西門子自動化與驅動產品在安全帶預緊殼體激光焊接系統(tǒng)中的應用

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遠程IO系統(tǒng)和SINUMERIK 828D數控系統(tǒng)等產品在國內第一套汽車安全帶預緊殼體激光焊接系統(tǒng)中所組成的系統(tǒng)配置和網絡結構；并從軟硬件設計方面，敘述了對關鍵功能的成功實現。

［關鍵詞］ 安全帶、預緊殼體、激光焊接、數控系統(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、項目簡介

隨著技術的日益成熟，激光焊接技術在國際上已經被廣泛認可和采用,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(TRW Automotive Holdings Corp.)是全球領先的汽車安全系統(tǒng)供應商之一，汽車安全系統(tǒng)的先驅和領導者之一，如圖1所示。

由于先前產能嚴重不足，天合汽車集團武漢工廠決定委托杭州新松機器人自動化有限公司（筆者先前供職于此），對其原有的安全帶預緊殼體激光焊接站進行全方位的自動化改造，筆者有幸成為此項目的電氣負責人。

圖1 天合汽車集團武漢工廠

安全帶預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)都采用鋼制的預緊殼體，預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形架進行簡單預裝送入分度轉盤，相機拍照檢測預裝無誤后，分度轉臺轉動。六軸機器人將轉臺分度3的預裝物料夾取后送入兩間獨立焊房內的四個焊接工裝上。系統(tǒng)根據物料型號，調用合適的數控軌跡和激光功率，焊接出所需的三維軌跡。焊接完成后，三軸機械手取出預緊殼體送入清潔位清潔焊渣，最后通過輸送線自動運送至成品箱內，如圖2所示。

圖2 安全帶預緊殼體

此項目中使用了一臺SIMATIC S7-300 PLC（含IO模塊）、一臺SIMATIC S7-1200 PLC、一臺TP1200 HMI、七臺ET200ecoPN遠程IO、一臺PN-Coupler-X2耦合器和一套SINUMERIK 828D三軸數控系統(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數控系統(tǒng)與激光頭

圖5 六軸機械手對右焊接室上料

（圖中左焊接室正在進行焊接作業(yè)）

圖6 焊接室正在進行焊接作業(yè)

二、控制系統(tǒng)構成

隨著此項目控制結構較為復雜，采用的控制核心是一臺SIMATIC S7-300 PLC（CPU315-2PN/DP），使用其自帶的DP接口用來與TRUMPF激光器進行數據實時交互，控制激光器開光與關光。

基于現場布線的便利性和對焊渣的防護性，遠程IO系統(tǒng)采用的是IP67等級金屬外殼的七臺ET200ecoPN輸入輸出模塊。由于客戶要求配置三臺串口掃描槍，基于成本考慮，額外增加了一臺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TX90六軸機器人通信。將交互的數據通過S7通信傳遞給S7-300 PLC。PLC與康耐視視覺系統(tǒng)之間進行PN交互；PLC與三套IAI電缸系統(tǒng)之間通過IO交互。SINUMERIK 828D數控系統(tǒng)采用PN-Coupler耦合器進行S7-300 PLC與SINUMERIK 828D數控系統(tǒng)的實時數據交互。

網絡結構圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)網絡結構圖

三、系統(tǒng)動作流程及項目要點分析

1.系統(tǒng)動作流

1）人工預裝上料。人工將掃碼合格的散件在轉臺第一分度進行預裝，其間，系統(tǒng)會對上傳的掃碼結果和預裝結果進行判別（預裝結果靠視覺系統(tǒng)判別）。預裝不合格時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光提示，提示工人重新預裝；預裝合格時，OK指示燈亮，啟動雙手按鈕，轉臺轉動，如圖8所示。

2）六軸機器人將預裝工件轉移至焊接室。人工預裝完成的工件抵達轉臺分度3后，機械手會夾取工件送至焊接室內，焊接工裝壓緊工件頂蓋，機械人退出焊接室，焊接室防護門關閉，如圖9所示。

3）焊接作業(yè)開始。焊接工裝壓緊工件后，數控系統(tǒng)帶動激光頭離開待機位前往焊接起始點，防護門關閉后，焊接作業(yè)立即開始。數控系統(tǒng)G代碼里面對各段焊接軌跡的起始點進行開光和關光控制。數控系統(tǒng)的軌跡子程序和激光器出光子程序均由S7-300PLC調用，如圖10所示。

圖8 人工預裝上料

圖9 六軸機器人上料

圖10 焊接進行中（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.項目中的難點分析

難點1：多種執(zhí)行單元之間多種類型的交互方式。本項目涉及多種類型的交互方式，包括S7-300PLC與SINUMERIK 828D數控系統(tǒng)之間通過PN-PN Couple模塊實現的實時通信，S7-300PLC與激光器之間的PROFIBUS-DP實時通信，S7-300PLC與S7-1200PLC之間的S7非實時通信，S7-1200PLC與史陶比爾機器人之間的ModbusTCP/IP非實時通信，S7-1200PLC與三臺掃碼槍之間的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2：眾多不同型號產品的歸類。此項目需適配客戶 44 種產品類型，通過歸檔發(fā)現，44 種產品類型共有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C器人和數控系統(tǒng)子程序進行歸類，如圖14、圖15所示。

圖13 項目程序中多種通信方式的應用

圖14 HMI機器人控制界面

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

圖15 HMI工件型號屬性參考界面

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

在激光器輸出功率恒定的前提下，激光頭行進速度如果出現較大波動，則工件上的焊接軌跡則會深淺不一致，工件的焊接強度達不到技術要求。在實際調試過程中，通過機床F3400指令，給定激光頭恒定的行進速度，使焊接軌跡的深度一致，非常平整。

激光頭在運動過程中開光、關光的時序控制是激光焊接是非常重要的一條要點。這一點如果做不好，焊接軌跡（見圖18）的起始點和終止點會出現焊穿的現象，影響焊接品質。

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

圖16 項目程序中互鎖標志位

圖17 HMI機器人手動控制界面（處于互鎖狀態(tài)）

西門子SINUMERIK 828D數控系統(tǒng)自帶的這種距離測量指令，具有很高的實用價值，免去了繁瑣的人工編程，非常適合此類激光焊接應用。

除此之外，具備高實時性的PROFINET和PROFIBUS-DP通信方式則是此類項目時序控制的基礎。激光器的開光關光指令由828D數控系統(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 客戶六大類工件對應的焊接軌跡

圖19 軌跡C41第一段焊接軌跡對應的數控G代碼

圖19中G代碼中，NC內部變量$A_DBB［6］ 與$A_DBB［7］控制激光器開光與關光。數控激光系統(tǒng)手動控制界面如圖20所示。

3.典型的設備和工藝照片

圖20 數控激光系統(tǒng)手動控制界面

圖21 幫助界面提示機器人下料坐標參考

圖21所示幫助界面指示了當前工件型號（圖21中所選型號為C1：U-4.1）機器人的下料位置（與焊接室工裝的相對位置坐標），方便機器人校點。

4.關鍵部分的調試過程描述

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

工件焊接軌跡的位置，由機器人下料位置與數控系統(tǒng)設定位置雙方共同決定。調試過程中，先按照機器人標準坐標，調整好機器人的下料位置，然后通過零偏參數來調整焊接軌跡的XY坐標位置。

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

工件的焊接位置由機器人下料位置和數控軌跡坐標決定，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、主軸與進給軸速度的恒定性、開光關光的時序以及激光光路子程序的升降坡度等。

四、項目運行

此項目于2015年1月進入客戶現場實地開發(fā)。于2015年5月交付使用。目前，設備運行穩(wěn)定，當前的生產節(jié)拍（12.6s）也超出客戶指標的13s。

此項目使用了模塊化程序設計理念，用戶操作極為便利，設備自動運行穩(wěn)定可靠，并開放了豐富的手動功能，報警信息也力求詳盡。程序中特意增加了OB86機架故障或分布I/O故障診斷功能，能夠實時判斷通信斷線節(jié)點，客戶反映設備的維護非常便利，如圖22、圖23所示。

天合汽車集團亞太總部對此設備的評價也很高，并后續(xù)陸續(xù)為TRW張家港工廠和TRW印度工廠復制了三套相似設備。

五、應用體會

此項目基于西門子TIA V13平臺進行開發(fā)，編程效率很高。在實時性要求很高的數據交互環(huán)節(jié)，采用了PROFINET和PROFIBUS-DP的通信方式，例如S7-300PLC、SINUMERIK 828D數控系統(tǒng)與PN-Coupler-X2、S7-300PLC與TRUMPF激光器等。而在實時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數控系統(tǒng)強大的G指令，更是大大鞏固了西門子系統(tǒng)在此類數控激光焊接應用領域內無可比擬的優(yōu)勢。

圖22 機架故障或分布I/O故障診斷指令應用1

圖23 機架故障或分布I/O故障診斷指令應用2

參考文獻

［1］ 西門子（中國）有限公司TIA 信息系統(tǒng)［Z］.

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