汽车焊接件防漏焊MES监控系统设计及应用

李杨

【摘 要】本文针对当前企业对人工点焊工作模式的质量监控需求越来越高的情况，设计一套面向中小企业典型点焊接流水线的焊接一体化MES监控系统，采用PLC检测焊接工位焊钳电流，并实时监控焊接点数等信息，结合锁枪及暗灯系统，实现对整个车间若干条流水线的分布式数据采集，分层级监控，实现从现场、工段、车间级的多方位监控，并采用云端APP客户端进行实时质量监控。

【关键词】汽车 焊接件 防漏焊 MES监控系统 点焊 PLC MES

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）03C-0187-06

近年来，随着汽车产业的产量逐年扩大，人们对于汽车质量及安全提出了更高的要求，汽车零部件的拼焊件逐渐采用工业机器人进行自动化焊接，但是一些中小型企业一时难以过渡到全自动化程度，很多生产线依然需要人工进行流水线焊接作业，不可避免出现焊接质量难以监控的问题，迫切需要一种简单高效的监控方式实现对当前人工焊接的实时监控，尽量避免废品的出现。

一、人工点焊对焊接件质量的影响

人工点焊对焊接件质量的影响表现在：一是人工焊接会受到体力，精神及很多方面的影响导致焊接过程不稳定，比如焊接电流不足或保压时间不够，造成焊接不牢固的情况。二是点焊电极头要定期进行修磨，但是工人往往根据经验进行修磨，带来质量隐患。三是企业在后期抽检才能发现焊接不牢固，或者有漏焊的情况。四是流水线有排产的不同需要，同工位会因为排产焊接不同拼焊件，工人也许会出现有漏焊的情况，直接影响下一工序的焊接，存在质量遗留问题。

二、自动焊接系统的具体功能

为了应对人工点焊出现的质量问题，设计了一套基于PLC的焊接线监控系统，基本功能如下：一是系统能够实现对人工焊接时每一个焊点的电流值进行统计，判断电流是否符合标准电流值。二是自动统计本工序的焊接点数，判断是否符合焊接點个数的要求，从而知道是否有漏焊的情况。三是工装夹具有识别零件的防错焊的定位销及工件识别传感器，用于自动判断是否有错焊的情况。四是流水线工位设置暗灯功能，现场求援信号可以通过监控系统及时进行告警。五是利用多级监控方式实现对现场工位、工段及车间级的质量监控告警方式，及时反馈焊接情况，避免大批量的零件质量问题出现。六是便于企业对车间的焊接情况进行质量跟踪，利用现场数据进行综合分析，提高效率。

三、系统硬件总体设计

（一）单站系统的确设计

车间内有多条人工点焊焊接流水线，每条流水线有多台人工焊钳，在焊钳端安装电流互感器用于检测每一次焊钳点焊的电流，夹具平台设置有识别零件的防错焊的定位销及工件识别传感器，用于自动判断是否有错焊的情况，所有此类信号进到PLC后再进行判断处理。各流水线由单台PLC进行集中数据的采集分析和控制，人机界面触摸屏在现场实现现场级的参数设定、调试及告警使用，同时数据还通过交换机与车间级上位工控机对接，汇总各个流水线的实时数据，综合数据通过云平台APP共享到手机客户端，方便管理人员随时监控车间生产情况。如图1所示。

（二）焊点计数及电流检测

通过电流互感器检测焊钳端焊接电流，PLC接受电流信号后，与标准信号进行比较，如果出现有严重偏差则及时报警。如果焊接个数不符合要求，也通过暗灯及上位机进行告警。如图2所示。

（三）定期修磨设置

监控可以设置焊点总数统计，当达到一定的焊点次数后，可以通过锁枪方式提醒工人及时进行电极修磨工作。本系统同时也辅助开发了与自动控制的修磨器，方便工人快速实现修磨功能，提高了效率。如图3所示。

（四）车型识别及部件防漏焊

由于在排产过程中会出现有分班次分时段焊接不同零部件的情况，同一零件的不同批次会焊接不同的位置，人工焊接容易疏漏。系统采用夹具平台设置有识别零件的防错焊的定位销及工件识别传感器，用于自动判断是否有错焊的情况，出现有工装错误会自动锁夹具或者锁枪的方式进行警告。具体如图4所示。

四、控制系统程序设计

（一）程序设计（部分）

焊接电流采用电流互感器检测，检测电流经过变送器进入PLC模拟量模块，通过数模转换成数字量信号参与PLC内部运算。

焊点数量检测是通过焊接电流来进行计数，通一次电流就算一点。实时监控每个工件每个焊钳的焊点数量，避免漏焊少焊，提升焊接件焊接质量。如图5所示。

（二）焊接点数的计数程序设计（部分）

PLC在人工焊接时从工件开始焊接至结束的计数，程序如下：

LD Always_On

A 焊机系统启动29_1

LPS

AN 所有工作结束29

AN 工件焊接结束29

LD 焊钳29计数

O 工件焊接开始29

ALD

= 工件焊接开始29

LPP

A 所有工作结束29

LD 工件焊接开始29

O 工件焊接结束29

ALD

= 工件焊接结束29

在对一个标准焊接过程结束时的程序进行比较后进行判断，如下所示：

LD Always_On

A 焊机系统启动29_1

LPS

EU

MOVW +0，实际焊点数29

LPP

AW>= 实际焊点数29，标准焊点数29

= 标准焊接结束29

每把焊枪总焊点计数以正常标准焊接进行计数，得到人工焊接的实时焊接点数。

LD Always_On

LPS

A First_Scan_On

MOVD +0，总焊点数29

AENO

MOVW +0，工件焊点数中间值29

AENO

MOVW +0，工件焊点数29

LPP

A 系统启动

A 焊机系统启动29_1

AW> 标准焊点数29，+0

LPS

A 焊钳29计数

AR> 电流值29，标准下限电流29

AN 所有工作结束记忆29

EU

INCD 总焊点数29

INCW 工件焊点数中间值29

LPP

A 所有工作结束记忆29

EU

MOVW 工件焊点数中间值29，工件焊点数29

AENO

MOVW +0，工件焊点数中间值29

五、焊接线触摸屏监控系统设计

（一）触摸屏主界面

系统设置了多个焊接界面实现画面间的切换，为放置无关人员对系统进行修改，保证系统安全稳定，特设置了登录页面。如图6所示。

（二）登录界面

登录界面设置了两级登录权限功能，操作员登录采用A级权限，可以对基本参数进行修改。维护登录除了可以修改基本参数外，还可以对内部变量，脚本等底层界面进行修改。如图7所示。

系统还设置了三个按钮实现作业、维护和紧急情况的登录，作业登录能进入操作界面；维护登录能进入参数设置界面；紧急登录能进入系统停止界面。

（三）操作界面

操作界面主要用于实时监控焊机生产数据。焊接防漏检测操作界面设置了各个焊机当前的实时焊接电流等信息。登录按钮可以进入焊枪解锁界面。（焊枪锁枪后，通过按工位上的复位按钮和登录焊枪解锁界面进行双重复位。）如图8所示。

（四）参数设置界面

参数设置界面设置了可以切换车型的按钮对应车型一、车型二、车型三和车型四。存入按钮用于存入车型生产信息。（需要生产什么车型，就选择车型，然后存入。）车型单独选择按钮用于工位单独选择存入车型。非正常状态按钮用于非正常状态下生产的车型的存入。电流系数用于设置电流系数的界面。（通过设置系数把系统监控电流设置成和焊机实际电流一致的界面。）操作界面主要用于实时监控焊机生产数据。焊接防漏检测操作界面设置了各个焊机当前的实时焊接电流等信息。登录按钮可以进入焊枪解锁界面。（焊枪锁枪后，通过按工位上的复位按钮和登录焊枪解锁界面进行双重复位。）如图9所示。

（五）紧急登录界面

紧急登录界面主要是根据需要单独停止焊机的系统运行的功能。（例如：停止焊机001，则系统就不控制焊机001。）如图10所示。

（六）车型单独选择界面

根据车间排产的需要，可以对工位需要单独选择车型焊点。如图11所示。

（七）非正常状态界面

非正常状态界面设置两种非正常状态下的生产车型的焊点。如图12所示。

（八）电流系数界面

焊接点电流也许会根据当前电流总体的变化，从而检测有所改动，在电流系数界面可以设置比例系数，存入后可以统一修订电流偏差。如图13所示。

六、工控机组态监控界面设计

车间级由工控机进行全方位监控，采用组态王软件实现对系统的监控。如图14、图15所示。

为了实现对各个流水线物料配送的及时告警，设置了物料呼叫监控界面，配合暗灯系统实现物流作业的辅助功能。如图16所示。

通过产量统计报表可以对每天的产量进行报表统计，可以人工保存，也可以按照每天固定时间自动保存，方便企业进行数据分析。如图17所示。

七、云端监控

云端通过APP手機客户端可以实现对整个车间各条流水线作业的数据汇总，在手机端可以利用软件进行及时的信息掌握。如图18所示。

八、系统调试及验证分析

该设备通过在企业1个多月的安装及调试，各方面技术指标均已完成功能测试现已投入使用，经过2个多月的跟线及系统补充修改，完成了对员工的系统使用及维护培训工作，现已完全交付企业使用至今。如图19所示。

九、存在问题

本文介绍了基于PLC的汽车焊接件防漏焊监控系统的研制，从企业对拼焊件现场的质量问题出发，通过系统及时地对人工焊接中出现的漏焊，错焊及焊接电流不足等造成的产品质量问题进行及时反馈，让质量部门能快速响应纠错，避免流水线大批量作业带来的大量不合格品的出现。

在实际应用中还有些问题有待下一阶段的提高，例如：

第一，人工焊接最直接有效的质量提升就是对人工焊接的规范化操作，以及职业道德的提升，对企业文化的融入等，只有对人的技术进行提升，才能从根本上实现质量的提升。监控手段只能作为辅助的一种质量监控手段，需要现场工人配合操作才能实现效能。

第二，生产部门与质量部门之间的协调很关键，系统在应用中会根据漏焊及影响焊接质量的反映，会通过锁枪或者锁夹具的方式避免焊接错误方式继续下去，这样会造成流水作业的停滞，需要人工解锁然后才能继续。生产部分以排产产量为中心，影响产量很难完成任务。而质量部门以质量为中心，希望影响质量的产品流入下一道工序。这样就会造成矛盾的出现，在调试程序过程中受到两个部门不同角度的影响，一度出现有麻烦的出现，此类问题需要快速保障的体系，与人工操作相配合才能实现。

系统下一阶段围绕以上问题进一步改进人机效能，在企业还无法大面积采用工业机器人焊接的情况下，找出更优的程序方案实现最大效能的汽车焊接件防漏焊监控系统。

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【基金项目】广西教育厅高校中青年教师基础能力提升项目（一般资助项目）“汽车焊接件防漏焊一体化监控系统研制”（2017KY1051）

【作者简介】李 杨（1984— ），女，广西柳州人，硕士，柳州职业技术学院机电工程学院讲师，研究方向：工业电气自动化、机电一体化技术。

（责编 卢 雯）