基于倍福軟PLC的多工位自動氬弧焊機

李銀華，張萬偉

（鄭州輕工業(yè)學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002）

0 前言

隨著我國焊接機械化、自動化水平提高的同時，對現(xiàn)代焊接技術(shù)也提出了更高的要求。焊接自動化就是要大量采用新技術(shù)以減少人為因素對焊接過程帶來的負面影響，取代以往由有經(jīng)驗的焊工根據(jù)焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形來評判焊接質(zhì)量的方法，使整個焊接制造過程更趨于集成化、柔性化、智能化。鄭州瑞森散熱器有限公司根據(jù)生產(chǎn)需要，要對多臺手工氬弧焊機進行自動化改裝。前期采用了運動控制卡+步進電機的設(shè)計方案，但由于氬弧焊機的強電磁干擾和惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，控制精度達不到設(shè)計要求。

本研究基于組件技術(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的原理，設(shè)計了一種純PC控制的伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]，該系統(tǒng)以倍福TwinCAT為軟PLC，提出位置控制和速度控制相結(jié)合的控制理念，同時利用智能數(shù)字焊機對電弧電流，焊接電流等與軟PLC的結(jié)合控制，保證高質(zhì)量的焊接工藝。該方案在工程實踐中被證明是切實可行的,達到了較好的生產(chǎn)效果。

1 自動氬弧焊機的設(shè)計方案

TwinCAT是倍福公司推出的多任務(wù)實時控制軟 PLC 軟件[4]，可對 PLC、PID、I/O、CNC 軸位控制及用戶需要完成的特殊任務(wù)進行多任務(wù)的時間安排，并且在一臺PC機上可同時運行四個軟PLC，每個都可獨立運行，互不干擾?；诖塑浖绱藦姶蟮墓δ?，該系統(tǒng)以裝有TwinCAT的工控機為系統(tǒng)控制核心，通過對智能數(shù)控焊機、焊機運動控制機構(gòu)和焊機輔助系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)多工位全自動氬弧焊機系統(tǒng)的工作。

1.1 智能數(shù)控焊機的選擇

根據(jù)焊接工藝的要求，并考察了市場上現(xiàn)有焊接電源的性能、成本后，最終選擇了山東山大奧太公司MIG/MAG-350逆變脈沖氣體保護焊接電源。該逆變數(shù)字焊接電源有如下特點：（1）MCU+DSP數(shù)字化控制，控制波形精細；（2）焊接飛濺極小，金屬熔敷率高，焊縫成形好，焊接變形??；（3）采用精細控制方式引弧，引弧成功率高；（4）全數(shù)字化控制面板，一元化調(diào)節(jié)方式，操作方便；（5）系統(tǒng)內(nèi)置焊接專家數(shù)據(jù)庫，自動智能化參數(shù)組合；（6）收弧時具有消球功能；（7）可預(yù)置焊接電流；（8）可存儲 4套用戶自定義的規(guī)范參數(shù)；（9）數(shù)字化送絲系統(tǒng)，送絲平穩(wěn)，速度準確；（10）節(jié)能省電，使用費用低，對電網(wǎng)容量要求低；（11）提供了 RS485通訊接口，能夠方便地實現(xiàn)焊接過程的自動化。

1.2 焊機機械臺架機構(gòu)設(shè)計方案

自動氬弧焊機的工作臺面如圖1所示。工作臺實際要求尺寸為臺面上1500 mm(X)×1000 mm(Y)；最大工作速度6 m/min；圖形精度0.01 mm。焊槍安裝在Z軸上。通過X軸、Y軸、Z軸電機的聯(lián)動實現(xiàn)焊槍的運動控制，采用氣動機械裝置實現(xiàn)焊接工件的初始定位。自動氬弧焊機傳動方式為伺服電機驅(qū)動絲杠傳動，并且在絲杠的非電機驅(qū)動端采用雙滑塊支撐的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以增強傳動桿的剛性，減少傳動振動帶來的影響，使工作狀況趨于穩(wěn)定，避免出現(xiàn)焊槍抖動的現(xiàn)象[3]。機械臺架上安裝有伺服運動控制系統(tǒng)來完成焊槍的自動精確定位。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

詳細的工作原理如下：

圖1 全自動氬弧焊機系統(tǒng)整體構(gòu)架

（1）工控機結(jié)合TwinCAT軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的軟PLC控制，作為整個系統(tǒng)的控制核心。負責接收各個軸的狀態(tài)信號，進行綜合處理；同事發(fā)送軸控制信號，和指示燈控制信號；以及運動控制的過程中提供人機交互的必要信息。

（2）EtherCAT模塊是整個系統(tǒng)的橋梁，負責各種控制信號和反饋信號的傳送。EtherCAT是與PC控制技術(shù)相匹配的通訊系統(tǒng)，以Beckhoff開發(fā)的實時工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，其特點是性能優(yōu)越、操作簡便。

（3）伺服驅(qū)動器加電機通過聯(lián)軸節(jié)帶動絲杠（機械傳動機構(gòu)）實現(xiàn)焊槍的運動控制。其中，X軸和Y軸在軟件的控制下實現(xiàn)電機聯(lián)動，使焊槍按照設(shè)計圖形軌跡進行焊接，Z軸控制焊槍的升降運動，滿足不同焊件要求。

圖2 伺服運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各模塊的具體型號為：（1）工控機：研華IPC-610-H；（2）EtherCAT 模塊：倍福 EK1110；（3）驅(qū)動器：施耐德 LXM32MD12N4；（4）伺服電機：施耐德BMH1001P11A2A；IO 模塊。倍福 EL2008、EL1008；另外還有驅(qū)動器連接電纜，雙層屏蔽動力連接電纜和反饋電纜等。

1.3 焊機輔助系統(tǒng)的設(shè)計

焊機輔助系統(tǒng)主要包括自動送絲系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和保護氣控制系統(tǒng)等。普通驅(qū)動器和步進電機的自動送絲設(shè)計方案提高了系統(tǒng)的自動化程度，同時降低了設(shè)備成本。水冷系統(tǒng)和保護氣系統(tǒng)通過軟PLC的控制與焊機協(xié)調(diào)工作，保證氬弧焊機的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

程序設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)焊接工件的焊接圖形和工藝要求，確定系統(tǒng)的控制方式和控制參數(shù)。

設(shè)計中遵循模塊化設(shè)計思想，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方案，具有良好的模塊性、可修改性及可移植性。軟件程序按照功能可以劃分為主控模塊、用戶界面模塊，伺服系統(tǒng)控制模塊。軟件設(shè)計組成見圖3。

圖3 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

主控模塊為普通的Windows進程，負責控制系統(tǒng)的運行模式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始化、任務(wù)啟動初始化、運動控制初始化等。

2.2 伺服系統(tǒng)程序設(shè)計

采用TwinCAT軟件完成對施耐德驅(qū)動器的配置與程序設(shè)計。TWinCAT系統(tǒng)的分辯率為100微秒。由實時服務(wù)器(Realtime Server)，系統(tǒng)控制器(System Control)系統(tǒng)OCX接口，系統(tǒng)工具箱(System Toolbox)，PLC系統(tǒng)，CNC系統(tǒng)，輸入輸出系統(tǒng)(I/O System)，用戶應(yīng)用軟件開發(fā)系統(tǒng)(User Appl.)，自動化設(shè)備規(guī)范接口(ADS-Interface)及自動化信息路由器(AMS Router)等組成。其中在NC控制系統(tǒng)中有Cam Table(凸輪表)模塊，因為實際焊接工件為類橢圓形焊縫，所以選擇采用調(diào)用凸輪表的控制方式Cam Table具有強大的功能，它可以描繪任何不規(guī)則曲線，將電機的位置點描繪出來，同時，位置之間可以添加多種插補算法[5]。凸輪表代表了不同軸的位置的相互關(guān)系，獨立軸被稱為主動軸，而非獨立軸被稱為從動軸，從動軸的位置僅取決于主動軸的位置而起作用。凸輪表由不同的運動定律區(qū)段組成，如經(jīng)修正的正弦波、諧波、各種多項式函數(shù)。也就是自動實現(xiàn)直線圓弧等插補算法。施耐德驅(qū)動器本身不具有凸輪控制功能，但選用和TwinCAT配合使用可能實現(xiàn)。大大減輕了程序編寫難度。焊接模塊的工作流程如圖4所示。

2.3 人機界面設(shè)計

圖4 控制程序流程

用戶界面模塊完成系統(tǒng)的運行狀態(tài)顯示：如工作方式、坐標值、程序跟蹤、軌跡跟蹤等，另外還完成菜單管理、焊接編輯、文件管理等。VC++是一種面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ撸哂泻芎玫娜藱C界面的編程實現(xiàn)，是一種被人們普遍使用的計算機語言，它可以簡單快捷地實現(xiàn)人機交互界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對計算機端口的操作和實時控制功能。所以這里采用VC++6.0來編制控制程序與實時監(jiān)控畫面，可以更好地利用各種軟件的優(yōu)勢，縮短軟件開發(fā)周期[6]。VC++與TwinCAT軟件連接需要用到TwinCAT提供給 VC++的接口文件，它們分別是：TcAdsDll.dll、TcAdsApi.h、TcAdsDll.lib、TcAdsDef.h。VC++設(shè)計程序包含以下頭文件：

然后將TcAdsDll.lib庫添加到VC++項目中去，另外將ST語言設(shè)計的輸人輸出變量名與定義的輸入輸出變量名相一致，用AdsSyncReadWriteReq函數(shù)來取得對應(yīng)PLC變量的句柄，AdsSyncReadReq函數(shù)來根據(jù)句柄讀取變量的值，用AdsSyncWriteReq函數(shù)來根據(jù)句柄設(shè)定變量的值。具體實現(xiàn)程序在此不做詳細介紹。

3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

（1）增加隔離變壓器來解決干擾。這種方法主要是針對來自電源的傳導(dǎo)干擾，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。使用隔離變壓器來防護串行接口免受高頻瞬態(tài)干擾，這種技術(shù)正在被廣泛地應(yīng)用在相應(yīng)的領(lǐng)域中，起到對接口電路及后級電路的安全隔離、保護的作用。

（2）將目前系統(tǒng)中所有的信號線和動力電纜，全部改成質(zhì)量有保證的雙層屏蔽線。

（3）保證工件、機器、隔離變壓器、電機驅(qū)動器等的可靠性接地。

4 實驗結(jié)果

通過現(xiàn)場的初步調(diào)試，可以完成了平面內(nèi)類橢圓工件的焊接，通過TwinCAT ScopeView可以查看各個伺服電機的位置，速度，加速度等參數(shù)。實現(xiàn)伺服運動系統(tǒng)狀態(tài)的試試監(jiān)控。試驗結(jié)果見圖5，試驗結(jié)果表明，三軸電機聯(lián)動可以完美實現(xiàn)不規(guī)則圖形設(shè)計焊件的焊接，并且速度控制效果良好。達到了公司的焊接設(shè)計要求，同時系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，抗干擾強度高。

圖5 調(diào)試結(jié)果截圖

5 結(jié)論

利用基于倍福端子的開放式數(shù)控系統(tǒng)控制原理，采用工控機構(gòu)建了一套簡易的氬弧焊機自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，工作效率較手工焊接提高約4倍，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫美觀，大大提高企業(yè)的焊接效率，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟效益。

[1]王 飛.開放式數(shù)控系統(tǒng)中軟PLC系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[D].華南理工大學自動化科學與工程學院控制理論與控制工程，2011.

[2]于秀娟.數(shù)控成組自動氬弧焊接設(shè)備控制系統(tǒng)開發(fā)[D].新疆大學機械系，2005.

[3]吳榮兵，杜潤生，熊 烽.自動涂膠機伺服控制系統(tǒng)的研制[J].機床與液壓，2004（7）：50-51.

[4]德國倍福電氣有限公司.TwinCAT PLC編程手冊[M].北京：德國倍福電氣有限公司北京代表處，2005.

[5]德國倍福電氣有限公司.TwinCAT NC PTP編程手冊[M].北京：德國倍福電氣有限公司北京代表處，2005.

[6]鄭士富，彭 銘.VC++與TwinCAT的混合編程研究[J].儀器儀表用戶，2008，15（3）：109-110.