西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在安全帶預(yù)緊殼體激光焊接系統(tǒng)中的應(yīng)用

辛佳波

（杭州德創(chuàng)電子股份有限公司杭州）

Application of SIEMENS Automation and Drive Production in the Laser Welding System for Automobile Safety belt Pretensioning Shell

［摘要］ 本文介紹了西門子SIMATIC S7-300 PLC、SIMATIC S7-1200 PLC、TP1200 HMI、ET200ecoPN遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)和SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)等產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)第一套汽車安全帶預(yù)緊殼體激光焊接系統(tǒng)中所組成的系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；并從軟硬件設(shè)計(jì)方面，敘述了對(duì)關(guān)鍵功能的成功實(shí)現(xiàn)。

［關(guān)鍵詞］ 安全帶、預(yù)緊殼體、激光焊接、數(shù)控系統(tǒng)

［Abstract］ This paper introduces the configuration and network construction that is consisted of SIEMENS SIMATIC S7-300 PLCSIMATIC S7-1200 PLC,TP1200 HMI,ET200ecoPN Remote IO Systems and SINUMERIK 828D etc in the first set of laser welding system for automobile safety belt pretensioning shell in China.In aspects of hardware and software design,the paper also describes the successful application of main function.

［Key Words］ safety belt、preloaded shell、laser welding、numerical control system

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

隨著技術(shù)的日益成熟，激光焊接技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)被廣泛認(rèn)可和采用,尤其是在汽車行業(yè)中,它的發(fā)展速度很快。天合汽車集團(tuán)(TRW Automotive Holdings Corp.)是全球領(lǐng)先的汽車安全系統(tǒng)供應(yīng)商之一，汽車安全系統(tǒng)的先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者之一，如圖1所示。

由于先前產(chǎn)能嚴(yán)重不足，天合汽車集團(tuán)武漢工廠決定委托杭州新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司（筆者先前供職于此），對(duì)其原有的安全帶預(yù)緊殼體激光焊接站進(jìn)行全方位的自動(dòng)化改造，筆者有幸成為此項(xiàng)目的電氣負(fù)責(zé)人。

圖1 天合汽車集團(tuán)武漢工廠

安全帶預(yù)緊殼體是汽車安全帶系統(tǒng)的核心部件，中高端的汽車安全帶系統(tǒng)都采用鋼制的預(yù)緊殼體，預(yù)緊殼體端蓋的焊接采用激光焊接是最為合適的方式。在此工作站中，工人將端蓋和U形架進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)裝送入分度轉(zhuǎn)盤，相機(jī)拍照檢測(cè)預(yù)裝無誤后，分度轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。六軸機(jī)器人將轉(zhuǎn)臺(tái)分度3的預(yù)裝物料夾取后送入兩間獨(dú)立焊房?jī)?nèi)的四個(gè)焊接工裝上。系統(tǒng)根據(jù)物料型號(hào)，調(diào)用合適的數(shù)控軌跡和激光功率，焊接出所需的三維軌跡。焊接完成后，三軸機(jī)械手取出預(yù)緊殼體送入清潔位清潔焊渣，最后通過輸送線自動(dòng)運(yùn)送至成品箱內(nèi)，如圖2所示。

圖2 安全帶預(yù)緊殼體

此項(xiàng)目中使用了一臺(tái)SIMATIC S7-300 PLC（含IO模塊）、一臺(tái)SIMATIC S7-1200 PLC、一臺(tái)TP1200 HMI、七臺(tái)ET200ecoPN遠(yuǎn)程IO、一臺(tái)PN-Coupler-X2耦合器和一套SINUMERIK 828D三軸數(shù)控系統(tǒng)，以及支持PROFINET通信的康耐視視覺系統(tǒng)，支持PROFIBUS-DP通信的TRUMPF激光器、支持PROFINET通信的FESTO的閥島、三臺(tái)自帶RS232通信口的掃描槍、支持Modbus TCP/IP通信的史陶比爾TX90六軸機(jī)器人和三軸IAI電缸（IO控制），如圖3～圖6所示。

圖3 工作站全貌

圖4 SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)與激光頭

圖5 六軸機(jī)械手對(duì)右焊接室上料

（圖中左焊接室正在進(jìn)行焊接作業(yè)）

圖6 焊接室正在進(jìn)行焊接作業(yè)

二、控制系統(tǒng)構(gòu)成

隨著此項(xiàng)目控制結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用的控制核心是一臺(tái)SIMATIC S7-300 PLC（CPU315-2PN/DP），使用其自帶的DP接口用來與TRUMPF激光器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，控制激光器開光與關(guān)光。

基于現(xiàn)場(chǎng)布線的便利性和對(duì)焊渣的防護(hù)性，遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)采用的是IP67等級(jí)金屬外殼的七臺(tái)ET200ecoPN輸入輸出模塊。由于客戶要求配置三臺(tái)串口掃描槍，基于成本考慮，額外增加了一臺(tái)SIMATIC S7-1200 PLC（CPU 1215C DC/DC/DC+3套CM1241串口模塊）。而且S7-1200 PLC 支持ModbusTCP/IP通信，恰好可以用來與史陶比爾TX90六軸機(jī)器人通信。將交互的數(shù)據(jù)通過S7通信傳遞給S7-300 PLC。PLC與康耐視視覺系統(tǒng)之間進(jìn)行PN交互；PLC與三套IAI電缸系統(tǒng)之間通過IO交互。SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)采用PN-Coupler耦合器進(jìn)行S7-300 PLC與SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

三、系統(tǒng)動(dòng)作流程及項(xiàng)目要點(diǎn)分析

1.系統(tǒng)動(dòng)作流

1）人工預(yù)裝上料。人工將掃碼合格的散件在轉(zhuǎn)臺(tái)第一分度進(jìn)行預(yù)裝，其間，系統(tǒng)會(huì)對(duì)上傳的掃碼結(jié)果和預(yù)裝結(jié)果進(jìn)行判別（預(yù)裝結(jié)果靠視覺系統(tǒng)判別）。預(yù)裝不合格時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光提示，提示工人重新預(yù)裝；預(yù)裝合格時(shí)，OK指示燈亮，啟動(dòng)雙手按鈕，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖8所示。

2）六軸機(jī)器人將預(yù)裝工件轉(zhuǎn)移至焊接室。人工預(yù)裝完成的工件抵達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)分度3后，機(jī)械手會(huì)夾取工件送至焊接室內(nèi)，焊接工裝壓緊工件頂蓋，機(jī)械人退出焊接室，焊接室防護(hù)門關(guān)閉，如圖9所示。

3）焊接作業(yè)開始。焊接工裝壓緊工件后，數(shù)控系統(tǒng)帶動(dòng)激光頭離開待機(jī)位前往焊接起始點(diǎn)，防護(hù)門關(guān)閉后，焊接作業(yè)立即開始。數(shù)控系統(tǒng)G代碼里面對(duì)各段焊接軌跡的起始點(diǎn)進(jìn)行開光和關(guān)光控制。數(shù)控系統(tǒng)的軌跡子程序和激光器出光子程序均由S7-300PLC調(diào)用，如圖10所示。

圖8 人工預(yù)裝上料

圖9 六軸機(jī)器人上料

圖10 焊接進(jìn)行中（見顯示器）

4）三軸IAI電缸取料清理焊渣。焊接完成后，三軸IAI電缸會(huì)前往該焊接室取出焊接完成的工件，送往清潔工位，用毛刷旋轉(zhuǎn)刷洗。清潔完畢后，清潔工裝將工件送往輸送帶上，等待人工打包，如圖11、圖12所示。

圖11 三軸電缸與清潔工位

圖12 焊渣清理完畢的工件端蓋

2.項(xiàng)目中的難點(diǎn)分析

難點(diǎn)1：多種執(zhí)行單元之間多種類型的交互方式。本項(xiàng)目涉及多種類型的交互方式，包括S7-300PLC與SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)之間通過PN-PN Couple模塊實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)通信，S7-300PLC與激光器之間的PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)通信，S7-300PLC與S7-1200PLC之間的S7非實(shí)時(shí)通信，S7-1200PLC與史陶比爾機(jī)器人之間的ModbusTCP/IP非實(shí)時(shí)通信，S7-1200PLC與三臺(tái)掃碼槍之間的RS232C串口通信，以及S7-300PLC與IAI三軸電缸之間的IO交互等，如圖13所示。

難點(diǎn)2：眾多不同型號(hào)產(chǎn)品的歸類。此項(xiàng)目需適配客戶 44 種產(chǎn)品類型，通過歸檔發(fā)現(xiàn)，44 種產(chǎn)品類型共有3大類外形狀態(tài) （定義為 A、B、C）和 6 種焊接軌跡（定義為 C1、A2、B3、C4、A5、B6）?？蓪?duì)機(jī)器人和數(shù)控系統(tǒng)子程序進(jìn)行歸類，如圖14、圖15所示。

圖13 項(xiàng)目程序中多種通信方式的應(yīng)用

圖14 HMI機(jī)器人控制界面

難點(diǎn)3：六軸機(jī)械手與三軸電缸的機(jī)械防撞互鎖。此項(xiàng)目中，兩種機(jī)械手工作區(qū)域有重疊，程序中的防撞設(shè)計(jì)必不可少。本項(xiàng)目程序在自動(dòng)和手動(dòng)模式下用狀態(tài)法設(shè)置了眾多互鎖標(biāo)志位，如圖16、圖17所示。

圖15 HMI工件型號(hào)屬性參考界面

難點(diǎn)4：激光焊接工藝的把控。激光焊接效果受很多因素影響，其中機(jī)床速度的恒定性與激光頭開光、關(guān)光的時(shí)序控制是其中尤為關(guān)鍵的兩條。

在激光器輸出功率恒定的前提下，激光頭行進(jìn)速度如果出現(xiàn)較大波動(dòng)，則工件上的焊接軌跡則會(huì)深淺不一致，工件的焊接強(qiáng)度達(dá)不到技術(shù)要求。在實(shí)際調(diào)試過程中，通過機(jī)床F3400指令，給定激光頭恒定的行進(jìn)速度，使焊接軌跡的深度一致，非常平整。

激光頭在運(yùn)動(dòng)過程中開光、關(guān)光的時(shí)序控制是激光焊接是非常重要的一條要點(diǎn)。這一點(diǎn)如果做不好，焊接軌跡（見圖18）的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)焊穿的現(xiàn)象，影響焊接品質(zhì)。

在圖19的G代碼第N38行，激光頭行進(jìn)過程中開光，行進(jìn)速度為F3400；在第N50行，通過位移測(cè)量指令，在距離此段軌跡終點(diǎn)小于1mm的地方提前執(zhí)行關(guān)光命令。當(dāng)激光焊接功率或者焊接速度有調(diào)整時(shí)，可根據(jù)最終焊接效果，來調(diào)整激光器關(guān)光的位置。

圖16 項(xiàng)目程序中互鎖標(biāo)志位

圖17 HMI機(jī)器人手動(dòng)控制界面（處于互鎖狀態(tài)）

西門子SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)自帶的這種距離測(cè)量指令，具有很高的實(shí)用價(jià)值，免去了繁瑣的人工編程，非常適合此類激光焊接應(yīng)用。

除此之外，具備高實(shí)時(shí)性的PROFINET和PROFIBUS-DP通信方式則是此類項(xiàng)目時(shí)序控制的基礎(chǔ)。激光器的開光關(guān)光指令由828D數(shù)控系統(tǒng)通過PN通信發(fā)送至S7-300 PLC，再由S7-300 PLC通過DP通信發(fā)送至激光器。

圖18 客戶六大類工件對(duì)應(yīng)的焊接軌跡

圖19 軌跡C41第一段焊接軌跡對(duì)應(yīng)的數(shù)控G代碼

圖19中G代碼中，NC內(nèi)部變量$A_DBB［6］與$A_DBB［7］控制激光器開光與關(guān)光。數(shù)控激光系統(tǒng)手動(dòng)控制界面如圖20所示。

3.典型的設(shè)備和工藝照片

圖20 數(shù)控激光系統(tǒng)手動(dòng)控制界面

圖21 幫助界面提示機(jī)器人下料坐標(biāo)參考

圖21所示幫助界面指示了當(dāng)前工件型號(hào)（圖21中所選型號(hào)為C1：U-4.1）機(jī)器人的下料位置（與焊接室工裝的相對(duì)位置坐標(biāo)），方便機(jī)器人校點(diǎn)。

4.關(guān)鍵部分的調(diào)試過程描述

此項(xiàng)目調(diào)試過程中，需要先將客戶提供的焊接軌跡CAD文件，通過工具軟件CADREADER轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)文件（G坐標(biāo)），然后對(duì)G坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，并添加狀態(tài)控制指令，例如控制氣閥吹氣，控制激光頭開光關(guān)光等。每個(gè)工件均可以在左右兩邊焊室進(jìn)行加工，因此同一工件，需要添加兩個(gè)不同的數(shù)控子程序，其區(qū)別在于零偏參數(shù)。

工件焊接軌跡的位置，由機(jī)器人下料位置與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定位置雙方共同決定。調(diào)試過程中，先按照機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，調(diào)整好機(jī)器人的下料位置，然后通過零偏參數(shù)來調(diào)整焊接軌跡的XY坐標(biāo)位置。

若軌跡需要向操作者方向移動(dòng)，則需要減小Y軸坐標(biāo)，反之則增加Y軸坐標(biāo)。若軌跡需要向操作者左手方向移動(dòng)，則需要減小X軸坐標(biāo)，反之則增加X軸坐標(biāo)。

工件的焊接位置由機(jī)器人下料位置和數(shù)控軌跡坐標(biāo)決定，而最終的焊接效果則受很多因素影響，例如焊接室空氣潔凈程度、主軸與進(jìn)給軸速度的恒定性、開光關(guān)光的時(shí)序以及激光光路子程序的升降坡度等。

四、項(xiàng)目運(yùn)行

此項(xiàng)目于2015年1月進(jìn)入客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地開發(fā)。于2015年5月交付使用。目前，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)前的生產(chǎn)節(jié)拍（12.6s）也超出客戶指標(biāo)的13s。

此項(xiàng)目使用了模塊化程序設(shè)計(jì)理念，用戶操作極為便利，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并開放了豐富的手動(dòng)功能，報(bào)警信息也力求詳盡。程序中特意增加了OB86機(jī)架故障或分布I/O故障診斷功能，能夠?qū)崟r(shí)判斷通信斷線節(jié)點(diǎn)，客戶反映設(shè)備的維護(hù)非常便利，如圖22、圖23所示。

天合汽車集團(tuán)亞太總部對(duì)此設(shè)備的評(píng)價(jià)也很高，并后續(xù)陸續(xù)為TRW張家港工廠和TRW印度工廠復(fù)制了三套相似設(shè)備。

五、應(yīng)用體會(huì)

此項(xiàng)目基于西門子TIA V13平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，編程效率很高。在實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)交互環(huán)節(jié)，采用了PROFINET和PROFIBUS-DP的通信方式，例如S7-300PLC、SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)與PN-Coupler-X2、S7-300PLC與TRUMPF激光器等。而在實(shí)時(shí)性要求不高的交互環(huán)節(jié)，則采用了ModbusTCP/IP和S7通信方式，例如S7-1200PLC與史陶比爾TX90六軸機(jī)器人，S7-1200PLC與S7-300PLC之間。這種通信方式的選擇較為充分地分配和節(jié)省了CPU的資源。而SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)強(qiáng)大的G指令，更是大大鞏固了西門子系統(tǒng)在此類數(shù)控激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

圖22 機(jī)架故障或分布I/O故障診斷指令應(yīng)用1

圖23 機(jī)架故障或分布I/O故障診斷指令應(yīng)用2

參考文獻(xiàn)

［1］西門子（中國(guó)）有限公司TIA 信息系統(tǒng)［Z］.

［2］西門子（中國(guó)）有限公司西門子 PROFINET 工業(yè)通信指南（2）［Z］.