基于S7-300的自動焊接系統(tǒng)研究

高 強

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學院，天津 300402）

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接自動化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛地應(yīng)用。相關(guān)資料表明：目前，全世界正在從事各種行業(yè)工作的100多萬臺機器人中，焊接機器人的比例已經(jīng)達到45%以上[1]。焊接機器人不但充分發(fā)揮了自動化生產(chǎn)高度穩(wěn)定的工作特性，保證批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，而且把操作工人從惡劣的勞動環(huán)境解放出來，降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，國際上已有許多國家逐漸重視機器人在焊接過程中的作用。早在20世紀70年代，日本就已經(jīng)將點焊機器人引進工業(yè)生產(chǎn)線。隨后，弧焊機器人的使用開始有了明顯的增加[2]。20世紀80年代，機器人技術(shù)的研制得到了我國有關(guān)部門的高度重視，國家投入了大量資金對工業(yè)機器人主構(gòu)架、驅(qū)動、測量、傳感等成套技術(shù)進行了技術(shù)攻關(guān)。1985年哈爾濱工業(yè)大學成功研制我國第一臺HY-l型焊接機器人，2000年國家863計劃“機器人應(yīng)用工程及其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”項目在長春通過了驗收。從此標志我國在工業(yè)機器人研發(fā)技術(shù)和生產(chǎn)應(yīng)用上完全具備了獨立的研發(fā)、生產(chǎn)能力，充分說明我國工業(yè)機器人自主設(shè)計、制造技術(shù)和實際應(yīng)用的整體水平已經(jīng)躋身國際先進行列[3]。

作為焊接技術(shù)的控制系統(tǒng)，目前多采用PC機、DSP、及 PLC作為控制的核心，而SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，能適用于自動化工程中的各種應(yīng)用場合，尤其在生產(chǎn)制造工程中的應(yīng)用。模塊化、無風扇結(jié)構(gòu)、易于分布式的配置以及易于掌握等特點，使得S7-300在焊接自動化領(lǐng)域中實現(xiàn)各種控制任務(wù)時，成為一種既經(jīng)濟又切合實際的解決方案[4]。

1 基于S7-300的自動焊接系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由S7-300PLC、焊槍、焊接平臺、激光傳感器、觸摸屏等組成，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分布式的，采用模塊化控制。工作時，激光傳感器采集焊槍的位置信息,通過PLC的輸入模塊傳遞給CPU，通過系統(tǒng)設(shè)定的控制系統(tǒng)，分配系統(tǒng)指令，協(xié)調(diào)焊槍的工作。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 焊接系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

PLC的CPU是焊接機器人的核心部分，它的主要作用是根據(jù)現(xiàn)場焊接環(huán)境和激光傳感器檢測的信息，產(chǎn)生焊接參數(shù)，確定焊接機器人的各項控制參數(shù)，并把這些控制參數(shù)傳遞給系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，通過觸摸屏或相應(yīng)的按鈕控制焊接機器人的各項動作，并通過分析各種反饋信息對各個子系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和故障診斷。激光傳感器將檢測的焊槍對焊縫偏差，通過PLC的輸入模塊傳遞給CPU,CPU采用模糊PID分段產(chǎn)生糾正偏差控制信號?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)信號發(fā)出指令,控制焊槍步進電機動作,進行焊縫的糾偏,從而達到對運動平臺和焊槍實時控制。

2 自動焊接系統(tǒng)的硬件組成

焊接機器人在工作過程中, PLC組成的系統(tǒng)通過對激光傳感器檢測信息，分析反饋，產(chǎn)生指令，有效控制焊接平臺和焊槍的精確運動；從而實現(xiàn)對空間焊縫的自動實時跟蹤,并實現(xiàn)焊接參數(shù)的在線調(diào)整、焊縫質(zhì)量的實時控制。因此，系統(tǒng)要求處理器具有較強的運算能力、較短的運行周期及高度可靠的性能[3]。西門子公司的SIMATIC S7系列的CPU315-2DP能夠?qū)崿F(xiàn)高速計算能力,并且系統(tǒng)集成有專門控制步進電機的程序，不但能完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理論的一些復雜算法,而且簡化了硬件結(jié)構(gòu)和體積,提高了系統(tǒng)可靠性。本文以CPU315-2DP為核心控制器,負責整個控制過程中信息的運算和處理,其整個控制過程的硬件組成部分如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件組成

觸摸屏采用西門子TP 177B型，TP 177B支持位圖，圖標、背景圖畫和矢量圖形對象?？墒褂冒魣D和趨勢圖，具有斷電保護功能，可很好的滿足系統(tǒng)的需要。

激光傳感器采用美國MTI MicrotrakII “高速”激光位移量測系統(tǒng)，分辨率：0.1μm 高速取樣頻率：40KHZ，MicrotrakII是采用三角量測技術(shù)來進行位移、距離、振動及厚度檢測的精密量測系統(tǒng)。它不受表面物體材質(zhì)、 顏色及發(fā)射光源的影響，應(yīng)用范圍極廣，可以很好的滿足了本系統(tǒng)的需要。

3 系統(tǒng)的軟件組成

基于S7-300的自動化焊接系統(tǒng)的軟件設(shè)計以STEP-7和WinCC flexible為主，通過PC機編寫完程序后，通過RS232串口或者USB接口把程序下載到觸摸屏及PLC中，通過控制面板上的按鍵可以對焊槍進行自如的控制，而觸摸屏實時的數(shù)據(jù)和圖像及報警系統(tǒng)使得操作者更加清楚工作臺及焊槍的位置，使得控制更加的直觀和方便。研究開發(fā)的DQGC-I型自動焊接機如圖3所示。

圖3 DQGC-I型自動焊接機

4 結(jié)論

本文提出了基于S7-300的自動焊接系統(tǒng)，并據(jù)此研究開發(fā)了DQGC（電氣工程）-I型自動焊接機，該機采用激光器、激光電源、內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、工作臺一體化設(shè)計,具有性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀、操作方便、占地面積小等特點。通過觸摸式操作面板選擇激光輸出的功率、頻率和脈寬等參數(shù)。具有誤操作和超溫自動保護功能。能夠較好的完成 各種焊接工作 ，可焊接圖形包括:點、直線、圓、圓弧、方形及不規(guī)則圖形等。具有反應(yīng)速度快，誤差較小等特點，較好的完成了實際工作的需要。

[1] 陳家本.日本發(fā)展造船焊接機器人的歷程和主要種類[J].焊接研究與發(fā)展,1997,6(1):22-23.

[2] 林尚揚.我國焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與焊接技術(shù)的發(fā)展[J].船舶工程,2005,27(z):15-24.

[3] 曹建樹,薛龍,李衛(wèi)清.基于DSP的焊縫自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國機械工程,2005,16(9): 767-768.

[4] 廖長初.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].重慶:重慶大學出版社,1999:35.