基于S7-200 SMART PLC的自動焊接系統(tǒng)設計

孫松麗，吳曉昉

（1.南京理工大學 泰州科技學院 機械工程學院；泰州 225300；2.江蘇林海雅馬哈摩托有限公司，泰州 225300）

0 引言

隨著當今時代科技的飛速發(fā)展，焊接作為一種關(guān)鍵的制造技術(shù)已經(jīng)步入了一個嶄新的發(fā)展階段，許多在激光、數(shù)字控制、計算機、信息處理、工業(yè)機器人等領(lǐng)域的當今最新科研成果、高新技術(shù)與前沿技術(shù)不斷融合在焊接之中[1]，多種直縫自動焊接設備隨之大量出現(xiàn)。這些直縫自動焊接設備焊炬多采用氣缸升降，高度只能通過機械夾具微調(diào)，僅適用0.5mm～6mm的薄壁單層焊接。而在建筑、石油化工、工程機械等行業(yè)，隨著大型焊接結(jié)構(gòu)的需求增多，厚板多層多道焊的應用越來越普遍。目前國內(nèi)的厚壁結(jié)構(gòu)焊接方法以多層多道熔化極氣體保護焊為主流[2]，一般仍采用手工焊接或半自動化焊接，焊接效率偏低，工人勞動強度較大。此外，多數(shù)MAG/MIG/TIG 等熔化極氣體保護手工焊機本體自動化程度較高，除不能自動驅(qū)動焊槍的運行外均可實現(xiàn)對焊接電流、保護氣和焊絲等的全部時序控制[3]。針對上述現(xiàn)狀，本文設計了具有三自由度的焊槍運行機構(gòu)并開發(fā)了基于單臺S7-200 SMART PLC的控制系統(tǒng)，同時與現(xiàn)有手工焊機組合，共同構(gòu)建了適用于中厚壁長直縫多層焊的自動焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了焊接自動化。應用表明，該系統(tǒng)設備資金投入少，使用方便，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，效率較高。本系統(tǒng)設計理念具有實際推廣價值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所設計的自動焊接系統(tǒng)主要由焊槍運行機構(gòu)、控制柜、氣體保護手工焊機及其它輔助部分組成，如圖1所示。

圖1 焊接控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意

焊槍運行機構(gòu)為系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)之一，在系統(tǒng)控制下通過夾持焊槍實現(xiàn)焊槍在X、Y、Z三個方向上按設定軌跡的運行。整個機構(gòu)由3臺步進電機和機械部分組成，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。其中，擺動機構(gòu)作為焊接系統(tǒng)中的重要組成部分，采用由絲杠螺母副組成的直線擺動形式，由X軸步進電機（擺動電機）驅(qū)動。擺動時可達到較高的擺頻，并且運行平穩(wěn)、準確、噪聲小[4]；升降機構(gòu)由Z軸步進電機（層控電機）、微型滾珠絲杠螺母副、高精度直線導軌等組成，工作時沿高度方向上下運行，實現(xiàn)不同焊接層的高度定位；直行機構(gòu)由Y軸步進電機（直行電機）、直齒圓柱齒輪和齒條、高精度直線導軌、滑塊等組成，工作時沿焊縫長度方向做直線運行。焊接時，升降機構(gòu)在Z方向?qū)⒑笇痈叨认刃卸ㄎ缓?，直行機構(gòu)帶動擺動機構(gòu)、升降機構(gòu)按設定焊接速度前行，同時擺動機構(gòu)以直線擺動形式按設定擺動參數(shù)往復擺動，由此實現(xiàn)焊槍按設定軌跡的多層運行（運行軌跡如圖3所示）。

圖2 焊槍運行機構(gòu)示意圖

圖3 焊槍運行軌跡示意圖

控制柜內(nèi)裝3臺步進電機驅(qū)動器和基于S7-200 SMART PLC的焊接控制系統(tǒng)。面板上設置有工作按鈕及指示燈、選擇旋鈕、MCGS觸摸屏等。通過選擇旋鈕可選擇系統(tǒng)的手動或自動工作模式，通過MCGS觸摸屏上的人機界面可設定焊接速度、焊槍擺頻、焊槍擺幅、焊接總層數(shù)選擇及第一層定位高度、焊層高度差等焊接參數(shù)。

此外，為實現(xiàn)焊接的自動控制，需對系統(tǒng)另一執(zhí)行機構(gòu)——原有手工焊機及送絲機進行電氣改造。將手工焊機焊槍開關(guān)及送絲機啟動開關(guān)由人工按動改為由PLC輸出端子觸點經(jīng)由中間繼出器的自動開關(guān)控制。

綜上，基于S7-200 SMART PLC的自動焊接系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成。系統(tǒng)工作時，首先根據(jù)具體焊接工藝要求完成焊接參數(shù)的設定，按動啟動按鈕后，即可控制焊機運行機構(gòu)與手工焊機的協(xié)同工作，焊槍按設定軌跡和層數(shù)對工件實施焊接，實現(xiàn)焊接自動化。

2 焊接系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器PLC

本系統(tǒng)采用PLC作為控制核心，輸入信號主要有按鈕、X/Y/Z軸三個方向的原點接近開關(guān)和兩側(cè)的極限限位開關(guān)；輸出信號主要有3臺步進電機各自的脈沖控制信號和方向控制信號、指示燈、報警器和手工焊機及送絲機的開關(guān)控制信號；另外還有與MCGS觸摸屏的通信信號。該系統(tǒng)主要為數(shù)字量控制，并且由于需完成對3臺步進電機的同時控制，PLC需具備3個高速脈沖輸出口。根據(jù)輸入輸出信號的數(shù)量、類型、控制要求，同時按I/O點數(shù)20%～30%的備用量原則[5]，選用西門子S7-200 SMART PLC，CPU型號為ST60。該型號CPU采用晶體管輸出方式，具有36個數(shù)字量輸入點、24個數(shù)字量輸出點，集成三路高速脈沖輸出，頻率高達100KHz。以焊接速度40mm/s，步進電機轉(zhuǎn)一圈需要10000個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)一圈行程為5mm計算，要求高速脈沖的輸出頻率為：40×10000/5=80KHz。而PLC最高輸出頻率為100KHz，完全滿足系統(tǒng)要求。

S7-200 SMART是西門子公司推出的高性價比小型PLC，是國內(nèi)廣泛使用的S7-200的升級換代產(chǎn)品[6]。與S7-200硬件相比，其主要優(yōu)點體現(xiàn)在：通過以太網(wǎng)用普通的網(wǎng)線就可以實現(xiàn)程序的下載和監(jiān)控，方便快捷，省去了專用編程電纜；CPU模塊最多配有3路100kHz的高速脈沖輸出，提供PWM和運動軸兩種運行控制，運動軸則為步進電機或伺服電機的速度和位置開環(huán)控制提供了統(tǒng)一的解決方案?？煽焖賹崿F(xiàn)設備的調(diào)速、定位等功能；使用通用的Micro SD卡（普通手機卡），可以傳送程序、更新CPU固件和恢復CPU的出廠設置。

2.2 步進電動機

步進電動機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在家電產(chǎn)品及各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中。通過控制脈沖個數(shù)控制步進電機轉(zhuǎn)過的角位移（與滾珠絲杠螺母幅等傳動機構(gòu)配合，則為直線位移）且誤差不累積，可以準確定位；通過控制頻率可以改變電動機的轉(zhuǎn)速和加速度，實現(xiàn)任意調(diào)速；通過方向控制可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。對于本系統(tǒng)這種精度要求不是很高的場合，適用采用由步進電機作為執(zhí)行元件的較為簡單而又經(jīng)濟的開環(huán)控制方式。

步進電機由步進驅(qū)動器驅(qū)動。步進驅(qū)動器有共陰和共陽兩種接法。本系統(tǒng)選用無錫信捷產(chǎn)品，其驅(qū)動器為共陽接法，即步進驅(qū)動器的脈沖信號PUL+和方向信號DIR+與24V電源正極短接，PUL－和DIR－接控制信號。而西門子PLC輸出信號采用PNP接法，要求步進驅(qū)動器為共陰接法才可形成回路。因此，本系統(tǒng)中PLC輸出信號不能與步進驅(qū)動器直接相連。解決方法是增加一塊信號轉(zhuǎn)換板，將PLC的輸出信號進行反相，然后再與共陽接法的步進驅(qū)動器相連。

2.3 運動軸硬件組態(tài)

本系統(tǒng)選用S7-200 SMART CPU內(nèi)置運動軸實現(xiàn)對步進電機速度和位置的開環(huán)運動控制。3臺步進電機對應3根運動軸。硬件接線前首先通過SMART PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART 利用“運動向?qū)А眮碛布M態(tài)運動軸，分配各運動軸所對應的PLC輸出端口。端口分配如表1所示。

由上述內(nèi)容，確定PLC控制系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

3 焊接系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)軟件設計

自動焊接系統(tǒng)能實現(xiàn)自動工作模式和手動工作模式，手動模式下設有“點動”以提高設備調(diào)試的靈活性。自動模式下的控制流程如圖5所示。其程序設計為典型的順序控制，采用西門子STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件利用順控指令LSCR、SCRT和SCRE進行程序編制。各軸向步進電機的定位和速度控制是編程的重難點。利用編程軟件中的“運動控制向?qū)А惫δ?，在硬件組態(tài)每根運動軸的過程中生成運行子例程并在編程時直接調(diào)用，可使程序簡潔、容易編寫，特別是控制步進電機的加速起動和減速停止，避免電機失步，顯得非常方便[7]。

要保證定位準確，在利用“運行控制向?qū)А苯M態(tài)運動軸過程中要注意如下內(nèi)容的選擇和設定：

1）設定系統(tǒng)測量單位：選擇工程單位，并輸入電機一次旋轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)（10000個/轉(zhuǎn)）、測量基本單位（mm）、電機一次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生多少mm的運行（5mm）。這樣在設定定位距離和運行速度時直接輸入實際距離（單位：mm）和速度值（單位：mm/S）即可。

表1 PLC控制步進電機輸出端口分配表

圖4 PLC控制系統(tǒng)接線圖

圖5 自動模式控制流程圖

2）組態(tài)參考點和搜索參數(shù)：當需要從一個絕對位置處開始運動或以絕對位置作為參考，則必須建立一個參考點 (RP) 或零點位置，這個點可以選擇各方向軸的原點輸入信號。一旦使用參考點，則需要定義自動重新定位參考點的方法，包括輸入?yún)⒖键c搜索速度、定義初始搜索方向和最終參考點接近方向[8]。

3）選擇生成的運動子例程：運動軸組態(tài)完成后可生成 13 個運動控制子例程，不同的控制要求對應不同的子例程。為節(jié)省子例程占用過多的存儲空間，對不需要的子例程應取消生成。本控制系統(tǒng)需生成的子例程有：(1)AXISx_CTRL子例程，供軸的初始化和全面控制，每個運動軸使用此子例程一次，用SM0.0觸發(fā)，程序在每次掃描時均調(diào)用此子例程；(2)AXISx_GOTO子例程，命令軸轉(zhuǎn)到指定位置，提供絕對位移和相對位移兩種模式。通過子例程輸入?yún)?shù)Mode設定位移模式，0代表絕對位移，1代表相對位移；通過輸入?yún)?shù)Pos設定要移動的位置（絕對位移）或要移動的距離（相對位移），單位均與設定的工程單位一致；通過輸入?yún)?shù)Speed確定移動速度，單位為mm/s；(3)AXISx_RSEEK子例程，啟動參考點查找操作。若采用絕對位移模式，則必須先啟用此子例程完成零點的搜索和建立后，方可調(diào)用AXISx_GOTO子例程實現(xiàn)絕對位移的定位運行。

3.2 觸摸屏軟件設計

觸摸屏是操作員與設備之間的接口中，其人機界面設計通過MCGS組態(tài)軟件完成，主要用于實現(xiàn)焊接參數(shù)的設置和管理，通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與PLC的通訊。

4 結(jié)束語

本自動焊接系統(tǒng)充分利用S7-200 SMART PLC具有3路100KHz高速脈沖輸出的硬件特點，利用編程軟件“運行控制向?qū)А钡闹噶钕驅(qū)Ь幊藽PU內(nèi)置絕對位移、相對位移的運行功能，方便地實現(xiàn)了對X、Y、Z三個方向步進電機的定位和速度控制，并與設計的焊槍運行機構(gòu)配合，實現(xiàn)了焊槍按設定軌跡的平穩(wěn)、低振動、低噪聲運行；通過對原手工焊機的電氣技術(shù)改造，將已有的成熟焊接設備組合融入自動焊接系統(tǒng)中，降低了設備的資金投入。最終，在本系統(tǒng)控制下，各單元協(xié)同工作，實現(xiàn)了中厚壁的多層自動焊接?，F(xiàn)場應用效果良好，本設計思路值得推廣和借鑒。

[1]李明智,原孝貞.淺談焊接技術(shù)的發(fā)展及焊接工藝的基本原理[J].應用能源技術(shù),2008,(7)：19-21.

[2]洪宇翔.基于擺動電弧的厚壁結(jié)構(gòu)焊縫自動跟蹤關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湘潭：湘潭大學,2012.6.

[3]李軍,任婷.管-板焊機的PLC自動控制系統(tǒng)研制[J].焊接技術(shù),2011,40(11)：42-45.

[4]蔣爽,姚河清,錢麗娜,梁婷.基于DSP的焊接擺動器研制[J].電焊機,2009,39(10)：78-80.

[5]李海芹,姜印平,翟陽,等.基于S7-200 SMART PLC的智能藥品包裝機的控制設計[J].制造業(yè)自動化,2013,(10)：47-50.

[6]廖常初.S7-200 SMART與S7-200的比較[J].電工技術(shù),2013,(11)：52-53.

[7]向曉漢.S7-200 SMART PLC 完全精通教程[M].北京：機械工業(yè)出版社,2013.8.

[8]西門子(中國)有限公司.SIEMENS SIMATIC S7-200 SMART 系統(tǒng)手冊[Z].2013,(10).