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汽车焊装生产线上激光打标技术的应用

2021-05-17 99 上传者：管理员

摘要：为实现汽车白车身焊接产品在焊接生产过程中的可追溯性，利用西门子1517F系列安全型CPU核心进行控制，构建PROFINET网络进行信息通讯，采用专业的激光打标机作为产品信息标靶的打标设备。应用结果表明，利用PLC自动控制的激光打标工艺可以满足汽车焊装生产的高速性和稳定性，能够实现车身焊装产品在生产过程中的可追溯性。

关键词：
PLC
汽车工业
汽车焊装生产线
激光打标技术
自动控制
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1、前言

伴随着我国汽车工业的高速发展，白车身焊接生产逐渐向全自动、柔性化、多车型、可追溯性等多方向发展。激光打标技术是近年来在白车身焊装行业新兴起来的，为适应生产线高柔性和可追溯性的要求而诞生的技术。PLC是1种功能丰富、高度智能化的装置，集成了自动化控制技术，计算机技术和通讯技术等，现已被广泛应用于工业系统的控制中。本项目将PLC控制技术与激光打标技术相结合，实现了汽车焊装生产线激光自动打标要求，生产线依据所刻二维码，对相应焊装设备状态进行识别，从而保证生产线高效运行的前提下实现白车身产品的可追溯性。

2、项目概况

一汽集团HE项目为面向工业4.0的智能化、数字化要求，新建红旗工厂所使用的轿车生产工艺和选用的设备都是国际上非常先进的。为适应高节拍、智能化、柔性化、可追溯的生产要求，选用Automator公司的FYBRAII型激光打标机作为实现生产可追溯性的打码设备。

3、硬件设备简介

3.1 FYBRA激光打标机的基本性能及介绍

选用的FYBRA激光打标机使用100/240V,50/60Hz电源，整机功率300W，支持USB、以太网、I/O、RS232等多种通讯方式，打标头外壳的防护等级为IP60。FYBRA激光打标设备如图1所示。

在确定使用该款打标设备前，我们曾使用该打标机进行了打样实验，打标时间从8s到25s，并尝试对打样的二维码进行读取，读取率100%。据此，从打标效果和打标时间进行考量，这2项数据都完全满足生产实际的要求。其打标效果如图2所示。

3.2 激光打标机的电气原理

该激光打标机的供电电源为220V/50Hz电源，该电源由控制电源柜提供。其供电图如图3所示。

激光打标机的通讯协议为PROFINET网络，通过西门子SCALANCE292-2PIRT交换机连入网络。其网络连接如图4所示。

3.3 激光打标机的硬件组态

激光打标机通过PROFINET协议连入网络，并分别组31个WORD的输出字和31个WORD的输入字，作为与现场激光打标机的信息交互用。其组态如图5所示。

4、激光打标机的软件设计

4.1 激光打标机的配置方法

该激光打标机的配置过程如下：首先准备好软件Eugenius，并设置PC端与设备的调试端口，调试端口默认IP为192.168.0.15；其次打开软件，连接控制器并将控制器的工作方式改为basic；然后在FieldsManager中建立Field并设置好相关参数，在设置完毕后，将文件另存为ide格式，再次打开并另存为ids格式，再将格式为ids的job文件传输到控制器中；最后将控制器模式改成是StandardAlone即可。其界面如图6所示。

4.2 激光打标机的控制过程

该激光打标机的工作过程如图7所示。

依据图7所示，该打标机上电后首先进行区域模式的激活，看设备是否在线，如果未在线，则继续进行区域模式的激活；然后接受外部的自动打刻命令，并判断设备是否准备就绪，再判断工作是否正确，如果设备未准备就绪或者工作不正确，则进行装载工作过程，装载工作完毕后重新判断工作是否正确，直到工作正确再进行装载缓存的环节。在这一环节先装载缓存1，装载完毕后判断缓存1是否正确，若不正确，则重新装载，若正确则继续装载缓存2，装载完毕后判断缓存2是否正确。当判断缓存2装载正确后，设备就会发送打刻命令，此时信号Onlinemarking信号为1，打标头进行打刻。当Mark信号消失后，打刻完成，设备进入等待新的打刻命令阶段，准备新的打刻工作。

4.3 激光打标设备的控制功能块逻辑

控制该激光打标机的功能块逻辑如图8所示。

如图8所示，该功能块的控制逻辑可以分成8部分程序：基本操作、故障复位、基本状态读取、故障处理、计算数量生成分段、自动部分、手动部分和完成置复位。

基本操作是给打标机的控制字，包括设置主机控制模式、离线、设置本地控制模式、运行和故障清除等控制功能。

故障复位主要是复位因故障的报警。

基本状态读取是读取打标机现场状态数据，包括主机控制模式、在线、准备好、读错误、写错误、打标状态等。

故障处理是显示报警信息。

计算数量生成分段是将打标的信息存入PLC内存，当信息位数大于40位，将该信息分成2个数据存入PLC内存中。

自动部分是程序按照激光打标机的工作原理以正常顺序自动方式进行工作，包括装载工作、检测工作装载故障、装载缓存1、装载缓存2、检测装载缓存超时故障，然后启动打标操作并等待打标完成信号。

手动部分是程序按照激光打标机的工作原理以正常顺序手动方式进行工作，包括装载工作、装载缓存1、装载缓存2，然后启动打标操作并强制完成，最后初始化参数。

完成置复位是在人机界面显示工作完成状态。

4.4 激光打标机功能块的引脚说明

图9为程序在功能中调用该激光打标机专用的控制功能块的程序示例。

如图9所示，该控制功能块的引脚共有10个。图中，CE＿IN为激光打标机的状态字输入数据，OP＿MODE为设备区域模式输入数据，autoBegin为请求打标输入信号，autoEnd为机器人打标seg完成输入信号，conctrl＿buffer＿count为控制器中定义的buffer数量输入信号，CE＿out为激光打标机控制字输出信号，marking为打标机打标中，finish为打标完成输出信号，ALARM为打标机报警输出信号，BUFFER＿STR为打标内容输入输出信号。

4.5 激光打标机与生产线中其他设备的交互

激光打标完成信号用于启动机器人相应程序的信号，如图10所示。

激光打标完成信号也用于在人机交互界面显示，如图11所示。

另外，激光打标机的打标故障信号用于打标设备故障报警中，如图12所示。

4.6激光打标机的画面

图13为激光打标机的人机交互界面，其中包括打标机的故障状态显示，操作按钮和所需打标信息的内容显示和报警信息等。

5、激光打标机的现场应用

5.1 激光打标机的打标内容

由激光打标机所打刻二维码的内容，依据各整车厂标准要求的不同而不同，但一般包括以下信息。生产车身厂家的信息包括城市代码、工厂代码；车身信息，包括流水号、VIN码；生产信息包括计划类型标识、生产日期、班次、半破坏、位置；车型信息包括车型代码、天窗类型、方向盘类型、总成类型等。在这些信息中，生产厂家的信息是为了适应多分厂协同生产而设置的，车身信息是为了在生产过程中和使用过程中实现可追溯性设置的，生产信息是为了控制和追溯每辆车的生产工艺和实现工艺功能，而车型信息是为了确认每辆车的基本概况。本项目的车型代码如表1所示。

5.2 激光打标机的打码位置

为实现数字化对生产过程的实时和有效的监控，在设计之初就在每条生产线都设置了激光打码设备，并针对每条生产线的特点，又设置了不同的二维码形式。具体说来，每条生产线和车身的每个主要部件都设置了相应的二维码，其内容如表2所示。

5.3 激光打标机的使用和维护情况

在生产设备全部调试完成后，相应线体自动控制PLC接到MES生产管理系统下发的生产信息，并将该信息进行处理，将需要刻码的信息进行打包，并将打包好的信息传输至激光打标机的控制器，通过打标机的激光头进行打标。在线体需要读取信息的地方设置相应设备，对二维码包含的信息进行读取，以实现线体运行的数字化监控。

激光打标机的日常维护内容也并不复杂。包括对聚焦镜头进行周期性清理，在栅格和风扇肮脏时需要对风扇和栅格进行清理。此外还需要对激光打标机系统进行非日常维护，必须由经过相应培训并已经取得相应资质的工程师进行。

5.4 激光打标机与针式打标机的性能对比

总体说来，激光打标机的性能要强于针式打标机，首先从稳定性来说，激光打标机打标采用的是激光熔蚀的方法，在打标过程中不会产生车身工件的震动，而针式打标不但会产生震动，当震动强烈时还可能损坏打标的针头。其次从成本上考虑，激光打标设备主要包括打标控制器，激光头和相应辅件等，针式打标设备同样也包括打标控制器，针式打标头和相应辅件等。

而控制器和辅件的价格相仿，价格差别主要集中在打标头上，作为更先进的打标方式，激光打标头的价格要贵于针式打标头，但在使用过程中针式打标头的针属于损耗件，针式的打标头成本要高于激光打标头。最后从效率角度看，激光打标机的效率要明显高于针式打标机。据生产现场反馈，激光刻码的时间在10s左右，其打刻容量在48字节，针式刻码时间同样是10s左右，但其打刻容量在17字节。综上所述，激光打码机的性能要明显强于针式打码机。

6、结束语

通过对自动激光打标技术在汽车焊装生产线上应用的研究，实现了1种使汽车白车身产品在焊接生产过程中具有低成本、可追溯的生产方案，它不仅满足了白车身焊接生产过程的高稳定、高可靠性和高节拍的生产要求，同时也满足了生产线的高柔性化、高智能化的要求。

文章出处：沈明,曲云龙,齐石,刘飞飞.激光打标技术在汽车焊装生产线上的应用[J].汽车工艺与材料,2021(05):29-34.