激光焊機(jī)高精度帶鋼對(duì)中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫鶴旭，馬子涵，陳海永，董 硯

(河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

0 前言

在冷軋、鍍鋅等鋼鐵生產(chǎn)線上，激光焊機(jī)負(fù)責(zé)焊接前后帶鋼的端部，從而實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。然而鋼帶在運(yùn)行過(guò)程中存在著跑偏、前后鋼帶寬度不一致等情況，極易影響焊縫質(zhì)量甚至導(dǎo)致生產(chǎn)線停產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為此必須設(shè)計(jì)帶鋼對(duì)中控制系統(tǒng)，完成鋼帶自動(dòng)對(duì)中，以提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，保證生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)。所謂對(duì)中，就是要實(shí)現(xiàn)前帶鋼、尾帶鋼、寬度方向的中心重合，如果前帶鋼和尾帶鋼寬度不一樣，那么寬帶鋼兩邊的多出部分要相等。

目前，鋼帶對(duì)中可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，王忠等人[1]介紹了一種對(duì)中控制系統(tǒng)，采用H6600系列電子控制器作為核心控制器件。對(duì)中系統(tǒng)是由高頻光源、數(shù)字控制器、轉(zhuǎn)矩馬達(dá)、檢測(cè)器、補(bǔ)償控制器、電液伺服閥，形成的一個(gè)閉環(huán)液壓伺服控制系統(tǒng)。但是此系統(tǒng)采用的電控器件達(dá)不到焊機(jī)生產(chǎn)線的穩(wěn)定性的要求。張劍峰等人[2]介紹了用單片機(jī)控制的雙光頭帶材對(duì)中系統(tǒng)，利用光信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信息反饋并利用單片機(jī)處理信號(hào)進(jìn)行對(duì)中，機(jī)座可根據(jù)左右光頭光通量大小一樣原則，通過(guò)檢測(cè)左右兩光頭通量差值，根據(jù)差值大小，輸出不同強(qiáng)弱信號(hào)，控制機(jī)座左右移動(dòng)，糾正帶材偏差。然而，由于單片機(jī)的抗干擾性不強(qiáng)，不適合復(fù)雜的中、大型控制系統(tǒng)。此外，鞍鋼冷軋廠連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線引進(jìn)的德國(guó)米巴赫（Miebach）公司的窄搭接電焊機(jī)[3]，有兩個(gè)精對(duì)中裝置(SCD)，其檢測(cè)裝置采取比例閥控制，并由液壓馬達(dá)傳動(dòng)，檢測(cè)元件分上部安裝的發(fā)射元件和下部安裝的接受元件。檢測(cè)元件的精度直接影響焊機(jī)的精度。另外一種型號(hào)為HSL21的米巴赫焊機(jī)直接采用機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)中。在出入口部分分別有兩個(gè)對(duì)中滑板，配置有對(duì)中夾鉗。兩個(gè)對(duì)中夾鉗同步運(yùn)動(dòng)直到接觸到鋼帶邊部，一經(jīng)檢測(cè)到壓力，對(duì)中動(dòng)作將停止，鋼帶將被對(duì)中到設(shè)備的中心[4]。其僅是機(jī)械結(jié)構(gòu)的對(duì)中精度也滿足不了要求。

這些對(duì)中系統(tǒng)和對(duì)中方式達(dá)不到高精度激光焊接的要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)微細(xì)焊縫的焊接。下面以德國(guó)克萊西姆LW21L型激光焊機(jī)為例提出一種能滿足高精度、高穩(wěn)定性要求的焊機(jī)對(duì)中算法。

1 LW21L型激光焊機(jī)的對(duì)中系統(tǒng)

1.1 工藝流程

焊機(jī)對(duì)中單元分為出口對(duì)中單元和入口對(duì)中單元，如圖1所示。入口對(duì)中單元包括入口活套輥，入口對(duì)中單元unit n°1和入口對(duì)中單元unit n°2；出口對(duì)中單元又包括出口活套輥，出口對(duì)中單元unit n°1和出口對(duì)中單元unit n°2。其中，活套輥可以形成活套，使鋼帶能一端抬起，減小對(duì)中時(shí)移動(dòng)的阻力；對(duì)中單元unit n°1和unit n°2由檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，包括檢測(cè)位移用的磁致伸縮線位移傳感器、帶動(dòng)夾具運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)和用作夾緊鋼帶的氣壓缸夾具（1#夾具和2#夾具）等。

圖1 焊機(jī)對(duì)中單元工藝流程

待焊接的鋼帶沿焊機(jī)生產(chǎn)線x軸（自左向右）運(yùn)動(dòng)，對(duì)中過(guò)程為：出口活套輥升起→出口對(duì)中單元1、2進(jìn)行對(duì)中→關(guān)出口主夾具（固定）→帯尾切割→入口活套輥升起→入口對(duì)中單元1、2進(jìn)行對(duì)中→關(guān)入口主夾具（可向出口夾具移動(dòng)）→帯頭切割→入口側(cè)向出口側(cè)移動(dòng)，進(jìn)行間隙調(diào)整后等待焊接。

對(duì)中操作是下一步焊接過(guò)程順利進(jìn)行的前提條件，其精度的高低，直接影響焊縫的質(zhì)量，因此為了得到良好的焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)鋼帶精密的對(duì)中起著至關(guān)重要的作用。

1.2 控制系統(tǒng)配置

整個(gè)焊機(jī)系統(tǒng)用西門(mén)子S7-400 PLC作為控制器，并帶有8個(gè)ET-200從站。其通過(guò)profibus-DP總線與美國(guó)MTS磁致伸縮位移傳感器、西門(mén)子Simodrive 611U交流伺服控制器、上位機(jī)（HMI）等進(jìn)行信號(hào)的采集和傳輸。如圖2所示，對(duì)中控制單元主要包括兩個(gè)通過(guò)Profibus-DP總線與PLC相連的611U伺服控制器（每個(gè)伺服控制器控制兩個(gè)伺服電機(jī)）和8個(gè)通過(guò)另一根DP總線經(jīng)中繼器與PLC相連的MTS移傳感器。

其中，上位機(jī)與PLC進(jìn)行通信，可以選擇是否進(jìn)行對(duì)中過(guò)程等操作，還可監(jiān)測(cè)對(duì)中過(guò)程。

PLC作為核心控制器，不僅可以接受上位機(jī)的命令，還可以計(jì)算鋼板的中心線與生產(chǎn)線中心線的偏差，獲得一個(gè)鋼板夾具需要移動(dòng)的補(bǔ)償量，并能給伺服控制器發(fā)送命令。

圖2 焊機(jī)對(duì)中控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

美國(guó)MTS公司的磁致伸縮位線性位移傳感器，其核心是一條由磁鐵材料制成的檢測(cè)敏感元件，稱為波導(dǎo)管，套在波導(dǎo)管上的可移動(dòng)的非接觸的位置磁鐵與波導(dǎo)管間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)縱向的磁場(chǎng)；另外還會(huì)有一個(gè)由傳感器頭的電子模塊產(chǎn)生的沿波導(dǎo)管方向傳輸?shù)摹皢?wèn)詢信號(hào)”形成一個(gè)環(huán)繞波導(dǎo)管的圓形磁場(chǎng)。兩個(gè)磁場(chǎng)相交時(shí)會(huì)得到一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)以超聲波的速度從位置測(cè)量點(diǎn)返回傳感器并被檢測(cè)出來(lái)。此過(guò)程是連續(xù)不斷的，所以每當(dāng)活動(dòng)磁鐵被帶動(dòng)時(shí)，新的位置很快就會(huì)被感測(cè)出來(lái)。由于輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕對(duì)位置輸出，而不是比例或需要再放大處理的信號(hào)，所以不存在信號(hào)飄移或變值的情況，因此這種傳感器的測(cè)量精度很好，能將一個(gè)準(zhǔn)確的位置值寫(xiě)入PLC程序中的數(shù)據(jù)塊（DB）。這種線性位移傳感器具有抗震性強(qiáng)、分辨率高(5μm)、耐用等優(yōu)點(diǎn),行程可在50～7 500 mm間選擇，是一種非接觸式(活動(dòng)磁性檢測(cè)頭)的數(shù)字位移檢測(cè)裝置。其基本性能：(1)非線性度小于±0.01%，最小±50μm；(2)重復(fù)性小于±0.001%，最小±2.15μm；(3)滯后小于4μm。本對(duì)中系統(tǒng)一共用到8個(gè)這樣的傳感器，入口和出口單元各四個(gè)，分別分布在鋼帶兩側(cè)的邊緣，用來(lái)精確測(cè)量和反饋鋼帶當(dāng)前位置給PLC并進(jìn)行計(jì)算。

Simodrive 611U是西門(mén)子公司推出的速度和位置閉環(huán)控制的部件，只需通過(guò)調(diào)用包括目標(biāo)位置、速度和加速度等參數(shù)信息的程序段，來(lái)控制電機(jī)精確的運(yùn)行。1FK7電機(jī)是高度緊湊型的永磁同步電機(jī)，功率密度高，轉(zhuǎn)子慣量低，具有極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[6]。電機(jī)每接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，并配帶有32位絕對(duì)編碼器，作為伺服電機(jī)的位置反饋，與PLC、伺服控制器構(gòu)成高精度的位置和速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制原理如圖3所示。

圖3 位置和速度的閉環(huán)控制原理

每個(gè)電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)氣壓缸夾具（圖1中⑥、⑦），作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，壓緊鋼板，帶動(dòng)鋼板在垂直于運(yùn)行方向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)良好對(duì)中。

2 對(duì)中原理和算法

對(duì)中機(jī)構(gòu)主要是利用鋼板兩側(cè)的MTS位置傳感器采集位置信號(hào)，并將采集的信號(hào)通過(guò)Profibus-DP總線傳給核心控制器PLC，計(jì)算磁尺中心線到設(shè)備中心線的偏移距離，得出鋼帶需要移動(dòng)的位移，伺服電機(jī)控制器Simodrive 611U給伺服電機(jī)發(fā)送命令字，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣壓缸夾具移動(dòng)，使帶鋼中心與焊機(jī)中心對(duì)中[7]。

對(duì)中單元的四個(gè)磁尺分布在鋼帶兩側(cè)，相對(duì)的兩個(gè)在同一個(gè)軸線上，便可測(cè)量出鋼帶四個(gè)點(diǎn)的位置信號(hào)。PLC將得到兩個(gè)磁尺檢測(cè)頭軸線上傳來(lái)的4個(gè)點(diǎn)（SA1、SA2、SB1、SB2）測(cè)量信號(hào)，如圖4所示。

圖4 入口對(duì)中原理

計(jì)算并實(shí)現(xiàn)鋼帶對(duì)中的具體步驟如下：

第1步，計(jì)算磁尺軸上帶鋼中心線的偏移量

式中 SM1為磁尺軸線1上鋼帶中心線的偏移量；SM2為磁尺軸線2上鋼帶中心線的偏移量。

第2步，計(jì)算由于磁尺軸線和夾具軸線之間的距離引起的誤差，需將其換算到帶鋼移動(dòng)方向（x軸）上的補(bǔ)償量d1

式中 L1（已知）為磁尺軸與鋼帶夾具軸的距離；L2

（已知）為夾具軸1與夾具軸2的距離。

第3步，計(jì)算夾具軸線上鋼帶中心線偏移的距離

式中 M1和M2為夾具帶動(dòng)鋼板需要移動(dòng)的距離。

最后，PLC通過(guò)寫(xiě)命令字的方式，將M1和M2傳送給伺服控制器611U，611U的環(huán)控制系統(tǒng)不斷發(fā)送命令給伺服電機(jī)來(lái)拖動(dòng)入口1#夾具和2#夾具動(dòng)作，直到目標(biāo)值與實(shí)際值相同時(shí)，絕對(duì)位置定位過(guò)程結(jié)束。

3 對(duì)中算法實(shí)現(xiàn)

在Profibus-DP總線協(xié)議下，611U與PLC是通過(guò)控制字和狀態(tài)字進(jìn)行信息交換,統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)(net data)。這些字有一定的格式，叫做PPO(parameterprocess data-object)，共有PPO1、PPO2、…、PPO5五種格式，每種格式的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同。這些數(shù)據(jù)又分為兩大類，即PKW(parameter identification value)和PZD(process data)?？刂谱值膬?nèi)容包括使能信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)、程序塊選擇信號(hào)、參考點(diǎn)減速開(kāi)關(guān)信號(hào)等。狀態(tài)字的內(nèi)容包括準(zhǔn)備好信號(hào)、已回參考信號(hào)以及一些驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的報(bào)警信號(hào)等[8]。

在這個(gè)系統(tǒng)中，采用了PPO5格式，它包括四個(gè)字的PKW（參數(shù)ID值，包括PKE，IND，PWE1，PWE2），和十個(gè)字的PZD組成[8]，這些是在PLC的Hardware中進(jìn)行組態(tài)的。PLC與611U通過(guò)交換這些控制字和狀態(tài)字來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。連續(xù)功能圖CFC是寫(xiě)PLC程序時(shí)使用的一種直觀易懂的編程語(yǔ)言，其實(shí)現(xiàn)PLC讀寫(xiě)PZD如圖5所示。

圖5 PLC讀寫(xiě)伺服控制器的PZD過(guò)程

在圖5中，左邊的程序塊代表PLC，中間代表611U伺服控制器的程序塊寫(xiě)控制字，611U伺服控制器在Profibus中地址為16#23C；右邊的模塊代表PLC從611U伺服控制器中讀取電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)字，進(jìn)而構(gòu)成對(duì)伺服控制器的閉環(huán)控制。其中，SatzAnm是進(jìn)行程序段選擇，PosStw是位置控制字，右邊程序塊的AktSatz為前選擇程序段，PosZsw為定位狀態(tài)字。

SIMODRIVE 611U通過(guò)面板上的操作顯示單元或西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的伺服調(diào)試工具SimoCom U設(shè)定參數(shù)。在使用SimocomU進(jìn)行硬件配置時(shí)，其包含若干個(gè)對(duì)話框，如Configuration（硬件配置），其可以填入611U控制板的型號(hào)、操作方式、測(cè)量系統(tǒng)類型等信息；Mechanics（機(jī)械參數(shù)），其可設(shè)定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)；Limitations（速度限制參數(shù))，可規(guī)定最大速度、加速度和減速度。其中在Traversing blocks（程序塊）對(duì)話框中最多可以設(shè)定64個(gè)程序塊，每個(gè)程序塊的No.（編號(hào)）必須是大于-1且唯一的整數(shù)，PLC通過(guò)這些編號(hào)調(diào)用程序塊，對(duì)話框還包括Position(位置值)、Velocity(速度值)、Accel.(加速倍率)、Decel.(減速倍率)、Command(命令)、parameter(命令參數(shù))和Mode(模式)，均可由用戶人為設(shè)定和修改，最終以參數(shù)形式分別存于P80：63-P87：63[9]，如圖6所示。

圖6 SimocomU參數(shù)設(shè)定界面

生產(chǎn)過(guò)程中，鋼板規(guī)格、厚度、長(zhǎng)度改變時(shí)，運(yùn)行程序段中的位置值(P81)、速度值(P82)需要相應(yīng)改變。如P0081：18就是修改伺服控制器中第18個(gè)程序段的位置值，81代表PKE（參數(shù)ID），18代表IND(子參數(shù)號(hào))，修改的內(nèi)容放到PWE（參數(shù)值）中，通過(guò)SFC15中指定伺服控制器的Profibus地址，將PKW和待寫(xiě)內(nèi)容一并寫(xiě)到伺服控制器；再通過(guò)在系統(tǒng)功能塊SFC14中設(shè)定和SFC15相同的伺服控制器Profibus地址進(jìn)行校驗(yàn)。由于要讀寫(xiě)的參數(shù)多于4個(gè)字節(jié)，所以只能采用打包通信，即調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PKW的讀寫(xiě)操作，見(jiàn)圖7。

圖7 PLC讀寫(xiě)伺服控制器的PKW過(guò)程

在本程序中，對(duì)中過(guò)程中對(duì)Y11軸入口2#夾具電機(jī)控制時(shí)，執(zhí)行步驟和夾具位置不同，圖8中的SLE_PGM塊會(huì)選擇STEP1、STEP2或者STEP3，分別對(duì)應(yīng)不同的的程序段，若選擇STEP1，則對(duì)應(yīng)程序段10，然后將這個(gè)WORD型的量轉(zhuǎn)成BOOL型，通過(guò)參數(shù)傳遞傳給PZD中的AktSatz，最后寫(xiě)入611U控制相應(yīng)的電機(jī)，使電機(jī)按照事先配置好的程序段參數(shù)加速、勻速、減速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具的控制。

圖8 PLC選擇611U程序塊

4 結(jié)論

克萊西姆LW21L型CO2激光焊機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，焊縫表面寬度不大于0.5 mm，焊接精度高，焊接質(zhì)量好，達(dá)到了工藝對(duì)激光焊接的要求，實(shí)現(xiàn)了焊接的自動(dòng)控制。圖9為0.8 mm的鋼板焊接的焊縫實(shí)際圖片。

圖9 鋼板焊接的焊縫

實(shí)際應(yīng)用表明，焊縫焊接質(zhì)量良好，基本沒(méi)有毛刺和突起，表面光滑[7]，焊縫窄，焊接過(guò)程穩(wěn)定，能滿足較高精度的焊接要求，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。對(duì)焊機(jī)的對(duì)中系統(tǒng)的分析和研究，為下一步研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大功率激光焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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