基于PLC的汽车车厢侧板自动点焊控制系统设计

、ｌ　勺　匕　基于ＰＬＣ的汽车车厢侧板自动点焊控制系统设计　Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏＩ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ　ｓｉｄｅ　ｐｌａｔｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｓｐｏｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　ｃｏｎｔｒｏｌ　韩以伦，王敬，张宗兵，王倩倩，焦振广　ＨＡＮ　Ｙｉ－ｌｕｎ，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｚｏｎｇ—ｂｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｑ　Ｊａｎ—ｑｉａｎ，ＪＩＡＯ　Ｚｈｅｎ—ｇｕａｎｇ　（山东科技大学机械电子工程学院，青岛２６６５１０）　摘　要：为了提高汽车车厢侧板的焊接效率、焊接参数的稳定性和控制精度，结合汽车车厢侧板自动点　焊的工艺流程，采用先进的智能控制理论（模糊和ＰＩＤ的复合控制）及多传感器融合技术通过　对三菱ＦＸ２Ｎ一８０ＭＴ－００１可编程控制器和ＧＴ１　１　５５－ＱＳＢＤ－Ｃ触摸屏人机界面等控制单元的设　计，实现汽车车厢侧板点焊的自动化控制，人机界面的开发设计具有较好的数据显示和故障　报警功能等。实验证明该系统反应速度、控制精度、稳定性满足生产的要求。　关键词：点焊；智能控制；ＰＬＣ　中圈分类号：ＴＰ２７３＋．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００９－０１　３４（２０１　３）１１（Ｉ－）－ｏｌ　２４～０３　Ｄｏｉ：１　０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１　３．１１（上）．３６　０引言　在实际生产中汽车车厢侧板点焊工艺多采用　人工操作，严重的降低了生产效率增大了工人的　劳动强度和时间，而自动化的点焊工艺具有效　率高，节省材料，已广泛应用于航空、航天、能　开始　源、汽车、轻工业、电子等领域。尤其近年来汽　车制造业的快速发展，轻卡，重卡的车厢侧板加　工过程更多的采用自动化焊接，对车厢侧板的点　焊工艺也提出较高的性能要求，我们开发设计的　汽车车厢侧板自动化点焊焊接装置具有较好的工　／，工件夹Ｉ紧＼，查　伺服电机动作　工作台移动　／　艺稳定性和较高的参数控制精度，能够很好的完　成车厢侧板的自动化焊接过程。　苎』　伺服电机动作　上下电机接触工作，按程序放电焊接　ｌ　Ｉ．一　Ｉ　１点焊工艺流程　整机主要由机械框架、夹紧定位机构、工件进　给机构、点焊机构、错位辅助机构、加压机构、气　动系统、控制检测系统、人机界面等部分组成。　作台　查　到位？／／　２控制系统设计　控制系统设计包括系统硬件设计和系统软件　设计两大部分。该机电气控制系统包括主控柜，　上下电板接触　工件，按程序　放电焊接　操作控制柜，伺服电机，气动系统电磁阀，限位　开关，接近传感器，各控制开关，声光报警装置　及光电检测装置等。　卸料完成？　是　图１点焊工艺流程图　３系统硬件设计　３．１分析被控对象并提出控制要求　结合点焊工艺流程及工作特点，分析出被控　对象主要有：伺服电机、电磁阀等。　收稿日期：２０１３－０７－１２　基金项目：青岛经济开发区科技发展项目（２０１２—２—３８）　作者简介：韩以伦（１９６２一），男，山西太原人，教授，博士，主要从事汽车电子及机电液一体化研究。　［１２４］　第３５卷第１１期２０１３－１１（上）　Ｉ　訇　似　３．２确定输入／输出设备　输入设备（按钮、位置开关、传感器等）输　出设备（电磁阀、信号灯、伺服电机等）。　３．３　ＰＬＣ选型　１）输入输出（Ｉ，０）点数的估算　根据被控对象统计的输入点数为２９个，输出　点数为ｌ４个，考虑１０％￣２０％的可扩展余量后对输　入输出点数圆整，确定为输入输出各４Ｏ点。　２）存储器容量估算　数字量Ｉ／Ｏ点数的１０—１５倍，加上模拟量Ｉ／Ｏ点　数的１００倍，以此数为内存的总字数（１６位为一个　字），另外再按此数的２５％考虑余量，确定内置　ＲＡＭ存储器（８０００步）。　３）控制功能的选择　该选择包括运算功能（逻辑运算、计时计数　功能、数据移位、比较等运算功能、代数运算、　数据传送等）、控制功能（顺序逻辑控制）、通　信功能、编程功能（梯形图、语句表、顺序功能　图）、诊断功能、处理速度等特性的选择。　４）机型的选择　ＰＬＣ的类型选择整体型，电源选用２２０ＶＡＣ　电源，存储器为８Ｋ存储器，Ｉ／０总点数为８０点，由　于驱动的负载中有伺服电机因此选用晶体管输出　型，最后考虑经济性等因素此装置的ＰＬＣ选用三菱　ＦＸ２Ｎ一８０ＭＴ一００　１。　３．４硬件系统组成　图２硬件系统组成图　该装置主要元器件有：三菱可编程控制器　ＦＸ２Ｎ一８０ＭＴ－００１、三菱触摸屏ＧＴ１　１５５一ＱＳＢＤ—Ｃ、　接近传感器、三菱伺服驱动器ＭＲ—Ｊ２Ｓ－７０Ａ、三菱　伺服电机ＨＣＫＦＳ７３。　３．５分配ｌ，Ｏ点并设计ＰＬＣ￣ｂ围硬件线路　硬件系统的设计包括点焊机焊接控制（根据　产品的形状及焊接工艺要求以及综合考虑产能等　因素。选用龙门式多点焊接专机，双面焊接，　机型为：ＤＮＷ一４ＸＩＯＯＫＶＡ龙门式自动多点焊专　机。）、传动控制（丝杠选用滚珠丝杠）、夹紧　控制（各类电磁阀的控制）、错位控制（电磁阀　的控制）等。　根据控制要求结合点焊工艺流程Ｉ／Ｏ分配如图３　所示。　序号　备注　地址　序号　备注　地址　１　手动／自动　ＸＯ００　２３　定位升　Ｘ０２６　２　启动　Ｘ００１　２４　定位降　Ｘ０２７　３　急停　ＸＯ０２　２５　原点检测　ｘ０３０　４　工作台进　Ｘ０Ｏ３　２６　夹紧检测　Ｘ０３１　５　工作台退　Ｘ００４　２７　定位检测　ｘ０３２　６　回零　ＸＯ０５　２８　料源检测　Ｘ０３３　７　侧推缸伸　Ｘ００６　２９　停止　Ｘ０３４　８　侧推缸缩　ＸＯ０７　３０　脉冲　ＹＯ００　９　错位架１升　ｘ０ｌ０　３ｌ　自动指示　ＹＯ０１　１０　错位架１降　Ｘ０１１　３２　方向　ＹＯ０２　儿　错位架２升　ＸＯ１２　３３　零点指示　ＹＯ０３　１２　错位架２降　Ｘ０Ｉ３　３４　故障指示　ＹＯ０４　１３　触头１降　ＸＯ１４　３５　侧推阀　ＹＯ０５　ｌ４　Ｊ圣ｌ头ｌ升　ｘ０ｌ５　３６　错位１阀　ＹＯ０６　ｌ５　触头２降　ＸＯＩ６　３７　错位２阀　Ｙ００７　１６　触头２升　ＸＯ１７　３８　触头１阀　ＹＯＩＯ　１７　触头３降　Ｘ０２０　３９　触头２阀　０１１　１８　触头３升　Ｘ０２１　４０　触头３阀　ＹＯＩ２　１９　触头４降　ｘｏ２２　４１　触　阍　０１３　２０　触头４升　Ｘ０２３　４２　夹紧阀　ｆＯ１４　２１　夹紧　Ｘｏ２４　４３　皂ｌ停髓Ｇ　Ｙ０１５　２２　松开　Ｘ０２５　４４　图３系统Ｉ／０分配表　４系统软件设计　４＿１　ＰＬＣ编程算法－脉冲量的计算　伺服马达的分辨率是１３１０７２　Ｐ／Ｒ，滚珠丝杠的　进给量为Ｐｂ＝８ｍｍ。　１）反馈脉冲的当量的计算：　ＡＬｏ＝８ｒａｍ／１３１０７２　２）指令脉冲当量为１０ｕｍ／ｐ，电子齿轮比的计　算：　电子齿轮比：　Ｃ　Ｍ　Ｘ／Ｃ　Ｄ　Ｖ＝（△Ｌ　ｏ　Ｐ　ｔ／　Ｓ）＝ＩＯＸ０．００１×１３ｌ０７２／１０＝ｌ６３８４／１２５　３）电机的额定速度为３０００ｒｐｍ，　脉冲频率的　计算：　Ｆｃ＝（３０００Ｘ　１３１０７２／６０）×１２５／１６３８４＝５００００Ｈｚ　４．２程序设计　１）初始化程序；　２）主程序：　３）中断子程序；　４）检测、故障诊断和显示等程序；　５）保护和连锁程序；　第３５卷第１１期２０１３—１１（上）　［１２５１　ｌ　４．３人机界面（触摸屏）设计　人机界面设计的原则：１）让用户拥有控制　权：２）减少用户的记忆负担；３）保持界面一致。　人机界面的设计过程是迭代的，包括四个不　同的框架活动：１）用户、任务和环境分析及建　ｌＩ５　似　模糊控制，误差小的时候采用ＰＩＤ控制。　３）多传感器信息融合技术提高了反馈参数的　精度，提高了工作台移位控制的跟踪能力和可靠　性，可以实现焊接位置的准确定位。　模：２）界面设计；３）界面构造；４）界面确认。　界面确认／　＼６结论　本文主要介绍了汽车车厢侧板点焊的焊接工　／　—＼　用户、任务和环　／／　＼、＼【＼　～＼＼～　艺过程，结合焊接工艺过程采用先进的智能控制　理论（模糊和ＰＩＤ的复合控制）和多传感器融合　技术通过对伺服驱动器，电磁阀的控制实现伺服　电机，气缸等执行元件完成整机动作秩序和各种　／／　，　　界面设计　／　监测，数据显示功能。提高了工作台移动的可靠　性，保证了点焊焊接位置的准确定位。该设备具　有较大的推广价值，可以成功应用于汽车车厢侧　图４人机界面设计过程图　５先进的控制理论／控制方法　１）在伺服控制系统的位置控制上采用最优模　糊模型跟踪控制方案，并且将其与最优模糊控制　进行了比较。研究结果表明，该方案即使在大的　参数变化与负载扰动情况下，仍能保持系统输出　板焊接过程及钢窗的焊接过程。　参考文献：　【１］王永华．现代电气控制及ＰＬＣ应用技术【Ｍ】．北京：４ｔ京航　空航天大学出版社．２００４．　【２】刘贵宝．三菱触摸屏在ＰＬＣ控制系统的应用【Ｊ】．可编程控　制器与工厂自动化，２０１０（１　１）：８０—８２．　［３］杨骏，刘光汉．触摸屏结合可编程控制器的应用【Ｊ】．机电　工程，１９９７（０４）：１７－１８．　最优或近似最优，具有很好的鲁棒性。　２）在对伺服控制系统的非线性和不确定性等　特点分析基础之上，保留了ＰＩＤ控制静态稳定性　能，结合模糊控制动态性能好的特点，提出了模　【４】李周吴．三菱ＦＸ系￣Ｉ］ＰＬＣ编程常见问题探析【Ｊ］．冶金动　力．２００９（０２）：８８—９０．　糊、ＰＩＤ复合控制系统，即在误差大的时候，采用　蠢‘出【５】李士勇．模糊控制。神经控制和智能控制理论【Ｍ】．哈尔滨：　哈尔滨工、止大学出版社，２００２：１００．１５２．　．｛童‘　蠡Ｉ　盘‘　蠡‘｛盘●｛矗‘　童‘｛蠡‘　｜‘．｛矗‘｛岛‘　出●　盘‘｛函‘ｊ蠡‘　眩　｛重‘　童Ｉ　矗‘　矗・　矗●　蠡　【上接第１１４页】　围是（０－７７２．４７），设计主轴最高转速为ｎ＝５０００ｒ／ｍｉｎ，　计算临界转速为２５１．７２￣６０＝１５１０３．２ｒ／ｍｉｎ口ｎ，据此　可确定此范围内主轴对主轴架的激励频率涵盖了　所有主轴架振型频率，故而主轴架在工作过程中　不会发生共振现象。　参考文献：　…１汪向华，赵朋飞．基于单片机的推台锯控制系统的设计　『Ｊ１．木材加工与机械，２００９，２０（６）：５－７，２２．　［２】胡万明，齐英杰，王成强，袁德明．精密裁板锯的结构与应　用［Ｊ】．人造板通讯，２００４，１１（６）：２５—２７．　［３】邢力平，谭朝霞，董路平，李东奇．基于Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的推台锯　４结论　通过对主轴架进行静态特性分析，可知该结　构强度和刚度能够满足力学性能要求。而对主轴　架前六阶固有频率与振型的分析，则显示出了　主锯轴强度分析［Ｊ】．木材加工机械，２０１２，（３）：３—５．　【４】宋春明，赵宁，张士勇，张政武．基于ＡＮＳＹＳ的高速电主轴　静动态特性研究【Ｊ】．煤矿机械，２００７，２８（４）：５８—６０．　【５］浦广益．ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ基础教程与实例详解【Ｍ】．北　京：中国水利水电出版，２０１０：ｌ１８—１２３．　【６】Ｍ．Ｙｏｓｈｉｍｕａ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ　Ｊｏｉｎｔ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　结构的动态薄弱环节，其中主轴架第三阶模态分　析出现扭转情况，将会严重影响机床加工精度；　从第四阶到第六阶模态分析图可知，安装主轴的　前、后、中孔附近依次出现剧烈震荡现象，设计　时需注意增强主轴刚度，同时安装主轴的主轴架　孔位处需适量增加厚度，来提高主轴架整体刚　度，进而减小变形确保加工精度要求。　【１２６１　第３５卷第１１期２０１３－１１（上）　Ｄａｔａ．Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＩＲＰ，１９７９，２８：２４１—２４６．　【７】李金华，邹滢，刘小琨，张德强，刘永贤．基于有限元　技术的数控车主轴箱结构分析【Ｊ】．制造业自动　化，２０１２，３４（１６）：１４—１５，９０．　【８】刘昌领，罗晓兰．基于ＡＮＳＹＳ的六缸压缩机连杆模态分　析及谐响应分析［Ｊ］．机械设计与制造，２０１３，３（３）：２６—２９．