雙焊槍自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉江濤，弋景剛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，保定 071001）

0 引言

T型管散熱器是一種節(jié)能、高效和成本低的新型散熱器，其有橫、豎管件相貫焊接而成，立管間距小，又帶有鋁翼障礙，焊接空間很小，不允許焊渣飛濺，焊接難度大。目前，國內(nèi)散熱器T型多立管相貫線壁障連續(xù)焊接多采用人工焊接，存在不易保證焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。對(duì)于T型管相貫線的焊接，國內(nèi)曾有單位研制了基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的自動(dòng)焊接機(jī)，該焊接機(jī)自動(dòng)化程度較低，焊接質(zhì)量低，不能實(shí)現(xiàn)T型多立管相貫線壁障連續(xù)焊接[1]。從國外引進(jìn)的弧焊機(jī)器人多采用示教編程模式，需要控制焊槍在離線狀態(tài)下沿預(yù)定的焊縫曲線軌跡走一遍，把焊接軌跡和相關(guān)參數(shù)記錄到控制器中；當(dāng)被焊件尺寸發(fā)生改變時(shí)需要另外示教；機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，需要國外生產(chǎn)廠家指導(dǎo)，維修不方便?；诖?，設(shè)計(jì)了雙焊槍自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

散熱器T型管相貫線的模型如圖1所示，它是散熱器橫管和立管兩圓柱面正交所形成的相貫性，是一條三維空間曲線，又被稱為馬鞍曲線[2]。

在實(shí)際散熱器T型管相貫線的焊接中，加工對(duì)象往往不是一條相貫線或一個(gè)管子，而是一排管子的連續(xù)焊接，而且在立管上還有用來加大散熱面積的漲鋁，大大限制了焊槍移動(dòng)范圍，加大了T型管相貫線自動(dòng)化焊接難度。

圖1 散熱器T型管相貫線模型

圖2 雙焊槍自動(dòng)焊接機(jī)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)

針對(duì)這種特殊的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的雙焊槍自動(dòng)焊接機(jī)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)。該焊接機(jī)采用雙焊槍同時(shí)焊接的方式對(duì)散熱器T型管相貫線進(jìn)行連續(xù)焊接。機(jī)械本體由五個(gè)軸組成，分別是控制工件輸送臺(tái)移動(dòng)的X軸，控制焊槍進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的Y軸，控制焊槍垂直移動(dòng)的Z軸，以及分別控制雙焊槍擺動(dòng)的R1軸和R2軸。其中R1軸和R2軸電機(jī)由6K4運(yùn)動(dòng)控制器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)口發(fā)出的同一組脈沖驅(qū)動(dòng)，保證了雙槍擺動(dòng)的同步性，提高了焊接精度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件

硬件系統(tǒng)主要由IPC，6K4多軸運(yùn)動(dòng)控制器、交流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、MIG數(shù)字焊機(jī)，MCS-51單片機(jī)及、限位開關(guān)、位置傳感器等組成，如圖3所示。工控機(jī)、MCS-51單片機(jī)和6K4多軸運(yùn)動(dòng)控制器共同構(gòu)成了一主二從式的多處理器結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用工業(yè)控制機(jī)（IPC），下位機(jī)采用6K4多軸運(yùn)動(dòng)控制器和MCS-51單片機(jī)并行控制模式。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

以IPC為控制中心，通過RS485接口與MCS-51單片機(jī)通訊，對(duì)控制面板上的各種按鈕，指示燈進(jìn)行控制，完成對(duì)各軸伺服系統(tǒng)上電、狀態(tài)顯示、伺服系統(tǒng)報(bào)警等功能；通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與6K4運(yùn)動(dòng)控制器通訊，完成對(duì)各軸伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、伺服狀態(tài)實(shí)時(shí)讀取等功能。

用戶通過上位機(jī)IPC進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，如橫管直徑、立管直徑、插補(bǔ)速度、插補(bǔ)周期、相對(duì)原點(diǎn)、焊接電壓、焊接電流等，還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、任務(wù)指定等工作；同時(shí)通過RS485接口和MCS-51單片機(jī)通訊，讀取控制面板上開關(guān)控制信號(hào)，生成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制方案。此外，根據(jù)用戶通過人機(jī)界面輸入的控制參數(shù)，用6000運(yùn)動(dòng)語言生成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制程序，利用工業(yè)以太網(wǎng)接口將該程序下載到6K4運(yùn)動(dòng)控制器程序存儲(chǔ)器中，供控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)用。6K4運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)上位機(jī)的命令發(fā)送指令給各軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)各軸電機(jī)按一定規(guī)律動(dòng)作，完成T型管相貫線自動(dòng)焊接。

控制系統(tǒng)X軸，Y軸和Z軸采用交流伺服系統(tǒng)，R1軸和R2軸采用混合式步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器組成開環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件由上位機(jī)IPC管理模塊、通訊模塊、下位機(jī)控制模塊組成。上位機(jī)IPC是整個(gè)控制系統(tǒng)的后臺(tái)管理模塊，完成一些實(shí)時(shí)性不強(qiáng)和多任務(wù)協(xié)調(diào)等方面的工作。利用基于可視化的VB語言編程設(shè)計(jì)上位機(jī)應(yīng)用程序，開發(fā)了雙焊槍自動(dòng)焊接機(jī)人機(jī)控制界面，上位機(jī)應(yīng)用程序主界面如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)工作時(shí)，用戶只需在人機(jī)控制界面輸入相應(yīng)參數(shù)就能自動(dòng)完成焊接任務(wù)。在系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生異常時(shí)，操作人員可以通過人機(jī)界面上或控制面板上的按鈕，使系統(tǒng)各軸伺服系統(tǒng)忽略當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制指令而緊急制動(dòng)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)程序也暫停運(yùn)行，人為解除緊急制動(dòng)命令后，運(yùn)動(dòng)程序從緊急制動(dòng)時(shí)刻開始繼續(xù)執(zhí)行，自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)由后臺(tái)PLC程序、6K4運(yùn)動(dòng)控制器I/O口轉(zhuǎn)接板、電機(jī)編碼器等組成。能夠?qū)﹄p焊槍自動(dòng)焊接機(jī)各軸伺服系統(tǒng)運(yùn)行位置、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控。用戶還可以通過6K4運(yùn)動(dòng)控制器的后臺(tái)PLC程序和控制面板上的波段開關(guān)設(shè)置各軸運(yùn)動(dòng)速度。為完成T型管相貫線焊接，在機(jī)械本體上安裝了測(cè)量工件運(yùn)動(dòng)位置的光纖傳感器。

3 實(shí)際焊接效果分析

圖 4 上位機(jī)應(yīng)用程序主界面

圖5 自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

本控制系統(tǒng)采用雙焊槍實(shí)現(xiàn)T型管散熱器自動(dòng)焊接，焊接強(qiáng)度高，承壓能力強(qiáng)，焊接過程平滑。雙焊槍自動(dòng)焊接的起始點(diǎn)和終點(diǎn)易漏氣，水中2MPa壓力下測(cè)試沒有發(fā)現(xiàn)氣泡，不漏氣，滿足T型管散熱器要求。T型管散熱器實(shí)際焊接效果如

圖6所示。

圖6 實(shí)際焊接效果圖

4 結(jié)論

基于工控機(jī)（IPC）和多軸運(yùn)動(dòng)控制器（6K4）設(shè)計(jì)了雙焊槍自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)，利用VB編制了操作簡單、交互性較好的人機(jī)界面。實(shí)際焊接和測(cè)壓試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)焊接過程平滑，焊接精度高、不漏氣，能滿足T型管散熱器焊接要求。

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