自動激光焊接設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：依據(jù)自動焊接設(shè)備機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，對設(shè)備功能和動作進行分析，根據(jù)其特點對電氣自動化控制進行設(shè)計。選擇合適的硬件模塊和電子元器件，編寫可靠的軟件程序；設(shè)計自動焊接設(shè)備和激光發(fā)生器的通訊接口連接方式，確保自動焊接設(shè)備能安全、穩(wěn)定、可靠控制激光發(fā)生器進行金屬零件的焊接。最終實現(xiàn)自動將兩個“L型”金屬材料焊接成一個“口型”零件的功能，并應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；伺服控制系統(tǒng)；激光器；焊接；

中圖分類號： TM571.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-04-00285-02

引言

金屬零件激光焊接工藝是將工控技術(shù)和激光焊接技術(shù)相結(jié)合，完成對不同材質(zhì)、厚度、形狀的金屬進行焊接。由于應(yīng)用廣泛，使得焊接設(shè)備通用性大大降低，應(yīng)用于液晶顯示領(lǐng)域中的焊接設(shè)備更是少之又少。目前只有臺灣、日本和國內(nèi)少數(shù)自動化廠家研制并開發(fā)出自動激光焊接專用設(shè)備。臺灣立意公司采用三菱伺服控制系統(tǒng)，臺灣孟晉公司采用德國庫卡機器人，都掌握設(shè)計開發(fā)自動焊接設(shè)備，與激光器結(jié)合完成金屬零件批量焊接的技術(shù)。只是高額的設(shè)備采購費用和低利潤產(chǎn)品，不得不讓有一定研發(fā)能力的廠家進行激光焊接設(shè)備的開發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)制造。

相對一百多萬元人民幣的進口專用設(shè)備，自制自動激光焊接設(shè)備材料成本只有二十萬元，采用雙伺服控制系統(tǒng)完成對激光器焊接加工頭的固定、調(diào)整和焊接功能，采用步進電機控制移送機械手運送金屬零件。為方便焊接工藝調(diào)整，還加入壓料，電磁鐵吸料、手動調(diào)整等功能，使自行設(shè)計的設(shè)備自動完成金屬零件焊接成為可能，并且焊接質(zhì)量和焊接效率都可以達到工業(yè)生產(chǎn)要求。

自動激光焊接設(shè)備的功能是自動將兩個“L型”金屬料片焊接成“口”料片，為下一沖壓工序做準(zhǔn)備，其目的在于提高原材料的利用率。原有沖壓工藝過程中會產(chǎn)生中間廢料，材料利用率只有30%左右；增加自動焊接設(shè)備和焊接工藝后，沒有中間廢料產(chǎn)生，材料利用率提高到75%以上。

一、機械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計

自動激光焊接設(shè)備機械結(jié)構(gòu)主要由積料架、移送機械手、治具板、激光焊接頭移送機構(gòu)以及機架五個部分組成，如圖1所示。積料架是將兩組“L”型金屬料堆疊起來，實現(xiàn)將料片逐步向上移送的功能；移送機械手主要由兩組帶有真空吸盤的手臂組成，通過一個步進電機和一個氣缸完成將料片依次移送到焊接治具板上，并將焊接好的零件從治具板移出的功能；治具板主要功能是完成兩個“L”型料片的精確定位；治具板上方的激光焊接頭移送機構(gòu)在兩組伺服電機的驅(qū)動下帶動依次發(fā)出激光的焊接頭勻速運動，完成金屬零件的焊接功能。

二、電氣控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計必須考慮到機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點和一些特定功能，如激光焊接頭移送區(qū)必須采用精度較高的伺服電機進行傳動，而移送機械手采用步進電機和氣缸傳動即可，同時還要考慮設(shè)備成本、維修難易程度、工作效率等多方面因素。根據(jù)該設(shè)備特點，設(shè)計出電氣控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是電氣控制系統(tǒng)的核心。它的主要功能是獲得輸入端口開關(guān)、按鈕等信號，經(jīng)過軟件處理，將輸出信號傳輸給外部中間繼電器，從而驅(qū)動氣缸電磁閥、電磁鐵、真空發(fā)生器、步進電機等外部負(fù)載，實現(xiàn)焊接金屬零件的功能。PLC還和兩個脈沖發(fā)生器通訊，再加上兩臺伺服驅(qū)動器、伺服電機以及外部傳感器組成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保伺服電機按照程序精確定位，使激光焊接頭勻速運動，達到最佳焊接效果。

為了和激光發(fā)生器進行控制通訊，PLC還通過一個小型PLC和激光器的并行輸入輸出接口通訊。其主要目的是，發(fā)出焊接指令的同時，得到激光器發(fā)出的反饋信號，確保激光器可以按照自動激光焊接設(shè)備的要求發(fā)出激光，最終來實現(xiàn)對金屬原材料的焊接功能。

（一）電源設(shè)計。由于選用三菱伺服電機，輸出電源需要三相交流220V電源，因此配備一個功率為1kW三相380V變220V變壓器專供伺服控制系統(tǒng)使用。為了防止人身觸電，控制回路均采用低壓直流24V電源，同時控制電源還采用雙直流24V電源供電系統(tǒng)。中間繼電器、PLC外部傳感器、觸摸屏都由直流開關(guān)電源供電；外部負(fù)載，如電磁閥、真空發(fā)生器、電吸鐵等，其驅(qū)動電流稍大，且容易出現(xiàn)外部短路故障，因此采用全橋整流電源。可見雙直流24V電源供給使得精密元器件穩(wěn)定工作的同時，還可以防止外部負(fù)載對其干擾的影響。

（二）伺服控制系統(tǒng)設(shè)計。伺服控制系統(tǒng)由PLC、脈沖發(fā)生器（FX2n-1PG）、伺服驅(qū)動器（MR-J2S-40A）和伺服電機（HC-KFS43）組成。脈沖發(fā)生器就是根據(jù)PLC的指令將正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動器，同時接收伺服驅(qū)動器收到伺服電機編碼器的反饋信號，從而確定伺服電機是否按照PLC發(fā)出的指令正常工作。

硬件配置完成后，還要根據(jù)需求對伺服驅(qū)動器參數(shù)進行必要的設(shè)置。首先確定脈沖指令單位，該系統(tǒng)選用滾珠絲杠給進量為5mm。在程序中對脈沖發(fā)生器定義：伺服電機轉(zhuǎn)一圈激光加工頭移動的距離是5000um；伺服電機轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)量為4096（2的n次方，且最接近5000），因此脈沖指令單位就是5000/4096（即伺服驅(qū)動器每發(fā)出一個脈沖，激光焊接頭前進5000/4096um）。

其次計算電子齒輪比：電子齒輪比分為分母（CMX）和分子（CDV）兩項參數(shù)設(shè)置，其設(shè)定范圍為：1/50

計算電子齒輪比計算公式：