馬鞍形焊縫焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛良豪，魏 敏，楊 濤，盧永鑫

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆維吾爾自治區(qū) 石河子 832000)

0 引言

隨著“一帶一路”國家戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，沿線城市和國家的基礎(chǔ)建設(shè)在不斷擴(kuò)大的同時(shí)，工業(yè)中壓力容器的需求量也在逐步增加[1-2]。而在壓力容器的生產(chǎn)制造中，經(jīng)常會遇到筒體與接管的焊接問題，有時(shí)一個(gè)壓力容器需要焊接數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)接管[3-4]。工程中將這種筒體與接管正交所形成的相貫線曲線稱為三維標(biāo)準(zhǔn)馬鞍形空間曲線[5-6]。

本文針對大型壓力容器的馬鞍形焊縫焊接特點(diǎn)，提出了一種馬鞍形焊縫焊接設(shè)備，以及一種基于可編輯邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)和觸摸屏的馬鞍形焊縫焊接系統(tǒng)的控制方式。

整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、自動(dòng)化程度高、焊接效率高，在鍋爐、壓力容器、管道工程、核電等行業(yè)中具有巨大的市場前景[7]。

1 龍門式馬鞍形焊縫焊接機(jī)器人

目前，針對大型壓力容器的馬鞍形焊縫焊接，由于其筒體和接管的管徑大、自身重、運(yùn)動(dòng)需要較大的動(dòng)力等突出問題，使得一些適用于小管徑的相貫線焊接設(shè)備不能很好地應(yīng)用到大型壓力容器的焊接工作中。而從國外引進(jìn)的先進(jìn)焊接設(shè)備存在成本高、后期維修困難等問題。因此，針對此類型的馬鞍形焊縫，大部分企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的手工焊進(jìn)行焊接。手工焊不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且對工人的技術(shù)水平要求高，焊后一致性也較差[8-10]。

針對手工焊接遇到的難題，本文設(shè)計(jì)了一種基于龍門式大型壓力容器的馬鞍形焊縫焊接機(jī)器人。整套機(jī)器包括龍門架升降機(jī)構(gòu)、焊槍上下提升機(jī)構(gòu)、機(jī)身水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和焊槍夾持機(jī)構(gòu)。

龍門架升降機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)身的上下移動(dòng)，機(jī)身水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)身水平方向的移動(dòng)。在龍門架升降機(jī)構(gòu)和機(jī)身水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)的相互配合下，能將通過三爪卡盤夾緊的接管移動(dòng)到壓力容器筒體的正上方。

焊槍夾持機(jī)構(gòu)前端安裝有焊槍，通過機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)馬鞍形焊縫水平面的圓周運(yùn)動(dòng)。

焊槍上下提升機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)馬鞍形焊縫的落差運(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)機(jī)構(gòu)的作用下完成馬鞍形焊縫的焊接。

2 焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)原理及構(gòu)成

馬鞍形焊縫焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)由上位機(jī)觸摸屏、下位機(jī)PLC、懸臂控制箱、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、交流電機(jī)、調(diào)速器等構(gòu)成。

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

PLC作為主控制器，利用其多路脈沖輸出功能，通過輸出脈沖給驅(qū)動(dòng)器，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，完成馬鞍形焊縫的焊接工作。本系統(tǒng)使用伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，并要求PLC能產(chǎn)生高平率的脈沖。本控制系統(tǒng)采用維控科技LX3VE-3624MT-A型號的運(yùn)動(dòng)PLC。該P(yáng)LC采用24 V直流電供電，60點(diǎn)輸入/輸出占用點(diǎn)數(shù)。其中，輸入點(diǎn)數(shù)36點(diǎn)、輸出點(diǎn)數(shù)24點(diǎn)；具有4路高速脈沖輸出功能，最高可輸出200 kHz的高速脈沖，可以進(jìn)行4軸同步定位控制(2軸同時(shí)啟動(dòng)的簡易線性插補(bǔ))；結(jié)合線性插補(bǔ)、2軸間的圓弧插補(bǔ)以及連續(xù)軌跡控制，可輕松實(shí)現(xiàn)平滑的定位控制。

高速脈沖輸出包括脈沖串輸出(pulse train output,PTO)和脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)。前者輸出一串脈沖(占空比50%)，使用戶可以控制脈沖的周期和個(gè)數(shù)；后者可以輸出連續(xù)的、占空比可調(diào)制的脈沖串，使用戶可以控制脈沖的周期和脈寬。脈沖波形分別輸入驅(qū)動(dòng)器后，電機(jī)將接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移和角速度，實(shí)現(xiàn)馬鞍形焊縫的自動(dòng)焊接。

在進(jìn)行焊接工作前，首先將編寫好的馬鞍形焊縫插補(bǔ)程序上傳到PLC中，然后在觸摸屏的人機(jī)界面內(nèi)輸入相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)。上位機(jī)觸摸屏通過算法分析提取出焊槍擺在空間中的運(yùn)行軌跡，并根據(jù)空間曲線計(jì)算相應(yīng)各軸的運(yùn)動(dòng)脈沖和速度；將各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)先存儲在PLC的指定存儲區(qū)內(nèi)，并以文檔的形式保存。

在控制程序開始運(yùn)行時(shí)，PLC進(jìn)入掃描周期。PLC按用戶編輯的運(yùn)動(dòng)控制程序順序執(zhí)行操作，當(dāng)檢測到滿足脈沖輸出條件或遇到驅(qū)動(dòng)電機(jī)指令時(shí)，會到預(yù)定好的地址提取脈沖及速度的操作數(shù)，供程序使用。

觸摸屏軟件設(shè)計(jì)主要由操作按鈕畫面、焊接工藝參數(shù)數(shù)值輸入畫面等部分組成。本系統(tǒng)采用型號為LEVI102EL的觸摸屏，使用 USB 快速上下載已經(jīng)編輯好的程序，同時(shí)可與PLC之間通過RS-485或RS-422串口進(jìn)行通信。觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)采用維控中文組態(tài)軟件LEViStudio進(jìn)行編輯，利用軟件中提供的各種屬性的元件開關(guān)進(jìn)行人機(jī)界面的編輯。編輯時(shí)，可與PLC的程序軟件地址一一對應(yīng)。

3 馬鞍形焊縫軌跡的插補(bǔ)分析

由空間曲線馬鞍形焊縫的幾何特征可以看出，三維空間曲線馬鞍形焊縫可以分解成兩個(gè)二維平面插補(bǔ)算法來擬合。

對空間曲線馬鞍形焊縫在XOY平面內(nèi)的正投影，采用平面圓弧插補(bǔ)方法。Z軸方向上的馬鞍形焊縫落差通過該曲線與Z軸的空間幾何關(guān)系來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算。

馬鞍形焊縫參考示意圖如圖2所示。

圖2 馬鞍形焊縫參考示意圖

由控制系統(tǒng)硬件原理可知，在整個(gè)伺服系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)器將控制脈沖信號傳輸給伺服電機(jī)后，伺服電機(jī)將脈沖信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移和角速度，以控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)焊槍完成馬鞍形焊縫的焊接。

伺服控制系統(tǒng)位置反饋如圖3所示。

圖3 伺服控制系統(tǒng)位置反饋圖

將角度插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)定義程序?qū)隤LC控制器中?？刂破魍ㄟ^將脈沖信號傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)完成相應(yīng)的算法動(dòng)作。在焊槍回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng)的共同作用下，可實(shí)現(xiàn)馬鞍形焊縫的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，完成焊槍的焊接工作。

取脈沖上升沿輔助繼電器M100在焊接機(jī)器人焊接準(zhǔn)備程序中表示緊急停止，輔助繼電器M101表示自動(dòng)啟動(dòng)，輔助繼電器M102表示插補(bǔ)啟動(dòng)，輔助繼電器M101在焊接機(jī)器人自動(dòng)啟動(dòng)程序中表示自動(dòng)啟動(dòng)。

4 馬鞍形焊縫焊接試驗(yàn)

根據(jù)焊接工藝要求，選取合適的壓力容器進(jìn)行馬鞍形焊縫的焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，三爪氣動(dòng)卡盤通過將接管夾緊與筒體上的馬鞍形焊縫進(jìn)行定位。定位完成后，按下卡盤卡緊控制按鈕，即可完成焊接前的定位工作。然后，按下自動(dòng)焊接按鈕。焊槍會在未起弧的條件下自動(dòng)走一圈馬鞍形焊縫的焊接軌跡，以驗(yàn)證馬鞍形焊縫軌跡的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證無誤后，按下焊接準(zhǔn)備和自動(dòng)焊接按鈕，焊槍正式進(jìn)入焊接工作，并按照剛剛行走的軌跡進(jìn)行焊接。

焊接機(jī)器人現(xiàn)場運(yùn)行表明，焊槍能夠按照預(yù)設(shè)的焊接軌跡對焊縫進(jìn)行焊接，整套控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、操作方便，焊接效果理想。

本次試驗(yàn)選取的焊接試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。其中，焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊。

表1 焊接試驗(yàn)參數(shù)

5 結(jié)束語

本文研究的基于龍門架式的馬鞍形焊縫焊接機(jī)器人，是一種在筒體和接管相對固定的情況下，在插補(bǔ)算法的基礎(chǔ)上，由機(jī)械、電氣、PLC 和觸摸屏等元件構(gòu)成的復(fù)雜的機(jī)電一體化工業(yè)裝備。

在充分利用了PLC 控制的靈活性以及觸摸屏在可視化方面的便捷性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和觸摸屏的馬鞍形焊縫焊接控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足了不同規(guī)格工件的馬鞍形焊縫焊接需求，實(shí)現(xiàn)了大型壓力容器馬鞍形焊縫的自動(dòng)化焊接，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。