西门子自动化与驱动产品在安全带预紧壳体激光焊接系统中的应用
辛佳波
（杭州德创电子股份有限公司 杭州）
Application of SIEMENS Automation and Drive Production in the Laser Welding System for Automobile Safety belt Pretensioning Shell
［摘要］ 本文介绍了西门子SIMATIC S7-300 PLC、SIMATIC S7-1200 PLC、TP1200 HMI、ET200ecoPN远程IO系统和SINUMERIK 828D数控系统等产品在国内第一套汽车安全带预紧壳体激光焊接系统中所组成的系统配置和网络结构；并从软硬件设计方面，叙述了对关键功能的成功实现。
［关键词］ 安全带、预紧壳体、激光焊接、数控系统
［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、项目简介
随着技术的日益成熟，激光焊接技术在国际上已经被广泛认可和采用,尤其是在汽车行业中,它的发展速度很快。天合汽车集团(TRW Automotive Holdings Corp.)是全球领先的汽车安全系统供应商之一，汽车安全系统的先驱和领导者之一，如图1所示。
由于先前产能严重不足，天合汽车集团武汉工厂决定委托杭州新松机器人自动化有限公司（笔者先前供职于此），对其原有的安全带预紧壳体激光焊接站进行全方位的自动化改造，笔者有幸成为此项目的电气负责人。
图1 天合汽车集团武汉工厂
安全带预紧壳体是汽车安全带系统的核心部件，中高端的汽车安全带系统都采用钢制的预紧壳体，预紧壳体端盖的焊接采用激光焊接是最为合适的方式。在此工作站中，工人将端盖和U形架进行简单预装送入分度转盘，相机拍照检测预装无误后，分度转台转动。六轴机器人将转台分度3的预装物料夹取后送入两间独立焊房内的四个焊接工装上。系统根据物料型号，调用合适的数控轨迹和激光功率，焊接出所需的三维轨迹。焊接完成后，三轴机械手取出预紧壳体送入清洁位清洁焊渣，最后通过输送线自动运送至成品箱内，如图2所示。
图2 安全带预紧壳体
此项目中使用了一台SIMATIC S7-300 PLC（含IO模块）、一台SIMATIC S7-1200 PLC、一台TP1200 HMI、七台ET200ecoPN远程IO、一台PN-Coupler-X2耦合器和一套SINUMERIK 828D三轴数控系统，以及支持PROFINET通信的康耐视视觉系统，支持PROFIBUS-DP通信的TRUMPF激光器、支持PROFINET通信的FESTO的阀岛、三台自带RS232通信口的扫描枪、支持Modbus TCP/IP通信的史陶比尔TX90六轴机器人和三轴IAI电缸（IO控制），如图3～图6所示。
图3 工作站全貌
图4 SINUMERIK 828D数控系统与激光头
图5 六轴机械手对右焊接室上料
（图中左焊接室正在进行焊接作业）
图6 焊接室正在进行焊接作业
二、控制系统构成
随着此项目控制结构较为复杂，采用的控制核心是一台SIMATIC S7-300 PLC（CPU315-2PN/DP），使用其自带的DP接口用来与TRUMPF激光器进行数据实时交互，控制激光器开光与关光。
基于现场布线的便利性和对焊渣的防护性，远程IO系统采用的是IP67等级金属外壳的七台ET200ecoPN输入输出模块。由于客户要求配置三台串口扫描枪，基于成本考虑，额外增加了一台SIMATIC S7-1200 PLC（CPU 1215C DC/DC/DC+3套CM1241串口模块）。而且S7-1200 PLC 支持ModbusTCP/IP通信，恰好可以用来与史陶比尔TX90六轴机器人通信。将交互的数据通过S7通信传递给S7-300 PLC。PLC与康耐视视觉系统之间进行PN交互；PLC与三套IAI电缸系统之间通过IO交互。SINUMERIK 828D数控系统采用PN-Coupler耦合器进行S7-300 PLC与SINUMERIK 828D数控系统的实时数据交互。
网络结构图如图7所示。
图7 控制系统网络结构图
三、系统动作流程及项目要点分析
1.系统动作流
1）人工预装上料。人工将扫码合格的散件在转台第一分度进行预装，其间，系统会对上传的扫码结果和预装结果进行判别（预装结果靠视觉系统判别）。预装不合格时，系统会发出声光提示，提示工人重新预装；预装合格时，OK指示灯亮，启动双手按钮，转台转动，如图8所示。
2）六轴机器人将预装工件转移至焊接室。人工预装完成的工件抵达转台分度3后，机械手会夹取工件送至焊接室内，焊接工装压紧工件顶盖，机械人退出焊接室，焊接室防护门关闭，如图9所示。
3）焊接作业开始。焊接工装压紧工件后，数控系统带动激光头离开待机位前往焊接起始点，防护门关闭后，焊接作业立即开始。数控系统G代码里面对各段焊接轨迹的起始点进行开光和关光控制。数控系统的轨迹子程序和激光器出光子程序均由S7-300PLC调用，如图10所示。
图8 人工预装上料
图9 六轴机器人上料
图10 焊接进行中（见显示器）
4）三轴IAI电缸取料清理焊渣。焊接完成后，三轴IAI电缸会前往该焊接室取出焊接完成的工件，送往清洁工位，用毛刷旋转刷洗。清洁完毕后，清洁工装将工件送往输送带上，等待人工打包，如图11、图12所示。
图11 三轴电缸与清洁工位
图12 焊渣清理完毕的工件端盖
2.项目中的难点分析
难点1：多种执行单元之间多种类型的交互方式。本项目涉及多种类型的交互方式，包括S7-300PLC与SINUMERIK 828D数控系统之间通过PN-PN Couple模块实现的实时通信，S7-300PLC与激光器之间的PROFIBUS-DP实时通信，S7-300PLC与S7-1200PLC之间的S7非实时通信，S7-1200PLC与史陶比尔机器人之间的ModbusTCP/IP非实时通信，S7-1200PLC与三台扫码枪之间的RS232C串口通信，以及S7-300PLC与IAI三轴电缸之间的IO交互等，如图13所示。
难点2：众多不同型号产品的归类。此项目需适配客户 44 种产品类型，通过归档发现，44 种产品类型共有3大类外形状态 （定义为 A、B、C） 和 6 种焊接轨迹 （定义为 C1、A2、B3、C4、A5、B6）。可对机器人和数控系统子程序进行归类，如图14、图15所示。
图13 项目程序中多种通信方式的应用
图14 HMI机器人控制界面
难点3：六轴机械手与三轴电缸的机械防撞互锁。此项目中，两种机械手工作区域有重叠，程序中的防撞设计必不可少。本项目程序在自动和手动模式下用状态法设置了众多互锁标志位，如图16、图17所示。
图15 HMI工件型号属性参考界面
难点4：激光焊接工艺的把控。激光焊接效果受很多因素影响，其中机床速度的恒定性与激光头开光、关光的时序控制是其中尤为关键的两条。
在激光器输出功率恒定的前提下，激光头行进速度如果出现较大波动，则工件上的焊接轨迹则会深浅不一致，工件的焊接强度达不到技术要求。在实际调试过程中，通过机床F3400指令，给定激光头恒定的行进速度，使焊接轨迹的深度一致，非常平整。
激光头在运动过程中开光、关光的时序控制是激光焊接是非常重要的一条要点。这一点如果做不好，焊接轨迹（见图18）的起始点和终止点会出现焊穿的现象，影响焊接品质。
在图19的G代码第N38行，激光头行进过程中开光，行进速度为F3400；在第N50行，通过位移测量指令
，在距离此段轨迹终点小于1mm的地方提前执行关光命令。当激光焊接功率或者焊接速度有调整时，可根据最终焊接效果，来调整激光器关光的位置。
图16 项目程序中互锁标志位
图17 HMI机器人手动控制界面（处于互锁状态）
西门子SINUMERIK 828D数控系统自带的这种距离测量指令，具有很高的实用价值，免去了繁琐的人工编程，非常适合此类激光焊接应用。
除此之外，具备高实时性的PROFINET和PROFIBUS-DP通信方式则是此类项目时序控制的基础。激光器的开光关光指令由828D数控系统通过PN通信发送至S7-300 PLC，再由S7-300 PLC通过DP通信发送至激光器。
图18 客户六大类工件对应的焊接轨迹
图19 轨迹C41第一段焊接轨迹对应的数控G代码
图19中G代码中，NC内部变量$A_DBB［6］ 与$A_DBB［7］控制激光器开光与关光。数控激光系统手动控制界面如图20所示。
3.典型的设备和工艺照片
图20 数控激光系统手动控制界面
图21 帮助界面提示机器人下料坐标参考
图21所示帮助界面指示了当前工件型号（图21中所选型号为C1：U-4.1）机器人的下料位置（与焊接室工装的相对位置坐标），方便机器人校点。
4.关键部分的调试过程描述
此项目调试过程中，需要先将客户提供的焊接轨迹CAD文件，通过工具软件CADREADER转换成三维坐标文件（G坐标），然后对G坐标进行优化，并添加状态控制指令，例如控制气阀吹气，控制激光头开光关光等。每个工件均可以在左右两边焊室进行加工，因此同一工件，需要添加两个不同的数控子程序，其区别在于零偏参数。
工件焊接轨迹的位置，由机器人下料位置与数控系统设定位置双方共同决定。调试过程中，先按照机器人标准坐标，调整好机器人的下料位置，然后通过零偏参数来调整焊接轨迹的XY坐标位置。
若轨迹需要向操作者方向移动，则需要减小Y轴坐标，反之则增加Y轴坐标。若轨迹需要向操作者左手方向移动，则需要减小X轴坐标，反之则增加X轴坐标。
工件的焊接位置由机器人下料位置和数控轨迹坐标决定，而最终的焊接效果则受很多因素影响，例如焊接室空气洁净程度、主轴与进给轴速度的恒定性、开光关光的时序以及激光光路子程序的升降坡度等。
四、项目运行
此项目于2015年1月进入客户现场实地开发。于2015年5月交付使用。目前，设备运行稳定，当前的生产节拍（12.6s）也超出客户指标的13s。
此项目使用了模块化程序设计理念，用户操作极为便利，设备自动运行稳定可靠，并开放了丰富的手动功能，报警信息也力求详尽。程序中特意增加了OB86机架故障或分布I/O故障诊断功能，能够实时判断通信断线节点，客户反映设备的维护非常便利，如图22、图23所示。
天合汽车集团亚太总部对此设备的评价也很高，并后续陆续为TRW张家港工厂和TRW印度工厂复制了三套相似设备。
五、应用体会
此项目基于西门子TIA V13平台进行开发，编程效率很高。在实时性要求很高的数据交互环节，采用了PROFINET和PROFIBUS-DP的通信方式，例如S7-300PLC、SINUMERIK 828D数控系统与PN-Coupler-X2、S7-300PLC与TRUMPF激光器等。而在实时性要求不高的交互环节，则采用了ModbusTCP/IP和S7通信方式，例如S7-1200PLC与史陶比尔TX90六轴机器人，S7-1200PLC与S7-300PLC之间。这种通信方式的选择较为充分地分配和节省了CPU的资源。而SINUMERIK 828D数控系统强大的G指令，更是大大巩固了西门子系统在此类数控激光焊接应用领域内无可比拟的优势。
图22 机架故障或分布I/O故障诊断指令应用1
图23 机架故障或分布I/O故障诊断指令应用2
参考文献
［1］ 西门子（中国）有限公司TIA 信息系统［Z］.
［2］ 西门子（中国）有限公司西门子 PROFINET 工业通信指南（2）［Z］.
