基于可编程控制器的汽车焊装设备控制系统设计[论文]

基于可编程控制器的汽车焊装设备控制系统设计
摘要：随着汽车产品的快速发展，为了适应汽车焊装生产线柔性化的控制要求，将plc应用于汽车焊装生产线的控制系统中，改变了传统的继电接触器控制，使得控制更加灵活，设备运行更加可靠，在不改变硬件接线的条件下，通过改变程序就可改变生产工艺。

本文基于可编程控制器的汽车焊装设备控制系统设计进行了分析。

关键词：汽车焊装生产线 plc应用
引言
可编程控制器（plc）作为一种新型的控制元件，具有结构简单、通用性好、功能较完备等特点，尤其抗干扰能力强，可以提高系统的可靠性和稳定性，提高焊接效率，所以特别适用于工业控制，已被广泛应用于各种自动控制系统中。

随着汽车产品更新换代的加快及个性化的需求，汽车生产设备要适应这种多品种、轮番生产的特点，对控制系统提出了程序可变的柔性控制要求，采用plc的控制系统可以通过改编程序，在不改变硬件的条件下，便能改变生产工艺。

特别是在汽车生产中起到决定汽车质量和生产效率的焊装生产线上，采用plc 控制系统，可以更好的满足柔性控制要求。

汽车焊装生产线主要完成车身侧围、门盖、底板及车身总成的焊接等任务；从汽车的工业发展的历史来看，汽车焊装生产线经历了50～ 60年代手工焊装线→70 年代的自动化刚性焊装线→80年代后期的机器人柔性焊装线等阶
段。

1、汽车焊装生产线的基本组成
汽车焊装生产线由于自动化程度较高，往往完成其固定的焊接工作，这就要求焊装生产线具有安全、可靠、平稳及运行速度可调等功能，这样控制系统采用plc 作为控制核心设备是十分合适的。

在汽车焊装生产线中，由于完成的主要工作是部件焊装，在车身焊装
过程中有两个明显的特点：一是具有程序性，指车身制件焊装的先后顺序；二是在焊装过程中，需要使用专门的夹具来确定零件或合件的相对位置，并将其夹紧贴合进行焊接。

因而汽车焊装生产线主要是由各工序上的焊装夹具、自动焊枪以及各工位间进行产品传输的传送装置组成。

1.1 焊装夹具
焊装夹具是焊装工装的重要组成部分，是焊装件的定位和夹紧工具。

它在焊接过程中确保车身形状、尺寸、精度符合产品图样技术要求，同时焊装夹具的自动化程度还是影响汽车生产批量的关键因素。

在生产过程中，焊装夹具除了完成本工序的零件组焊、定位外，还承担检验和校正上道工序焊合件的焊接质量的任务，因此它的设计制造影响着整个焊接工艺水平、汽车生产能力及产品质量。

焊装夹具一般由支架、夹紧元件（手动夹紧器或气缸）、压板及定位板组成，有的还带有定位销。

在焊装夹具的自动控制过程中，只要气缸动作，夹具就完成夹
紧或松开动作，这样，我们可以利用plc的输出点发出信号，控制电磁阀，完成夹具的夹紧与松开。

1.2 焊枪
焊枪用来完成车身各组成部件的焊接工作。

其安装方式有固定式、旋转式、移动式或移动+旋转式。

因为车体为三维型体，焊枪一要避开与周围车体的干涉，二要与焊点型面垂直，因而焊枪还要做三维运动，所以柔性焊装线上的焊枪大多夹持在可作空间三维运动的机器人手爪上。

采用电阻点焊方式的焊枪，焊接过程如下：
1）预压，电极压紧工件并加预压力的过程；
2）电极通电，在工件接触处产生局部电阻热，形成溶核的焊接过程；
3）切断电源，维持电极压力，直到溶核凝固，形成焊点的压力维持过程；
4）松开电极，移至新的焊点位置，开始新的焊接循环。

这几个过程相互配合，合理分配时间，确保每个过程顺利完成，才能保证车体的焊接质量。

焊接控制器是焊枪焊接时必备的设备，它用来控制焊接过程中的焊接电流及每次焊接循环中各阶段的时间分配等。

一般焊接控制器包含多套焊接规范，用于不同材料的焊接。

在焊枪自动控制过程中， plc 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plc，由plc 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。

1.3 输送装置
输送装置主要由托板、托板的输送装置、抓取板件的机械手等机构组成，完成工位间部件的输送任务。

2、汽车焊装生产线plc控制系统设计
2.1 plc 控制系统设计步骤
要想完成汽车焊装生产线plc控制系统设计，必须了解设计的步骤。

一般来说主要包括如下几个方面：
（1）首先要了解汽车焊装生产线的生产工艺以及控制要求，有时要画出控制系统的工作循环图、流程图、功能图或时序图。

只有完全掌握了生产线的功能要求，才能有的放矢，完成plc 控制系统的设计。

（2）根据生产线对控制的要求，对输入信号及输出信号在plc 上分配一个确定的地址编号，一般要列出现场信号与plc 输入输出信号地址对照表。

（3）根据现场信号与plc 输入输出信号地址对照表完成plc 控制系统硬件设计。

硬件设计主要包括电气原理图、电器元件位置图与电气安装接线图等。

有时还要完成控制面板的设计、电气控制柜的设计、标准件和外购件清单列写等。

（4）根据控制要求设计梯形图。

梯形图设计时，一般要加一些
标注，目的是为了阅读及调试时容易理解。

这些标注要与现场信号与plc 输入输出信号地址对照表的元件注释一致。

（ 5）如果用手持编程器进行程序输入，要将梯形图转换成指令语句表。

如果用便携式图形编程器或计算机进行编程及程序输入， plc 编程软件可以自动进行程序的各种形式转换，不需人为进行梯形图到指令语句表的转换。

2.2 系统设计
现在以某焊接生产线上的一把自动焊枪为例，介绍plc 控制系统设计方法。

控制要求：此自动焊枪可以进行手动和自动控制。

能够完成2个焊点的焊接任务，焊枪在原点上升即可到达焊点1位置，要想到达焊点2位置，为了避免与车体部件干涉，需要在原点前进后再上升才能到达。

焊枪要完成2个焊点的自动焊接任务动作程序为：原点自动启动y 上升y 加压y 焊接1y卸压y 下降y前进y 上升y加压y焊接2y卸压y下降y后退y原点结束。

焊枪动作由气缸驱动，前进/后退、上升/下降气缸分别由双线圈两位电磁阀控制，加压气缸由单线圈电磁阀控制。

焊枪焊接由焊接控制器控制。

控制系统应有相应的指示与保护功能。

采用三菱fx2n系列plc进行控制。

通过编制plc 的控制程序流程图，从而实现自动焊接，焊接工艺流程如下：托盘上升—夹紧到位—焊枪落下，自动引弧焊接；同时焊枪摆动，工件按设定转速旋转—自动填弧坑收弧—停止焊接—焊枪上升—夹紧松开一托盘下降—卸下工件。

整个焊接过程焊枪相
对工件位置不变，同时利用各个不同状态的互锁性，控制不同状态的运行。

手动调整即通过人工操作控制面板完成焊枪的上下移动、工件的定位和焊接的起停，其工作效率低，工作强度大，可用于特殊情况的加工和设备检修。

桥壳与半轴套管有对称的两个环缝，双枪同时焊接，但有时需单枪焊接，所以设置了左、右及双枪三种模式。

单双枪自动焊接的过程是相同的，在程序设计中，将它们都归为子程序，主程序执行到时将其调入。

其中双枪自动程序，两枪互不干扰，一枪程序出现故障停止焊接，另一枪不会退出程序，仍将继续完成余下动作。

3、结束语
总而言之，随着汽车工业的迅猛发展，汽车生产厂家越来越多地采用自动化生产线投入汽车的生产之中。

在汽车焊装生产线的自动控制过程中， plc 作为控制核心设备已成为人们的首选。

将plc 应用于汽车生产线的控制系统中，使得生产线在需要改变生产工艺的情况下，只要改变plc的控制程序即可达到控制要求，不需对硬件接线做较大的调整，减少了大量维修工作，使得设备运行更加安全可靠。

参考文献：
[1] 崔亚军：《可编程控制器原理及程序设计》，电子工业出版社，2000 年。

[2] 彭国勋，肖正扬. 自动机构的凸轮机构设计[m ]. 北京：机械工业出版社， 1990.
[3] 王晓飞，李月强. 基于plc的汽车生产线管理系统[j]. 仪器仪表学报. 2004（s1）。