编程，不同网络上的设备之间通过 c o n t r o l l o g i xg a t e w a y 应用软件建立通信链接，也不需要控制器。西门子s 7 4 0 0 则必须编写程序，也必须有控制器。 3 ) c o n t r o l l o g i x 控制器拥有程序局部变量和全局变量两种范围的“数据”。 在缺省的情况下，所有r o u t i n e ( 运行程序组织) 都自然可以访问所有的程序( 局 部) 变量和控制器( 全局) 变量。所有全局数据可以被任何r o u t i n e ( 运行程序 组织) 所访问，而程序( 局部) 数据则只能被正在运行的任务所访问。这就使 用户不必再为不同的逻辑任务构建“数据块 ( 西门子的d b ) ，从而可以尽可 能减少编程时间，减轻程序的复杂程度。 4 ) c o n t r o l l o g i x 可以提供数据类型和指令“结构体”，它们能自动地分配 地址和数据。用户不会被手工创建数据类型、结构、地址以及所需数据域而弄 得昏头转向。西门子的s 7 4 0 0 则没有指令“结构体”，因而在使用时需要编写 更多的程序、花费更多的时间，将程序弄得更加复杂，并可能因此而产生更多 的程序错误。 5 ) c o n t r o l l o g i x 控制器带有电池，能够保存处理器内存中所存储的内容。 当你从机架中拔出处理器时，内存中的东西仍然被保存着。西门子的c p u 的电 池位于电源处，当移走控制器或电源时，需要为控制器准备一个临时电池，以 保护其内存中所存储的内容。 3 软件工具 西门子p l c 和a bp l c 都提供了丰富的软件系统，但a bp l c 的软件设计 更加人性化，软件的集成度更高，简单易懂，使用方便。 通过以上分析可以看出，在做大型焊装线项目时，选择r o c k w e l l 公司 的a bp l c 具有很多的优势，这也是本文选用r o c k w e l l 控制平台的主要原 因。 2 3 2 现场总线技术 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展【25 1 ，信息交换沟通的领域迅 速扩大，覆盖了从工厂的现场设备到控制管理的各个层次，从工段、车间、工 厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构 的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，于是，现 场总线技术应运而生。它的出现，标志着控制技术领域又一个新时代的开始， 并将对该领域的发展产生重要的影响。 现场总线【2 6 2 7 1 是应用于生产现场，连接控制系统中现场装置的双向数字通 讯网络系统，它应用网络通信技术将控制、测量与执行设备集成于一体，是数 字化、开放式、多点通信的控制网络。与传统控制系统相比，具有许多优势， 主要体现在以下几点： 1 ) 利用信息技术及数字信号通信技术，有效提高了系统数据传输可靠性。 2 ) 对现场环境的适应性好，信息响应快速、抗干扰能力增强。 3 ) 用户具有高度的系统集成主动权。 4 ) 总线节点具有良好的防护等级，可以直接安装于工业现场。 5 ) 系统设计控制性能大幅度提高、调试更加灵活方便。 l o 6 ) 大幅度减少硬件成本和维护成本。 基于上述优势，在汽车产业中应片 | 现场总线技术，将大大推进设备的技术 升缴，为企业经营管理信息化，控制系统智能化提供强大的支撑。目前，在焊 装线系统中常用的现场总线主要有：p r o f i b u s 、e t h e r n e t i p 、c o n t r o l n e t 、 d e v i c e n e t 、i n t e r b u s 等。 233 基于r o c k w e l l 平台的控制系统介绍 r o c k w e l l 公司”是北荑地区工业自动化产品、系统、软件和服务的主 要供应商。公司通过提供艾伦一布拉德利、罗克韦尔软件以及一些瑞思电器品 牌的控制器、输入输出( i o ) 系统、驱动器、传感器、动力装置、成包控制 产品、人机界面、软件产品和服务向客户提供集成顺序控制、运动控制、传动 系统、过程控制和应用信息等产品和服务。r o c k w e l l 系统是个很庞大的系 统，本文只对所用到的相关硬件及软件作简要介绍。 2331r o c k w e l l 硬件平台【2 9 1 1 f 3 2 1 1 ) 控制器 本文主要采用a l l e n b r a d l e y 品牌的o u a r d l o s i x 系列安全p l c ，型号为 1 7 5 6 - l 6 2 s 及1 7 5 6 一l s p ，如图2 - 4 所示。g u a r dl o g i x 是一个加上了s i l 3 安全 控制特性的标准c o n t r o l l o g i x 处理器，在控制器框架内占用两个插槽，红色的 前档板很容易就可以将他们识别出来。通过使用一个主安全处理器( 1 7 5 6 l 6 2 s ) 和一个配对安全处理器( 17 5 6 l s p ) ，使主程序和安全程序集成在同一个单一项 目中，由于安全被集成，安全内存能被标准逻辑和外部设备( 如h m i 或者其他 控制器) 读取，不需要花费时间从一个指定的安全设备设立或者读取安全数据， 而且能够在显示器或者选取框上方便的显示安全状态。 使用r s l o g i x 5 0 0 0 软件管理安全，不需要手动分离标准内存和安全内存 或者担心划分逻辑到隔离的安全区。在安全应用程序开发期间，允许多个用户 在线编辑和强制，其开发过程和标准应用程序的开发过程相似。只要项目通过 测试并准备堆后确认，用户只需要将该安全任务设置为s i l 3 安全级别，由 g u a r d l o g i x 强制执行此时o u a r d l o g i x 的操作就像一个普通的l o g i x 控制器。 幽2 - 4g u a r d l o g i xp l c 2 ) i o 模块 r o c k w e l l 系统的1 0 模块大致可分为三种类型 ( 1 ) 柜内安装型i o ( i n c a b i n e ti o ) ，如安全等级为i p 2 0 的远程分布式 i o1 7 3 4 i b 8 ，用于现场安全控制的安全i o1 7 9 1 d s i b 8 x o b 8 等。 ( 2 ) 直接安装在机器上的i o ( o n m a c h i n ei o ) ，如1 7 3 2 d e a r m o r w e l d b l o c ki o ，一般用于现场环境比较差，防护等级较高的场合。 ( 3 ) 与控制器相配合且安装在同一个插槽内的i o ( c h a s s i s b a s e di o ) ， 如l7 5 6 i b16 ，用于监视通讯网络的连接状态，用户配置模块信息的反馈，错 误信息的诊断等。 3 ) 变频器 罗克韦尔自动化提供的a l l e n b r a d l e yp o w e r f l e x 家族系列变频器功能强 大、控制灵活、适用于各类低压与中压电机应用项目。a l l e n b r a d l e yp o w e r f l e x 变频器满足用户的功率范围从o 2k w ( o 2 5h p ) 到2 6 ，5 0 0k w ( 3 5 ，0 0 0h p ) 的应 用需求。通用型变频器提供通用可靠的电机控制方案，可以嵌入设备，或者独 立应用，同时，工程型变频器提供高端、灵活的性能，方便系统集成，满足不 同功率等级的需要。所有p o w e r f l e x 变频器支持通用的网络、操作员界面和编 程环境，方便使用，易于启动。 2 3 3 2r o c k w e l l 软件平台 3 3 】 3 8 1 在过去，为了实现工厂自动化，工程师们往往不得不面对伺服控制器、p l c 等多种自动化子系统，需要同时掌握多种专业化软硬件的开发和维护。随着近 年来自动化设备的不断增多，自动化水平的不断提高，这种情况越来越成为制 约工厂发展的“瓶颈 问题。“使用单一控制平台实现全厂范围内的所有控制任 务 成为广大用户的迫切要求，顺应这一要求，罗克韦尔自动化公司提出了“全 功能控制平台”的设计理念，并在此基础上发布了c o n t r o l l o g i x 产品。无论是 复杂过程控制、高速离散控制、伺服控制，还是高速传动控制等各种应用，借 助单一的c o n t r o l l o g i x 平台，用户只需掌握一种编程软件，就能根据应用要求 的不同，选择标准模块，选择标准工业网络总线得到所需的控制系统。 c o n t r o l l o g i x 软件系统包括编程软件r s l o g i x 5 0 0 0 、通讯软件r s l i n x 、网 络组态软件r s n e t w o r x ，人机界面软件r s v i e w 3 2 等。 ( 1 ) 编程软件r s l o g i x 5 0 0 0 r s l o g i x 5 0 0 0 软件是符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软件包，是一个包含编程、网 络组态、诊断、在线监控等功能的集成系统开发平台。系统的主要功能是为编 程人员提供一个可以把他们的程序概念转变成一系列的程序图和定义用于快速 地创建可执行程序。r s l o g i x 5 0 0 0 软件系统是一个智能化的图形及文本编辑器， 支持分层设计，实时诊断，多任务组织结构，多用户编程，同时具有数据库输 入输出能力强，系统导航能力强，项目管理能力强以及对控制程序提供安全保 护功能等特征。 ( 2 ) 网络组态软件r s n e t w o r x t m 1 2 r s n e t w o r x 是开放网络c o n t r o l n e t 和d e v i c