黃 鵬,章 磊,劉學(xué)育

(1.湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 黃石 435002;2.湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

碳化硅模塊(Power stack)是新能源汽車電機(jī)的重要組成部分,其工藝質(zhì)量直接影響汽車的使用性能和安全性能。相比于傳統(tǒng)的硅材料,碳化硅模塊的導(dǎo)電性能更好,能夠降低電能的損耗,實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更低的開關(guān)損耗,提高電動汽車的轉(zhuǎn)換效率。碳化硅模塊的熱穩(wěn)定性更佳,能夠承受更高的工作溫度,提高電動汽車的耐用性和可靠性,降低模塊的故障率。

自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)ζ囯姍C(jī)的生產(chǎn)過程進(jìn)行全面自動化控制和監(jiān)測,提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)[1-2]。孟靜靜等[3]將PLC與機(jī)器人等外圍設(shè)備相結(jié)合,接收工作站發(fā)送的信號,在Robot Studio中通過離線編程完成機(jī)器人運(yùn)動軌跡編程,實(shí)現(xiàn)了整體自動生產(chǎn)線的規(guī)劃。李光明等[4]結(jié)合嵌入式開發(fā)、MQTT協(xié)議、SpringCloud微服務(wù)框架以及Web服務(wù)設(shè)計(jì)了針對于西門子PLC的遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)。

碳化硅模塊的安裝及擰緊是新能源汽車電機(jī)組裝過程中的關(guān)鍵工藝之一。本文以新能源汽車電機(jī)中碳化硅模塊的自動裝配為研究對象,以PLC為核心控制器,通過配備各種傳感器、執(zhí)行器和機(jī)械部件,提出一種基于PLC的碳化硅模塊自動化產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案,以減少人工干預(yù),提高生產(chǎn)效率。

1 汽車電機(jī)生產(chǎn)線工藝流程概述

汽車電機(jī)生產(chǎn)線工作流程如圖1所示。首先,在電機(jī)機(jī)殼上打印鋼印碼,對電機(jī)定子進(jìn)行熱套安裝;接下來安裝電機(jī)水嘴和適配板,并進(jìn)行氣密性和電氣性能的測試;再對定子、軸承及轉(zhuǎn)子進(jìn)行安裝與測試;隨后完成Power stack的安裝、擰緊以及電機(jī)蓋的裝配;最后對裝配完成的電機(jī)進(jìn)行氣密性、等電位性、絕緣性、耐壓性和外觀檢測測試。

圖1 汽車電機(jī)生產(chǎn)線工作流程

2 碳化硅模塊站點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

新能源汽車電機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由西門子系列PLC可編程控制器、觸控屏幕HMI以及電腦西門子TIA Portal操作軟件組成。采用模塊化設(shè)計(jì)電機(jī)生產(chǎn)線中的PLC控制軟件程序,包含KUKA機(jī)器人模塊程序、AGV上料小車程序、MES程序和Desoutter送釘程序。采用PROFINET的通信方式,用于實(shí)時(shí)自動化控制和數(shù)據(jù)采集。整體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 整體方案設(shè)計(jì)

2.2 工位控制區(qū)域

工位控制區(qū)域分別為HMI屏幕與安全門、材料水平滑臺、工作站位1、工作站位2、工作站位3以及PLC電柜。上述任一控制回路,皆可對工位整體進(jìn)行安全回路關(guān)斷操作,包括但不限于拍下HMI安全急停按鈕、打開安全門、按下安全門急停、按下機(jī)器人示教器急停按鈕以及將機(jī)器人控制柜電源關(guān)閉等。安全回路關(guān)斷、工位停機(jī)且脫離自動模式、手動模式下也無法操作設(shè)備。若要對安全回路進(jìn)行復(fù)位,需確保相關(guān)急停按鈕、控制柜電源與光柵等處于正常狀態(tài),按下復(fù)位按鈕即可恢復(fù)。

按照工作站位將當(dāng)前程序系統(tǒng)劃分為5個控制區(qū)域。OPMODE01為Power stack安裝及擰緊,用于抓取、放置Power stack并壓緊Power stack以及擰緊2顆螺絲,相關(guān)設(shè)備有手持式掃碼槍、固定式掃碼器、2D相機(jī)、6軸機(jī)器人、壓機(jī)、電動輥道、返修料臺、擰緊槍和Yamaha伺服電機(jī)等。OPMODE02用于擰緊Power stack上6顆螺絲,外加復(fù)擰2顆螺絲,相關(guān)設(shè)備有定位氣缸、擰緊槍、上料機(jī)和Yamaha伺服電機(jī)等。OPMODE03-Feeder為送釘機(jī),為OPMODE01和OPMODE02供釘。OPMODE04用于擰緊Power stack上的6顆螺絲。OPMODE05-Feeder為送釘機(jī),為OPMODE04供釘。

2.3 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人首先進(jìn)行視覺檢測,2D相機(jī)安裝在機(jī)器人夾爪上,判斷夾爪上是否有Power stack,如果沒有,則通過視覺定位抓取Power stack,放置到視覺檢測位置檢測水嘴O型圈是否漏裝。然后機(jī)器人夾爪搬運(yùn)合格的Power stack放置在水平滑臺上,夾爪再次視覺掃碼Power stack后離開,最后將夾爪回到原位。采用西門子S7-1500 PLC作為控制器,與Work Visual進(jìn)行交互控制[5-6]。

2.4 Desoutter送釘系統(tǒng)

OPMODE03-Feeder和 OPMODE05-Feeder是兩套Desoutter送釘系統(tǒng)。送釘系統(tǒng)分為中號提升料斗、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、一分四分配器和螺栓清潔器4個部套,包括料斗切料氣缸、切料在位檢測、料斗缺料傳感器、直線軌道滿料傳感器、送料管末端檢測、送料前吹氣、直線振控制器、料斗提升氣缸、擰緊槍氣缸、末端檢測、一分四分配氣缸、夾鉗鎖緊氣缸、認(rèn)帽氣缸以及螺釘清潔器氣缸。

2.5 Power stack的安裝

Power stack安裝及擰緊工位是保證汽車電機(jī)質(zhì)量的重要工位。Power stack安裝控制程序流程如圖3所示。工件通過輥道到達(dá)Power stack安裝工位,PLC通過讀取壓機(jī)壓力、螺絲扭矩、螺絲壓力值等數(shù)據(jù)來判斷工件是否滿足要求?？紤]到整體工位的重要性以及與MES之間通信,在PLC程序中加入了一套心跳程序,來判斷MES與PLC之間通信是否正常。Power stack安裝工位包含了3個站點(diǎn),其中站點(diǎn)1是壓機(jī)將Power stack壓入機(jī)殼中,判斷壓機(jī)壓力值是否合格,再把壓機(jī)壓力值上傳至PLC中進(jìn)行處理;站點(diǎn)2是使用4個伺服電機(jī)控制擰緊槍把Power stack工件鎖緊;站點(diǎn)3是將螺絲復(fù)擰,再進(jìn)行螺絲壓力測試。

圖3 Power stack安裝控制程序流程

3 TIA軟件平臺

選用西門子系列PLC,使用TIA Portal軟件對PLC進(jìn)行組態(tài)和編譯以及對觸控屏HMI的控制[7]。使用STEP 7 Professional V16版本對S7-1500進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和編程組態(tài)。TIA軟件平臺如圖4所示。

圖4 TIA軟件平臺

3.1 OPMODE_EDGE_FC函數(shù)塊

OPMODE_EDGE_FC函數(shù)塊用于檢測輸入信號(位觸發(fā)信號)的邊沿。該函數(shù)塊會監(jiān)測輸入信號的狀態(tài),并在信號從低電平到高電平(上升沿)或從高電平到低電平(下降沿)時(shí)輸出一個脈沖信號,用于觸發(fā)其他操作,例如啟動一個定時(shí)器、改變輸出信號等。使用該函數(shù)塊時(shí),需要將輸入信號連接到函數(shù)塊的輸入端口,將脈沖信號連接到函數(shù)塊的輸出端口,并設(shè)置函數(shù)塊的參數(shù),如邊沿模式和濾波時(shí)間等。然后在程序中調(diào)用該函數(shù)塊即可實(shí)現(xiàn)邊沿觸發(fā)功能。OPMODE_EDGE_FC函數(shù)塊檢測輸入信號如圖5所示。

圖5 OPMODE_EDGE_FC函數(shù)塊檢測輸入信號

3.2 GRAPH_MAIN_FB編程塊

GRAPH_MAIN_FB編程塊可以在TIA Portal軟件中配置和編輯,用于創(chuàng)建PLC程序的人機(jī)界面。GRAPH編程塊可以將程序中的變量與圖形化界面中的控件進(jìn)行綁定,還可以實(shí)現(xiàn)界面的切換、按鍵響應(yīng)等功能,提高PLC程序的可視化程度[8-9]。在使用GRAPH編程塊時(shí),需要在TIA Portal軟件中進(jìn)行配置和編輯,添加相應(yīng)的控件和變量,并將它們進(jìn)行綁定。然后將編程塊插入到程序中,并在程序中調(diào)用該編程塊即可實(shí)現(xiàn)圖形化界面的功能。GRAPH_MAIN_FB編程塊如圖6所示。

圖6 GRAPH_MAIN_FB編程塊

3.3 觸摸屏HMI設(shè)計(jì)

用戶可以通過觸摸屏HMI對設(shè)備完成控制并查詢工件信息、生產(chǎn)狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài),使電機(jī)生產(chǎn)線有更好的人機(jī)操作界面。在主界面中,用戶點(diǎn)擊所要操作的HMI進(jìn)入不同的OPMODE,單擊右上角閃爍的HMIcontral獲取相應(yīng)HMI的控制權(quán);用戶可以點(diǎn)擊OP-Func選擇自動回零模式、自動標(biāo)件模式、自動空循環(huán)模式、自動常規(guī)模式和自動清空模式;報(bào)警界面顯示工位當(dāng)前存在的報(bào)警、警告和信息,當(dāng)工位出現(xiàn)異常時(shí),可以點(diǎn)擊右下角的Alarms到此頁面進(jìn)行檢查;配方信息表中可以看到每個質(zhì)量數(shù)據(jù)的上下限值,在手動模式下按“手動請求配方”按鈕能夠把最新質(zhì)量的配方數(shù)據(jù)下載。系統(tǒng)設(shè)置界面主要介紹PLC的一些配置信息和功能,包括Save Settings(屏號切換保存)、Reset Times(復(fù)位時(shí)間)、Reset F-times(復(fù)位安全時(shí)間)、Reset Alarm Hist(復(fù)位歷史報(bào)警)以及Stop RT(HMI運(yùn)行停止)。當(dāng)一個工位有多個HMI屏幕時(shí),需要多個屏幕的OPMODE模式都處于自動模式,才能啟動自動模式。

4 系統(tǒng)測試

4.1 工位工作節(jié)拍

產(chǎn)線中每個站點(diǎn)機(jī)器理論操作時(shí)間均為1 min,包括托盤進(jìn)入、讀取RFID信息、機(jī)器人抓取、滑臺升降、擰緊機(jī)擰緊、寫入信息到RFID及托盤離開等。工位工作節(jié)拍見表1。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn),3個站點(diǎn)機(jī)器平均操作時(shí)間分別為53.5、45、42 s,可以滿足產(chǎn)線需求。

表1 工位工作節(jié)拍

4.2 Power stack的壓裝與螺栓扭矩

壓裝是一種常見的裝配工藝,用于將兩個或多個零部件緊密地連接在一起。在壓裝過程中,通常需要將一個零部件插入或嵌入另一個零部件中,以確保它們之間的連接牢固和穩(wěn)定。在一些重要的機(jī)械裝配中,也會采用扭矩與角度擰緊法來確保連接件的準(zhǔn)確擰緊和穩(wěn)定性。為確保模塊與散熱器之間的良好接觸和熱傳導(dǎo),擰緊碳化硅模塊螺栓的扭矩和角度非常重要。擰緊扭矩不足可能導(dǎo)致連接處松動,影響散熱性能和可靠性,而過度擰緊則可能導(dǎo)致模塊或散熱器損壞。

壓裝與扭矩參數(shù)見表2。工藝參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)值,則工件合格。經(jīng)多次測試,Power stack的壓裝均可滿足工藝標(biāo)準(zhǔn);Power stack與屏蔽板螺栓的扭矩和角度絕大部分可以達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn),機(jī)械磨損會導(dǎo)致少數(shù)螺栓扭矩不達(dá)標(biāo)。

表2 壓裝與扭矩參數(shù)

5 結(jié)論

基于PLC的碳化硅模塊產(chǎn)線設(shè)計(jì),通過對PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與編程,實(shí)現(xiàn)了對碳化硅模塊的自動上下料、加工、檢測和分揀等操作,最終實(shí)現(xiàn)了碳化硅模塊的高質(zhì)量生產(chǎn)和快速交付,具備靈活性和可擴(kuò)展性,可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的生產(chǎn)。本研究在提高新能源汽車電機(jī)生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)流程、提升產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。