基于PLC與觸摸屏的激光焊接機控制系統(tǒng)設計

張窩羊+周艷麗+張志昂

摘 要：針對當前焊接中自動化程度低、焊接效率低等問題，論文分別從硬件及軟件兩方面對激光自動焊接機控制系統(tǒng)進行了設計。

關鍵詞：激光焊接；控制系統(tǒng)；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.135

1 引言

伴隨著工業(yè)技術的發(fā)展，激光自動焊接技術依靠其特有的優(yōu)勢，在汽車、船舶等領域扮演著舉足輕重的角色，已成為焊接工藝技術領域中不可缺少的工藝之一。焊接工藝技術水平不僅影響工程進度，同時嚴重制約著工程質量。在影響焊接質量的因素中，如操作人員、材料、工藝、環(huán)境及設備，對其影響最大的當屬設備，尤其是設備的質量及自動化程度。早期焊接項目中，大多都是工人拿著焊槍對工件直接焊接，隨意性大、精度低。本文正是基于此背景下完成的。

2 系統(tǒng)控制結構

激光自動焊接機總體控制結構如圖1。整個控制系統(tǒng)可分為現場級、控制級、管理級。其中現場級主要由X向伺服系統(tǒng)、Y向伺服系統(tǒng)、Z向伺服系統(tǒng)及其他系統(tǒng)組成?，F場級的焊接信號經相應途徑傳至由PLC構成的控制級，再由工作人員通過由觸摸屏構成的管理級對傳輸數據進行綜合管理，以此完成激光焊接機的控制。整個控制系統(tǒng)中，可編程邏輯控制器作為控制系統(tǒng)的核心，用以控制各系統(tǒng)的正常運行?？删幊踢壿嬁刂破髋c觸摸屏依靠ModBus通訊協(xié)議完成信息交換，實現了數據信號的準確、快速傳輸，從而保證了控制要求的實現[4]。

3 硬件設計

3.1 硬件組成

該系統(tǒng)硬件部分主要由PLC、控制電路、觸摸屏、伺服系統(tǒng)、激光發(fā)射器及其他元件。焊槍主要在X/Y/Z三個方向上運動，其動作過程通過伺服系統(tǒng)與PLC實現自動控制。PLC依據其預先設置好的程序，控制激光發(fā)射器的開與關、焊槍的運動。工作人員將指令寫入觸摸屏，以ModBus通訊協(xié)議為途徑，傳至控制系統(tǒng)的核心-PLC，由PLC經一系列的邏輯運算后，將結果送至伺服驅動器及其他執(zhí)行元件，以完成命令。

3.2 部分電路圖及I/O分配

依據激光焊接機實際控制需求及PLC的I/O輸出情況，選用S7-200系列中的CPU224XP作為系統(tǒng)控制單元，另配以EM253定位模塊。該類型CPU在輸入輸出點數滿足系統(tǒng)控制要求的同時，還同時擁有兩個RS485通訊接口，能保證在與觸摸屏通訊的同時，隨時上傳及下載PLC程序。I/O分配及部分電路圖，分別見表1及圖2。

4 軟件設計

4.1 系統(tǒng)總體控制流程

本論文設計的控制系統(tǒng)中，為保證焊接的正常進行及焊接工藝的順利實施，該PLC程序必須具備自我檢測、自我判斷、自我處理及上電初始化等功能。從圖4可以發(fā)現，PLC上電后首先進行初始化，完成初始化以后，進行工作方式的選擇（手動或自動），然后進行硬件自動檢測，直到命令執(zhí)行完畢，程序停止。

4.2 系統(tǒng)程序

為保證控制系統(tǒng)的精度，防止脈沖丟失引起的誤差，依據該控制系統(tǒng)的控制要求，采用閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。借助于PLC自帶的高速計數器，通過編碼器采集伺服電機運轉速度信號。[4]本系統(tǒng)控制程序主要由以下幾個部分組成：主程序、脈沖輸出子程序、初始化及硬件檢測子程序、模擬量采集子程序。其中主程序主要是調用及處理各子程序間的關系，脈沖輸出子程序主要為各伺服電機發(fā)送脈沖串，初始化及硬件檢測子程序分別完成程序初始化及硬件檢測，模擬量采集子程序主要處理激光功率及冷卻水溫等。部分主程序如圖5。

4.3 觸摸屏組態(tài)界面設計

為保證人機界面形象逼真，在進行組態(tài)界面開發(fā)之前，必須對該控制系統(tǒng)的工作流程分析。該控制系統(tǒng)組態(tài)界面開發(fā)要首先確認：人機交換界面分類、總頁面及各頁面之間的邏輯關系；手動/自動模式選擇；確定所有輸入輸出點內容及顯示。[4]基于以上分析，人機友好交換各界面流程如圖，主監(jiān)控界面如圖。

5 結語

在完成了軟硬件設計后，進行了PLC及觸摸屏界面的調試，證明了基于PLC與觸摸屏的激光自動焊接機控制系統(tǒng)的運行正常、可靠性能好，具有很高的實用價值。解決了當前焊接中傳統(tǒng)焊接無法解決的難題，提高焊接效率及精度，節(jié)約了人力成本，為以后“成套性”激光焊接設備的發(fā)展提供了依據。

參考文獻：

[1]林尚楊.我國焊接生產現狀與焊接技術的發(fā)展[J].船舶工程，2005（S1）.

[2]家永平.波峰焊接技術的應用[J].航天制造技術，2004（03）.

[3]佟欣.激光焊接的特性及應用領域[J].焊接技術，2000，29（03）：11-12.

[4]戴琨.基于PLC的薄板激光焊接控制系統(tǒng)[J].焊接，2015（10）：60-63.endprint