基于PLC的车身前仓焊装工位_控制系统设计_
基于PLC的车身前仓焊装工位_控制系统设计_[20200211152914]
摘要
随着汽车工业的迅速发展，汽车车身焊装生产线逐渐向全球自动化方向发展，国内汽车企业生产线的自动化程度也随之提高。本文主要对车身前仓焊装工位控制系统进行设计，以MITSUBISHI公司的Q系列PLC为控制核心，使用了性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本的CC-Link现场总线作为现场控制网络。在剖析夹具系统、往复杆输送系统、机器人焊接系统、安全系统等焊装生产线的组成部分的同时分析了它们的控制内容和要求。根据工艺要求，完成了焊装控制系统的软硬件设计，目前该系统运行状况良好。
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关键字:焊装生产线PLC现场总线触摸屏焊装夹具
Key Words: Welding production line; PLC; Fieldbus; Touch screen; Welding fixture 目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2国内外焊装生产线现状 1
1.2.1国外焊装生产线现状 1
1.2.2国内的焊装生产线现状 2
1.3论文所研究的内容及意义 2
1.4本章小结 4
2.车身前仓焊装工位控制系统组成 5
2.1汽车生产线的组成 5
2.1.1车身前仓焊装工位平面布置 6
2.2车身前仓焊装工位的基本系统组成 7
2.2.1夹具系统 7
2.2.2输送线控制系统 8
2.2.3焊接机器人系统 9
2.3本章小结 10
3.车身前仓焊装工位控制系统的硬件设计 11
3.1控制系统的功能设计 11
3.2 PLC及模块的选择 12
3.3现场总线 14
3.3.1现场总线的选择 14
3.3.2 CC-Link现场总线的设备连接 14
3.4 变频器 15
3.5触摸屏 15
3.6本章小结 16
4.车身前仓焊装工位控制系统的软件设计 18
4.1逻辑编程软件GX Developer介绍 18
4.2车身前仓焊装工位工艺 18
4.2.1车身前仓焊装总成一EC028工位 19
4.2.2 车身前仓焊装总成二EC029工位 20
4.2.3 车身前仓焊装总成三EC003工位： 25
4.2.4 车身前仓焊装输送线 26
4.3软件的各项参数设置 28
4.3.1 PLC参数 28
4.3.2 网络参数 31
4.4 车身前仓焊装总成一的程序设计 31
4.5触摸屏界面的设计 40
4.6系统的调试 40
4.6.1调试的过程 40
4.6.2故障分析 41
4.7本章小结 42
5.总结与展望 43
5.1完成的工作 43
5.2需要深入研究的问题 43
参考文献 45
附录 46
致谢 54
1.绪论
1.1引言
汽车是我国的主要交通运输工具之一也是国家科学技术发展水平的标志之一，更是国民经济的支柱产业之一[3]。在竞争日益激烈的汽车市场的作用下，国内外的汽车生产商需要通过不断推出新款车型去开拓和占领市场。汽车的更新换代主要体现在车身的改变，车身综合质量一般由冲压成型质量、焊装质量、涂装质量以及内饰质量组成[1]。其中焊装质量会直接或间接改变其他三个因素，因而车身的焊装是汽车制造过程至关重要的一个环节。车身焊装时为了达到更高的生产效率，生产线大多是由用PLC进行控制的。此次课题主要就是对汽车白车身焊装生产线的控制系统进行研究，最终设计出性能稳定、生产高效、过程安全的车身前仓焊装工位控制系统。
1.2国内外焊装生产线现状
最初的时候绝大多数的汽车生产线控制系统都是由继电器控制装置组合而成，这就意味着车型的每次改变都需要对继电器控制装置进行重新设计与安装。生产的快速发展缩短了汽车的更新周期，而繁琐的继电器控制装置变更过程严重阻碍了更新周期的缩短。为了解决这个问题，美国数字设备公司（DEC）在1969年研制出了第一台PLC（可编程逻辑控制器）并在美国通用汽车自动控制装置上成功试用[4]。
1.2.1国外焊装生产线现状
在汽车制造业发达的国家，昂贵的劳动力使得工厂特别注重工人数量的控制，为了通过机器人节省成本，国外汽车制造商的加快了完全自动化进程。目前国外的汽车焊装工业的总体走向是柔性化生产，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机的结合起来，很好地解决了机械制造高自动化和高柔性化之间的矛盾。科学技术高速发展的同时人类对产品性能的要求越来越高，这就要求企业必须在越来越短的更新周期内开发出复杂程度越来越高的新产品。这无论是对于中小企业还是国有大中型企业来说都是一个很大的挑战，因为传统的生产方式根本不足以应对这种形势。为了消除这道阻碍，柔性化生产系统出现了，它能够在提高产品制造生产效率、保证产品质量的前提下缩短产品的生产周期。对控制系统进行柔性控制即程序可变还能够使汽车生产设备适应多品种、轮番生产的特点。PLC控制系统的特色是在外部设备条件不变的情况下只要对程序进行一定的变更就能够实现新工艺的生产控制要求。目前，国外的汽车生产厂家都在广泛采用平台化战略、模块化生产、全球采购等方式。其中平台化战略是指把汽车的开发从单车型化转向系列化、多样化、共用化。
1.2.2国内的焊装生产线现状
相对于国外汽车企业来说，我国汽车工业的发展虽然起步比较晚但是速度依然能紧随其后。最初国内许多汽车生产厂家的生产线都是引自国外，经过生产过程中的自我学习和摸索，国内相关技术人员逐渐掌握了生产线技术并尝试着进行改进和创新。国内许多中外合资的汽车生产厂家大都是走这条发展之路。久而久之，在工业控制水平不断提高的同时焊装线的自动化水平也一直有所进步。现在绝大多数的国内汽车制造企业都选择PLC来进行焊装线自动化系统的控制,另外通过在汽车焊接生产线合理增加机器人工位的数量以提高生产效率。目前我国还不能做到焊接生产线全部由机器人进行主要是受焊装线自动化程度的限制。就我国的工业现状来说，大部分企业无法做到生产的每种零配件质量都能够满足全自动化下的焊接需求，而那些不能满足的工件的焊接工作只能由人工完成。考虑到焊接工作的高强度性质以及人工操作可能产生的误差，国内汽车制造企业大多选择人工焊接与机器人焊接相结合的方式完成焊装工作。
1.3论文所研究的内容及意义
本文首先分析了国内外汽车焊装生产线的发展现状，在进行了整个焊装线的布局设计及系统分析后又从焊装线的系统设计、软硬件规划方面搭建了控制平台，分析了车身前仓焊装线设备和系统的原理和工作方式，此次的课题内容是对汽车车身前仓也就是发动机舱的焊装工位进行控制，使其可以在手、自动动两种模式下运行。自动运行模式可以极大的提高生产线的效率，使流水线生产更加稳定、高效。手动模式的加入就可以更好的与实际情况结合，针对具体情况进行具体操作。安全方面系统设置了故障实时检测：设备的手自动运行模式、夹具的状态、故障信号的监测等都能够通过触摸屏进行人机交互，一旦出现较大的故障对应的部分设备就会中断以保证操作人员的安全。
这次的汽车发动机舱焊装工位控制系统的设计的核心是PLC，首先需要对控制系统的硬件进行设计并合理的选型。硬件中PLC的选择十分重要，因为PLC的性能直接关系整个操作系统的控制。其次是现场总线的选择，现场总线保证了各模块之间的通信安全稳定：在完成系统要求的同时要避免工业现场的各种干扰。考虑到生产线的安全性，通过在各个工位装配合理量的传感器保证操作人员的安全以及生产线的正常运行。然后就是对控制系统的软件部分进行设计，以汽车发动机舱焊装线作为研究对象设计了各工位的程序架构和具体的控制程序，通过对焊装控制系统的操作将动作输出到执行机构，过程结果反馈给PLC并在触摸屏显示。
摘要
随着汽车工业的迅速发展，汽车车身焊装生产线逐渐向全球自动化方向发展，国内汽车企业生产线的自动化程度也随之提高。本文主要对车身前仓焊装工位控制系统进行设计，以MITSUBISHI公司的Q系列PLC为控制核心，使用了性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本的CC-Link现场总线作为现场控制网络。在剖析夹具系统、往复杆输送系统、机器人焊接系统、安全系统等焊装生产线的组成部分的同时分析了它们的控制内容和要求。根据工艺要求，完成了焊装控制系统的软硬件设计，目前该系统运行状况良好。
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关键字:焊装生产线PLC现场总线触摸屏焊装夹具
Key Words: Welding production line; PLC; Fieldbus; Touch screen; Welding fixture 目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2国内外焊装生产线现状 1
1.2.1国外焊装生产线现状 1
1.2.2国内的焊装生产线现状 2
1.3论文所研究的内容及意义 2
1.4本章小结 4
2.车身前仓焊装工位控制系统组成 5
2.1汽车生产线的组成 5
2.1.1车身前仓焊装工位平面布置 6
2.2车身前仓焊装工位的基本系统组成 7
2.2.1夹具系统 7
2.2.2输送线控制系统 8
2.2.3焊接机器人系统 9
2.3本章小结 10
3.车身前仓焊装工位控制系统的硬件设计 11
3.1控制系统的功能设计 11
3.2 PLC及模块的选择 12
3.3现场总线 14
3.3.1现场总线的选择 14
3.3.2 CC-Link现场总线的设备连接 14
3.4 变频器 15
3.5触摸屏 15
3.6本章小结 16
4.车身前仓焊装工位控制系统的软件设计 18
4.1逻辑编程软件GX Developer介绍 18
4.2车身前仓焊装工位工艺 18
4.2.1车身前仓焊装总成一EC028工位 19
4.2.2 车身前仓焊装总成二EC029工位 20
4.2.3 车身前仓焊装总成三EC003工位： 25
4.2.4 车身前仓焊装输送线 26
4.3软件的各项参数设置 28
4.3.1 PLC参数 28
4.3.2 网络参数 31
4.4 车身前仓焊装总成一的程序设计 31
4.5触摸屏界面的设计 40
4.6系统的调试 40
4.6.1调试的过程 40
4.6.2故障分析 41
4.7本章小结 42
5.总结与展望 43
5.1完成的工作 43
5.2需要深入研究的问题 43
参考文献 45
附录 46
致谢 54
1.绪论
1.1引言
汽车是我国的主要交通运输工具之一也是国家科学技术发展水平的标志之一，更是国民经济的支柱产业之一[3]。在竞争日益激烈的汽车市场的作用下，国内外的汽车生产商需要通过不断推出新款车型去开拓和占领市场。汽车的更新换代主要体现在车身的改变，车身综合质量一般由冲压成型质量、焊装质量、涂装质量以及内饰质量组成[1]。其中焊装质量会直接或间接改变其他三个因素，因而车身的焊装是汽车制造过程至关重要的一个环节。车身焊装时为了达到更高的生产效率，生产线大多是由用PLC进行控制的。此次课题主要就是对汽车白车身焊装生产线的控制系统进行研究，最终设计出性能稳定、生产高效、过程安全的车身前仓焊装工位控制系统。
1.2国内外焊装生产线现状
最初的时候绝大多数的汽车生产线控制系统都是由继电器控制装置组合而成，这就意味着车型的每次改变都需要对继电器控制装置进行重新设计与安装。生产的快速发展缩短了汽车的更新周期，而繁琐的继电器控制装置变更过程严重阻碍了更新周期的缩短。为了解决这个问题，美国数字设备公司（DEC）在1969年研制出了第一台PLC（可编程逻辑控制器）并在美国通用汽车自动控制装置上成功试用[4]。
1.2.1国外焊装生产线现状
在汽车制造业发达的国家，昂贵的劳动力使得工厂特别注重工人数量的控制，为了通过机器人节省成本，国外汽车制造商的加快了完全自动化进程。目前国外的汽车焊装工业的总体走向是柔性化生产，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机的结合起来，很好地解决了机械制造高自动化和高柔性化之间的矛盾。科学技术高速发展的同时人类对产品性能的要求越来越高，这就要求企业必须在越来越短的更新周期内开发出复杂程度越来越高的新产品。这无论是对于中小企业还是国有大中型企业来说都是一个很大的挑战，因为传统的生产方式根本不足以应对这种形势。为了消除这道阻碍，柔性化生产系统出现了，它能够在提高产品制造生产效率、保证产品质量的前提下缩短产品的生产周期。对控制系统进行柔性控制即程序可变还能够使汽车生产设备适应多品种、轮番生产的特点。PLC控制系统的特色是在外部设备条件不变的情况下只要对程序进行一定的变更就能够实现新工艺的生产控制要求。目前，国外的汽车生产厂家都在广泛采用平台化战略、模块化生产、全球采购等方式。其中平台化战略是指把汽车的开发从单车型化转向系列化、多样化、共用化。
1.2.2国内的焊装生产线现状
相对于国外汽车企业来说，我国汽车工业的发展虽然起步比较晚但是速度依然能紧随其后。最初国内许多汽车生产厂家的生产线都是引自国外，经过生产过程中的自我学习和摸索，国内相关技术人员逐渐掌握了生产线技术并尝试着进行改进和创新。国内许多中外合资的汽车生产厂家大都是走这条发展之路。久而久之，在工业控制水平不断提高的同时焊装线的自动化水平也一直有所进步。现在绝大多数的国内汽车制造企业都选择PLC来进行焊装线自动化系统的控制,另外通过在汽车焊接生产线合理增加机器人工位的数量以提高生产效率。目前我国还不能做到焊接生产线全部由机器人进行主要是受焊装线自动化程度的限制。就我国的工业现状来说，大部分企业无法做到生产的每种零配件质量都能够满足全自动化下的焊接需求，而那些不能满足的工件的焊接工作只能由人工完成。考虑到焊接工作的高强度性质以及人工操作可能产生的误差，国内汽车制造企业大多选择人工焊接与机器人焊接相结合的方式完成焊装工作。
1.3论文所研究的内容及意义
本文首先分析了国内外汽车焊装生产线的发展现状，在进行了整个焊装线的布局设计及系统分析后又从焊装线的系统设计、软硬件规划方面搭建了控制平台，分析了车身前仓焊装线设备和系统的原理和工作方式，此次的课题内容是对汽车车身前仓也就是发动机舱的焊装工位进行控制，使其可以在手、自动动两种模式下运行。自动运行模式可以极大的提高生产线的效率，使流水线生产更加稳定、高效。手动模式的加入就可以更好的与实际情况结合，针对具体情况进行具体操作。安全方面系统设置了故障实时检测：设备的手自动运行模式、夹具的状态、故障信号的监测等都能够通过触摸屏进行人机交互，一旦出现较大的故障对应的部分设备就会中断以保证操作人员的安全。
这次的汽车发动机舱焊装工位控制系统的设计的核心是PLC，首先需要对控制系统的硬件进行设计并合理的选型。硬件中PLC的选择十分重要，因为PLC的性能直接关系整个操作系统的控制。其次是现场总线的选择，现场总线保证了各模块之间的通信安全稳定：在完成系统要求的同时要避免工业现场的各种干扰。考虑到生产线的安全性，通过在各个工位装配合理量的传感器保证操作人员的安全以及生产线的正常运行。然后就是对控制系统的软件部分进行设计，以汽车发动机舱焊装线作为研究对象设计了各工位的程序架构和具体的控制程序，通过对焊装控制系统的操作将动作输出到执行机构，过程结果反馈给PLC并在触摸屏显示。
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