基于PMAC的馬鞍形焊縫焊機(jī)數(shù)控系統(tǒng)研究

李宇鵬 郭超峰 孫洪勝

(①燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；② 燕山大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

在石油、化工、核電等行業(yè)壓力容器的制造中，廣泛存在接管與筒體相貫形成的馬鞍形焊縫的焊接[1]。由于相貫線是復(fù)雜空間曲線，采用人工或半自動(dòng)設(shè)備焊接時(shí)生產(chǎn)效率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品可靠性差；采用通用的機(jī)器人進(jìn)行焊接時(shí)，價(jià)格昂貴且編程難度大[2]。因此，越來越多地采用馬鞍形焊縫自動(dòng)焊機(jī)。由于當(dāng)前市場(chǎng)上主流的日本FANUC、德國SINUMERIK等CNC系統(tǒng)，不具備馬鞍形曲線直接插補(bǔ)算法，且其硬件和軟件的封閉性較強(qiáng)，很難對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展。目前大多采用直線或圓弧插補(bǔ)方法實(shí)現(xiàn)馬鞍形曲線焊縫的焊接，存在編程難度大、線速度不均勻、焊接質(zhì)量差等問題。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有可移植性、可擴(kuò)展性、相互操作性等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前CNC發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。本文根據(jù)馬鞍形焊縫焊機(jī)的功能特點(diǎn)和壓力容器接管焊接工藝技術(shù)要求，提出采用馬鞍形曲線直接插補(bǔ)算法和示教相結(jié)合的軌跡規(guī)劃策略，基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)建馬鞍形焊縫焊機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并采用模塊化設(shè)計(jì)理念開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)軟件。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 馬鞍形焊縫焊機(jī)結(jié)構(gòu)

馬鞍形焊縫焊機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，焊機(jī)主體部分由回轉(zhuǎn)軸、徑向軸、升降軸和擺動(dòng)軸構(gòu)成。焊接機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由伺服電動(dòng)機(jī)通過大減速比減速器，帶動(dòng)整個(gè)箱體繞靜止的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。三爪卡盤通過法蘭盤和主軸相連接。徑向軸和升降軸采用兩個(gè)直線模組組合成的十字滑臺(tái)。焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用蝸桿蝸輪減速器，結(jié)構(gòu)更為緊湊，精度更高。在接管和筒體通過手工打底焊固定后，通過三爪卡盤將馬鞍形焊縫焊機(jī)錨固在接管內(nèi)壁上，通過升降軸和回轉(zhuǎn)軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)完成接管馬鞍形焊縫的焊接。為了實(shí)現(xiàn)高的定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，4個(gè)軸的電動(dòng)機(jī)都采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，并配以相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

1.2 馬鞍形焊縫焊機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)馬鞍形焊縫焊接對(duì)控制系統(tǒng)的要求，采用“工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”的上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)形式構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。上位機(jī)選用研華公司高性能IPC-610H工控機(jī)，下位機(jī)選用PMAC2 LITE PCI運(yùn)動(dòng)控制卡，將PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡插入工控機(jī)的總線插槽中實(shí)現(xiàn)PMAC和工控機(jī)的連接，通過PCI總線和雙端口RAM兩種方式實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與PMAC的通訊。PMAC與焊機(jī)的I/O端口通過ACC-34AA接口板連接，用戶通過自行設(shè)計(jì)PLC程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)送絲機(jī)、焊接電源等開關(guān)量的控制。采用ACC-8D端子板連接運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的伺服閉環(huán)控制。

2 馬鞍形曲線插補(bǔ)算法

插補(bǔ)算法是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它不僅決定著數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)精度，還對(duì)數(shù)控加工編程的復(fù)雜程度有影響。依據(jù)馬鞍形曲線焊縫的特點(diǎn)和壓力容器焊接工藝要求，焊槍保持既定位姿條件下，通過回轉(zhuǎn)軸和升降軸的聯(lián)動(dòng)就能夠?qū)崿F(xiàn)馬鞍形曲線焊縫的焊接[4]。采用馬鞍形曲線直接插補(bǔ)算法，用戶只需要輸入簡(jiǎn)單的幾何參數(shù)就能夠自動(dòng)規(guī)劃出焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。但實(shí)際上，由于接管定位不準(zhǔn)確或者筒體變形等原因造成馬鞍形曲線直接插補(bǔ)算法難以滿足高質(zhì)量焊接要求。如果單純采用示教方式，不僅示教點(diǎn)多而且每個(gè)接管的焊接都需要示教，導(dǎo)致示教難度大、效率低。針對(duì)馬鞍形曲線焊接的復(fù)雜情況，本文提出采用馬鞍形曲線直接插補(bǔ)與在線示教方式相結(jié)合的軌跡規(guī)劃策略，對(duì)于偏離標(biāo)準(zhǔn)馬鞍形曲線的部分焊縫，進(jìn)行人工在線示教方式，既解決了直接插補(bǔ)時(shí)靈活性差，又解決了單獨(dú)采用示教規(guī)劃時(shí)效率低、難度大等難題。

2.1 馬鞍形曲線直接插補(bǔ)算法

設(shè)馬鞍形曲線的參數(shù)方程為：

(1)

式中：R為筒體半徑；r為接管半徑；θ為旋轉(zhuǎn)角度。

如果保持回轉(zhuǎn)軸的角速度恒定，即每個(gè)插補(bǔ)周期T內(nèi)步進(jìn)角Δθ恒定，則焊槍末端線速度不斷變化，不利于焊縫成形，易產(chǎn)生焊接缺陷，影響工件使用壽命。因此，要實(shí)時(shí)地調(diào)整步進(jìn)角Δθ的大小使焊槍末端線速度保持恒定[5]。如圖3所示，馬鞍形曲線上任意一點(diǎn)Q，過點(diǎn)Q分別與接管、筒體外表面相切的平面為α和β，平面α和β相交于直線l，則過該點(diǎn)的線速度v的方向?yàn)橹本€l的方向向量，Q點(diǎn)線速度方向與Z軸的夾角為γ。由于在一個(gè)插補(bǔ)周期T內(nèi)，旋轉(zhuǎn)角θ的增量Δθ很小，對(duì)應(yīng)的曲線都可以近似成直線段，從而得到：

r·Δθ=v·T·sinγ

(2)

即Δθ=vTsinγ/r。因此只要求出sinγ就可以求出步進(jìn)角度Δθ。sinγ的計(jì)算過程如下：

設(shè)相貫線上任意一點(diǎn)Q(xQ,yQ,zQ)，過Q點(diǎn)分別與接管和筒體相切的平面α與β的交線l的方程為：

(3)

(4)

(5)

(6)

將式(6)代入式(2)可求出恒定焊接速度v時(shí)步進(jìn)角度Δθ，再由式(1)可得升降軸的進(jìn)給量Δz。

(7)

(8)

2.2 示教方式軌跡規(guī)劃與插補(bǔ)算法

目前，NURBS曲線已成為工程制造領(lǐng)域流行的自由曲線表達(dá)方法。但NURBS曲線的表達(dá)式比較復(fù)雜，在反求控制頂點(diǎn)時(shí)計(jì)算量大，且當(dāng)權(quán)因子選取不當(dāng)時(shí)會(huì)引起畸變[6]。B樣條曲線相比NURBS曲線不僅能夠滿足一般工程問題的要求，而且表達(dá)式更為簡(jiǎn)單。其中，三次均勻B樣線條曲線在分段連接點(diǎn)處是C2連續(xù)的，故其在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣。三次均勻B樣線條曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(9)

式中：Vi、Vi+1、Vi+2、Vi+3為樣條曲線的控制頂點(diǎn)，其中:u為參數(shù)，且u∈[0,1]；i為曲線段序號(hào)，i=0,1,2,…,n-3。

三次均勻B樣條曲線在第i段曲線的兩端處滿足如下條件：

(10)

由于在示教起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的線速度為已知，故可得兩個(gè)約束條件：

(11)

由式(10)、(11)聯(lián)立得：

(12)

通過示教可以得到焊機(jī)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)量構(gòu)成的示教點(diǎn)(θ,s,h)，由式(12)可求出所有的特征點(diǎn)，再將求出的特征點(diǎn)代入式(9)，可以得到各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的參數(shù)表達(dá)式：

(13)

當(dāng)前，三次B樣條插補(bǔ)算法可分為：等參數(shù)插補(bǔ)算法、恒速度插補(bǔ)算法、基于精度要求的插補(bǔ)算法、基于加速度要求的插補(bǔ)算法和基于精度和加速度要求的插補(bǔ)算法5種類型[6]。為實(shí)現(xiàn)焊接速度的恒定需求，本文采用恒速度的三次均勻B樣條插補(bǔ)算法。其計(jì)算步驟如下：

(1)根據(jù)l=v·T，確定進(jìn)給弦長(zhǎng)l。

(3)令ui=ui+1(當(dāng)ui+1>1時(shí)，對(duì)下一段的參數(shù)表達(dá)式進(jìn)行插補(bǔ))，重復(fù)以上步驟就可求出所有的插補(bǔ)點(diǎn)。

要求出|dP(u)/du|的值，需要知道焊接位置點(diǎn)在笛卡爾坐標(biāo)系下的表達(dá)式。由于本課題中有旋轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸，且各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的參數(shù)表達(dá)式不是在笛卡爾坐標(biāo)系下求出的，需要將其轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系下才能求出|dP(u)/du|。以下說明求解|dP(u)/du|的基本過程。

焊機(jī)復(fù)位后，升降軸線和擺動(dòng)軸線的交點(diǎn)A到焊機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線的距離為L(zhǎng)1，到焊機(jī)坐標(biāo)系XoOoYo面的距離為L(zhǎng)2，擺動(dòng)桿長(zhǎng)為L(zhǎng)3。根據(jù)馬鞍形焊縫焊機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以回轉(zhuǎn)主軸軸線和減速器底面的交點(diǎn)為焊機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)Oo，建立焊機(jī)坐標(biāo)系Oo-XoYoZo，如圖4所示。與焊機(jī)復(fù)位時(shí)相比，焊機(jī)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)情況如下：旋轉(zhuǎn)軸從X軸正向開始按逆時(shí)針方向繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度為θ，徑向軸沿X軸的移動(dòng)距離為s，擺動(dòng)軸的擺動(dòng)角度為β。設(shè)焊槍末端點(diǎn)在焊機(jī)坐標(biāo)系中的位置為(x,y,z)，則其表達(dá)式為：

(14)

由于x、y、z都是關(guān)于s、h、θ的表達(dá)式，且s、h、θ又都是關(guān)于參數(shù)u的表達(dá)式，故可得：

(15)

對(duì)復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)得：

(16)

將式(16)代入式(15)可得dP(u)/du。若接管半徑r=250 mm，筒體半徑R=800 mm，插補(bǔ)周期T=0.02s，焊接速度v=10 mm/s、L1=400 mm、L2=100 mm、擺動(dòng)桿L3=100 mm、擺桿夾角β=4°。焊接前在試運(yùn)行模式下，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)焊槍進(jìn)行調(diào)整，得到的示教點(diǎn)如表1所示。

通過MATLAB仿真得到的馬鞍形曲線直接插補(bǔ)和示教方式規(guī)劃的焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖5所示。由圖可知，直接插補(bǔ)段插補(bǔ)結(jié)果是馬鞍形曲線的一部分，示教編程段規(guī)劃出的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條光滑的曲線，其與直接插補(bǔ)段連接處過渡平滑，證實(shí)了該軌跡規(guī)劃策略的合理性和可行性。

表1 示教點(diǎn)

示教點(diǎn)θ/rads/mmh/mm11.5708143.0240.0621.7952140.1840.9132.0196138.8137.3042.2440137.3527.4552.4684139.9019.7062.6928140.2710.2372.9172141.744.2883.1415143.020.00

3 數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

本文選用WINDOWS XP為數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，采用VC + + 6.0開發(fā)工具，通過調(diào)用PCOMM32.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)工控機(jī)和PMAC卡之間的通訊，依據(jù)馬鞍形焊縫焊接對(duì)焊機(jī)的功能要求，基于模塊化設(shè)計(jì)理念開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)軟件，并借助PEWIN軟件對(duì)PMAC卡中相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制模塊

實(shí)時(shí)控制模塊是在PMAC卡固有的模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行的功能模塊開發(fā)，主要包括：插補(bǔ)計(jì)算模塊、伺服控制模塊、開關(guān)量控制模塊和狀態(tài)監(jiān)控模塊。

(1)插補(bǔ)計(jì)算模塊。該模塊的任務(wù)是在一定焊接速度和精度要求的前提下，按照預(yù)處理算法計(jì)算出焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡，再生成各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)指令。本文采用數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)思想，由上位機(jī)完成粗插補(bǔ)、下位機(jī)完成實(shí)時(shí)精插補(bǔ)。粗插補(bǔ)采用馬鞍形曲線直接插補(bǔ)算法或三次均勻B樣條插補(bǔ)算法，精插補(bǔ)采用PMAC卡提供的SPLINE1模式，該模式采用S型曲線加減速，在區(qū)段交界處速度和加速度沒有突變[7]。

(2)伺服控制模塊。由PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡完成位置閉環(huán)，伺服驅(qū)動(dòng)器完成電流和速度這兩個(gè)閉環(huán)的控制。采用PMAC卡為用戶提供的“PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波”的控制算法。

(3)開關(guān)量控制模塊。該模塊主要完成對(duì)馬鞍形焊縫焊機(jī)的開關(guān)量的控制，包括焊接電源開關(guān)，送絲機(jī)開關(guān)，限位開關(guān)等，需要用戶為用到的PMAC卡中的每個(gè)I/O口定義一個(gè)M類變量，編寫相應(yīng)的PLC程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)的邏輯順序控制。

(4)狀態(tài)監(jiān)控模塊。該模塊主要是實(shí)時(shí)地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制卡的狀態(tài)和電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)、位置、速度等信息，并通過雙端口RAM實(shí)現(xiàn)PMAC卡和工控機(jī)的通信。

3.2 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊是數(shù)控系統(tǒng)軟件中非常重要的組成部分，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)置、焊接參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)操作、自動(dòng)定位、故障診斷、加工運(yùn)行等功能。

(1)系統(tǒng)主控模塊。主控模塊要為操作者提供一個(gè)直觀的、友好的操作環(huán)境。主控模塊應(yīng)包含系統(tǒng)控制所需的所有控制按鈕和設(shè)定選擇欄，而且要方便用戶操作。主模塊主要包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、焊接參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)操作、診斷、啟動(dòng)和停止等按鈕。開發(fā)的馬鞍形焊縫焊機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主界面如圖7所示。

(2)焊接參數(shù)設(shè)置模塊。通過對(duì)焊接工件尺寸、坡口尺寸以及焊絲直徑等焊接工藝參數(shù)的設(shè)置，通過調(diào)用多層多道焊接路徑規(guī)劃模塊[8]，計(jì)算出各個(gè)焊道的位置，每焊完一道焊縫，將焊槍進(jìn)行一定的偏移，實(shí)現(xiàn)多層多道連續(xù)自動(dòng)焊接。

(3)示教模塊。將焊槍調(diào)整到焊接起始點(diǎn)，并進(jìn)入試運(yùn)行模式，當(dāng)焊槍偏離標(biāo)準(zhǔn)馬鞍形曲線時(shí)，及時(shí)按下“暫停”按鈕，進(jìn)行人工示教規(guī)劃焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡。示教流程如圖8所示。

4 結(jié)語

本文根據(jù)馬鞍形焊縫焊接的特點(diǎn)和高質(zhì)量焊接要求，基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)了馬鞍形焊縫焊機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。提出的馬鞍形曲線直接插補(bǔ)算法和示教相結(jié)合的軌跡規(guī)劃策略，能有效地控制焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡，且具有較高的軌跡精度。基于模塊化設(shè)計(jì)理念在Window平臺(tái)下采用VC++編程語言開發(fā)了數(shù)控系統(tǒng)軟件，經(jīng)調(diào)試運(yùn)行表明該系統(tǒng)性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬鞍形焊縫焊機(jī)的控制，滿足了壓力容器中接管與筒體的高質(zhì)量焊接要求。

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