李楊

【摘 要】本文針對當前企業(yè)對人工點焊工作模式的質(zhì)量監(jiān)控需求越來越高的情況，設(shè)計一套面向中小企業(yè)典型點焊接流水線的焊接一體化MES監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC檢測焊接工位焊鉗電流，并實時監(jiān)控焊接點數(shù)等信息，結(jié)合鎖槍及暗燈系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個車間若干條流水線的分布式數(shù)據(jù)采集，分層級監(jiān)控，實現(xiàn)從現(xiàn)場、工段、車間級的多方位監(jiān)控，并采用云端APP客戶端進行實時質(zhì)量監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】汽車 焊接件 防漏焊 MES監(jiān)控系統(tǒng) 點焊 PLC MES

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）03C-0187-06

近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量逐年擴大，人們對于汽車質(zhì)量及安全提出了更高的要求，汽車零部件的拼焊件逐漸采用工業(yè)機器人進行自動化焊接，但是一些中小型企業(yè)一時難以過渡到全自動化程度，很多生產(chǎn)線依然需要人工進行流水線焊接作業(yè)，不可避免出現(xiàn)焊接質(zhì)量難以監(jiān)控的問題，迫切需要一種簡單高效的監(jiān)控方式實現(xiàn)對當前人工焊接的實時監(jiān)控，盡量避免廢品的出現(xiàn)。

一、人工點焊對焊接件質(zhì)量的影響

人工點焊對焊接件質(zhì)量的影響表現(xiàn)在：一是人工焊接會受到體力，精神及很多方面的影響導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，比如焊接電流不足或保壓時間不夠，造成焊接不牢固的情況。二是點焊電極頭要定期進行修磨，但是工人往往根據(jù)經(jīng)驗進行修磨，帶來質(zhì)量隱患。三是企業(yè)在后期抽檢才能發(fā)現(xiàn)焊接不牢固，或者有漏焊的情況。四是流水線有排產(chǎn)的不同需要，同工位會因為排產(chǎn)焊接不同拼焊件，工人也許會出現(xiàn)有漏焊的情況，直接影響下一工序的焊接，存在質(zhì)量遺留問題。

二、自動焊接系統(tǒng)的具體功能

為了應(yīng)對人工點焊出現(xiàn)的質(zhì)量問題，設(shè)計了一套基于PLC的焊接線監(jiān)控系統(tǒng)，基本功能如下：一是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對人工焊接時每一個焊點的電流值進行統(tǒng)計，判斷電流是否符合標準電流值。二是自動統(tǒng)計本工序的焊接點數(shù)，判斷是否符合焊接點個數(shù)的要求，從而知道是否有漏焊的情況。三是工裝夾具有識別零件的防錯焊的定位銷及工件識別傳感器，用于自動判斷是否有錯焊的情況。四是流水線工位設(shè)置暗燈功能，現(xiàn)場求援信號可以通過監(jiān)控系統(tǒng)及時進行告警。五是利用多級監(jiān)控方式實現(xiàn)對現(xiàn)場工位、工段及車間級的質(zhì)量監(jiān)控告警方式，及時反饋焊接情況，避免大批量的零件質(zhì)量問題出現(xiàn)。六是便于企業(yè)對車間的焊接情況進行質(zhì)量跟蹤，利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行綜合分析，提高效率。

三、系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

（一）單站系統(tǒng)的確設(shè)計

車間內(nèi)有多條人工點焊焊接流水線，每條流水線有多臺人工焊鉗，在焊鉗端安裝電流互感器用于檢測每一次焊鉗點焊的電流，夾具平臺設(shè)置有識別零件的防錯焊的定位銷及工件識別傳感器，用于自動判斷是否有錯焊的情況，所有此類信號進到PLC后再進行判斷處理。各流水線由單臺PLC進行集中數(shù)據(jù)的采集分析和控制，人機界面觸摸屏在現(xiàn)場實現(xiàn)現(xiàn)場級的參數(shù)設(shè)定、調(diào)試及告警使用，同時數(shù)據(jù)還通過交換機與車間級上位工控機對接，匯總各個流水線的實時數(shù)據(jù)，綜合數(shù)據(jù)通過云平臺APP共享到手機客戶端，方便管理人員隨時監(jiān)控車間生產(chǎn)情況。如圖1所示。

（二）焊點計數(shù)及電流檢測

通過電流互感器檢測焊鉗端焊接電流，PLC接受電流信號后，與標準信號進行比較，如果出現(xiàn)有嚴重偏差則及時報警。如果焊接個數(shù)不符合要求，也通過暗燈及上位機進行告警。如圖2所示。

（三）定期修磨設(shè)置

監(jiān)控可以設(shè)置焊點總數(shù)統(tǒng)計，當達到一定的焊點次數(shù)后，可以通過鎖槍方式提醒工人及時進行電極修磨工作。本系統(tǒng)同時也輔助開發(fā)了與自動控制的修磨器，方便工人快速實現(xiàn)修磨功能，提高了效率。如圖3所示。

（四）車型識別及部件防漏焊

由于在排產(chǎn)過程中會出現(xiàn)有分班次分時段焊接不同零部件的情況，同一零件的不同批次會焊接不同的位置，人工焊接容易疏漏。系統(tǒng)采用夾具平臺設(shè)置有識別零件的防錯焊的定位銷及工件識別傳感器，用于自動判斷是否有錯焊的情況，出現(xiàn)有工裝錯誤會自動鎖夾具或者鎖槍的方式進行警告。具體如圖4所示。

四、控制系統(tǒng)程序設(shè)計

（一）程序設(shè)計（部分）

焊接電流采用電流互感器檢測，檢測電流經(jīng)過變送器進入PLC模擬量模塊，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號參與PLC內(nèi)部運算。

焊點數(shù)量檢測是通過焊接電流來進行計數(shù)，通一次電流就算一點。實時監(jiān)控每個工件每個焊鉗的焊點數(shù)量，避免漏焊少焊，提升焊接件焊接質(zhì)量。如圖5所示。

（二）焊接點數(shù)的計數(shù)程序設(shè)計（部分）

PLC在人工焊接時從工件開始焊接至結(jié)束的計數(shù)，程序如下：

LD Always_On

A 焊機系統(tǒng)啟動29_1

LPS

AN 所有工作結(jié)束29

AN 工件焊接結(jié)束29

LD 焊鉗29計數(shù)

O 工件焊接開始29

ALD

= 工件焊接開始29

LPP

A 所有工作結(jié)束29

LD 工件焊接開始29

O 工件焊接結(jié)束29

ALD

= 工件焊接結(jié)束29

在對一個標準焊接過程結(jié)束時的程序進行比較后進行判斷，如下所示：

LD Always_On

A 焊機系統(tǒng)啟動29_1

LPS

EU

MOVW +0，實際焊點數(shù)29

LPP

AW>= 實際焊點數(shù)29，標準焊點數(shù)29

= 標準焊接結(jié)束29

每把焊槍總焊點計數(shù)以正常標準焊接進行計數(shù)，得到人工焊接的實時焊接點數(shù)。

LD Always_On

LPS

A First_Scan_On

MOVD +0，總焊點數(shù)29

AENO

MOVW +0，工件焊點數(shù)中間值29

AENO

MOVW +0，工件焊點數(shù)29

LPP

A 系統(tǒng)啟動

A 焊機系統(tǒng)啟動29_1

AW> 標準焊點數(shù)29，+0

LPS

A 焊鉗29計數(shù)

AR> 電流值29，標準下限電流29

AN 所有工作結(jié)束記憶29

EU

INCD 總焊點數(shù)29

INCW 工件焊點數(shù)中間值29

LPP

A 所有工作結(jié)束記憶29

EU

MOVW 工件焊點數(shù)中間值29，工件焊點數(shù)29

AENO

MOVW +0，工件焊點數(shù)中間值29

五、焊接線觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

（一）觸摸屏主界面

系統(tǒng)設(shè)置了多個焊接界面實現(xiàn)畫面間的切換，為放置無關(guān)人員對系統(tǒng)進行修改，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，特設(shè)置了登錄頁面。如圖6所示。

（二）登錄界面

登錄界面設(shè)置了兩級登錄權(quán)限功能，操作員登錄采用A級權(quán)限，可以對基本參數(shù)進行修改。維護登錄除了可以修改基本參數(shù)外，還可以對內(nèi)部變量，腳本等底層界面進行修改。如圖7所示。

系統(tǒng)還設(shè)置了三個按鈕實現(xiàn)作業(yè)、維護和緊急情況的登錄，作業(yè)登錄能進入操作界面；維護登錄能進入?yún)?shù)設(shè)置界面；緊急登錄能進入系統(tǒng)停止界面。

（三）操作界面

操作界面主要用于實時監(jiān)控焊機生產(chǎn)數(shù)據(jù)。焊接防漏檢測操作界面設(shè)置了各個焊機當前的實時焊接電流等信息。登錄按鈕可以進入焊槍解鎖界面。（焊槍鎖槍后，通過按工位上的復(fù)位按鈕和登錄焊槍解鎖界面進行雙重復(fù)位。）如圖8所示。

（四）參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置了可以切換車型的按鈕對應(yīng)車型一、車型二、車型三和車型四。存入按鈕用于存入車型生產(chǎn)信息。（需要生產(chǎn)什么車型，就選擇車型，然后存入。）車型單獨選擇按鈕用于工位單獨選擇存入車型。非正常狀態(tài)按鈕用于非正常狀態(tài)下生產(chǎn)的車型的存入。電流系數(shù)用于設(shè)置電流系數(shù)的界面。（通過設(shè)置系數(shù)把系統(tǒng)監(jiān)控電流設(shè)置成和焊機實際電流一致的界面。）操作界面主要用于實時監(jiān)控焊機生產(chǎn)數(shù)據(jù)。焊接防漏檢測操作界面設(shè)置了各個焊機當前的實時焊接電流等信息。登錄按鈕可以進入焊槍解鎖界面。（焊槍鎖槍后，通過按工位上的復(fù)位按鈕和登錄焊槍解鎖界面進行雙重復(fù)位。）如圖9所示。

（五）緊急登錄界面

緊急登錄界面主要是根據(jù)需要單獨停止焊機的系統(tǒng)運行的功能。（例如：停止焊機001，則系統(tǒng)就不控制焊機001。）如圖10所示。

（六）車型單獨選擇界面

根據(jù)車間排產(chǎn)的需要，可以對工位需要單獨選擇車型焊點。如圖11所示。

（七）非正常狀態(tài)界面

非正常狀態(tài)界面設(shè)置兩種非正常狀態(tài)下的生產(chǎn)車型的焊點。如圖12所示。

（八）電流系數(shù)界面

焊接點電流也許會根據(jù)當前電流總體的變化，從而檢測有所改動，在電流系數(shù)界面可以設(shè)置比例系數(shù)，存入后可以統(tǒng)一修訂電流偏差。如圖13所示。

六、工控機組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計

車間級由工控機進行全方位監(jiān)控，采用組態(tài)王軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控。如圖14、圖15所示。

為了實現(xiàn)對各個流水線物料配送的及時告警，設(shè)置了物料呼叫監(jiān)控界面，配合暗燈系統(tǒng)實現(xiàn)物流作業(yè)的輔助功能。如圖16所示。

通過產(chǎn)量統(tǒng)計報表可以對每天的產(chǎn)量進行報表統(tǒng)計，可以人工保存，也可以按照每天固定時間自動保存，方便企業(yè)進行數(shù)據(jù)分析。如圖17所示。

七、云端監(jiān)控

云端通過APP手機客戶端可以實現(xiàn)對整個車間各條流水線作業(yè)的數(shù)據(jù)匯總，在手機端可以利用軟件進行及時的信息掌握。如圖18所示。

八、系統(tǒng)調(diào)試及驗證分析

該設(shè)備通過在企業(yè)1個多月的安裝及調(diào)試，各方面技術(shù)指標均已完成功能測試現(xiàn)已投入使用，經(jīng)過2個多月的跟線及系統(tǒng)補充修改，完成了對員工的系統(tǒng)使用及維護培訓(xùn)工作，現(xiàn)已完全交付企業(yè)使用至今。如圖19所示。

九、存在問題

本文介紹了基于PLC的汽車焊接件防漏焊監(jiān)控系統(tǒng)的研制，從企業(yè)對拼焊件現(xiàn)場的質(zhì)量問題出發(fā)，通過系統(tǒng)及時地對人工焊接中出現(xiàn)的漏焊，錯焊及焊接電流不足等造成的產(chǎn)品質(zhì)量問題進行及時反饋，讓質(zhì)量部門能快速響應(yīng)糾錯，避免流水線大批量作業(yè)帶來的大量不合格品的出現(xiàn)。

在實際應(yīng)用中還有些問題有待下一階段的提高，例如：

第一，人工焊接最直接有效的質(zhì)量提升就是對人工焊接的規(guī)范化操作，以及職業(yè)道德的提升，對企業(yè)文化的融入等，只有對人的技術(shù)進行提升，才能從根本上實現(xiàn)質(zhì)量的提升。監(jiān)控手段只能作為輔助的一種質(zhì)量監(jiān)控手段，需要現(xiàn)場工人配合操作才能實現(xiàn)效能。

第二，生產(chǎn)部門與質(zhì)量部門之間的協(xié)調(diào)很關(guān)鍵，系統(tǒng)在應(yīng)用中會根據(jù)漏焊及影響焊接質(zhì)量的反映，會通過鎖槍或者鎖夾具的方式避免焊接錯誤方式繼續(xù)下去，這樣會造成流水作業(yè)的停滯，需要人工解鎖然后才能繼續(xù)。生產(chǎn)部分以排產(chǎn)產(chǎn)量為中心，影響產(chǎn)量很難完成任務(wù)。而質(zhì)量部門以質(zhì)量為中心，希望影響質(zhì)量的產(chǎn)品流入下一道工序。這樣就會造成矛盾的出現(xiàn)，在調(diào)試程序過程中受到兩個部門不同角度的影響，一度出現(xiàn)有麻煩的出現(xiàn)，此類問題需要快速保障的體系，與人工操作相配合才能實現(xiàn)。

系統(tǒng)下一階段圍繞以上問題進一步改進人機效能，在企業(yè)還無法大面積采用工業(yè)機器人焊接的情況下，找出更優(yōu)的程序方案實現(xiàn)最大效能的汽車焊接件防漏焊監(jiān)控系統(tǒng)。

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【基金項目】廣西教育廳高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目（一般資助項目）“汽車焊接件防漏焊一體化監(jiān)控系統(tǒng)研制”（2017KY1051）

【作者簡介】李 楊（1984— ），女，廣西柳州人，碩士，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院講師，研究方向：工業(yè)電氣自動化、機電一體化技術(shù)。

（責(zé)編 盧 雯）