基于西門子PLC的激光焊接裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)云 趙凱 侍倩 杜洋 趙維剛

摘要：目前國內(nèi)激光焊接設(shè)備普遍采用基于嵌入式板卡的控制方法，具有穩(wěn)定性低、多軸聯(lián)動(dòng)效果較差等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了基于西門子PLC的高穩(wěn)定性、高精度的標(biāo)準(zhǔn)激光焊接設(shè)備控制系統(tǒng)，突破了任意平面插補(bǔ)曲線的編譯和導(dǎo)入等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)任意兩軸間的直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制，具備任意曲線文件導(dǎo)入解析以及G代碼在線編譯功能，滿足裝備加工需求。

關(guān)鍵詞：激光焊接;PLC;插補(bǔ)曲線;在線編譯

中圖分類號(hào)：TG113 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0122-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.19

0 前言

激光焊接技術(shù)屬于熔融焊接[1]，是以激光束為能源，使其沖擊在焊接接頭上以達(dá)到焊接目的的技術(shù)。激光焊接具有焊接速度快、深度大、熱影響區(qū)小、加工精密等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療電子設(shè)備、汽車工業(yè)、航空航天、電子元件等諸多行業(yè)中[2-3]。激光焊接以其高能束的聚焦方式，在焊接過程中能實(shí)現(xiàn)深熔焊、快速焊等其他焊接工藝較難實(shí)現(xiàn)的形式。

當(dāng)前國內(nèi)中小功率機(jī)床型激光焊接設(shè)備通常采用運(yùn)動(dòng)控制板卡+上位機(jī)的控制方式，具有成本低、開發(fā)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但存在穩(wěn)定性差、精度不高、曲線連接處焊縫質(zhì)量差等缺點(diǎn)。文中針對(duì)五金、電氣柜、辦公家具、制藥機(jī)械等行業(yè)小型工件的焊接需求，基于工業(yè)PLC[4-5]研制了一款焊接精度高、柔性化程度高且性價(jià)比高的標(biāo)準(zhǔn)型激光焊接設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意曲線的平滑焊接，焊縫質(zhì)量好，焊接材料覆蓋鋁合金、不銹鋼、銅合金、以及異種材料間的焊接等，焊縫形式包括對(duì)接焊、疊密封焊、直線焊縫、圓弧焊縫。該裝備能夠?qū)崿F(xiàn)薄壁金屬零件的精密焊接，焊后無變形，強(qiáng)度高，基本無需后處理。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該類設(shè)備控制系統(tǒng)目前主流構(gòu)成有數(shù)控系統(tǒng)、PLC和運(yùn)動(dòng)板卡，其中數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)周期較短，但成本較高且人機(jī)界面相對(duì)固定，適用于本項(xiàng)目的后期高端產(chǎn)品;采用板卡作為運(yùn)動(dòng)控制核心，編程更靈活，可自定義軟件接口，可以通過編程實(shí)現(xiàn)外部圖形文件的讀取，實(shí)現(xiàn)兩軸任意由直線和圓弧組成的插補(bǔ)，但軟件開發(fā)耗時(shí)較長，系統(tǒng)穩(wěn)定性稍差。

綜上，文中選擇成本、開發(fā)復(fù)雜程度、可靠性等方面均較為平衡的西門子工業(yè)PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)三個(gè)直線軸、激光器、邏輯模塊、傳感器模塊等的控制，并可以擴(kuò)充至回轉(zhuǎn)軸，即實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)，具有如下功能和特點(diǎn)，滿足使用要求。

（1）該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意兩軸或三軸的直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng);（2）具備示教和G代碼在線編譯功能;（3）具備任意曲線文件導(dǎo)入和解析功能;（4）配備人機(jī)交互界面，具備自動(dòng)和手輪控制功能，具備工藝參數(shù)保存、修改和選擇功能，具備設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示功能;（5）具備報(bào)警、急停、故障內(nèi)容顯示、系統(tǒng)診斷等功能;（6）系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，維護(hù)擴(kuò)展方便，界面友好直觀。設(shè)備電氣控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)采用PLC+上位機(jī)的控制方式，以西門子PLC 1500T作為控制核心，采用QT開發(fā)平臺(tái)自主進(jìn)行人機(jī)界面開發(fā)，配置數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊。設(shè)備電氣控制系統(tǒng)具體方案是：所有電機(jī)均為總線伺服電機(jī)，通過Profinet總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備三軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制;激光器由西門子的模擬量I/O模塊進(jìn)行功率調(diào)節(jié);急停、限位開關(guān)等信號(hào)由數(shù)字量輸入模塊進(jìn)行采集;電磁閥、三色指示燈、蜂鳴器等由數(shù)字量輸出模塊來進(jìn)行控制;系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用西門子全集成自動(dòng)化軟件TIA portal（博途），對(duì)系統(tǒng)中所有自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試。

1.2 電氣系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型

采用西門子PLC1500T作為控制核心，將標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)控制和安全功能集成在一個(gè)CPU 中實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)配置開發(fā)靈活，易于擴(kuò)展，并具備如下功能和優(yōu)勢(shì)：

（1）通過PROFINET 連接西門子SINAMICS 驅(qū)動(dòng)器，最大程度發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

（2）博途TIA Portal 為控制器、驅(qū)動(dòng)器、HMI 提供統(tǒng)一高效的調(diào)試工程平臺(tái)。

（3）智能、友好的組態(tài)和調(diào)試工具，如凸輪編輯器、控制面板和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)軌跡記錄;

（4）面向工藝對(duì)象（TO）的控制方式，便于工程、調(diào)試和維護(hù)，簡(jiǎn)化了機(jī)器制造商和用戶的工作。

此外西門子PLC1500T可以識(shí)別部分G代碼，如G0，G1，G2，G3，G17，G18，G19等，可以很好地滿足標(biāo)準(zhǔn)焊接設(shè)備的控制需求。

選配西門子SIMOTICS S-1FL6伺服電機(jī)，1FL6支持三倍過載，配合SINAMICS V90驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可形成功能強(qiáng)大的伺服系統(tǒng)，具備自動(dòng)實(shí)時(shí)優(yōu)化功能，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好;具備西門子一站式提供所有組件，集成了PTI、PROFINET等多種上位接口方式，易于使用和擴(kuò)展;采用高品質(zhì)的電機(jī)軸承，電機(jī)防護(hù)等級(jí)IP65;集成安全扭矩停止功能，安全穩(wěn)定性高。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)備控制體系可以分為系統(tǒng)界面模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、激光控制模塊、氣氛控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保存模塊、G代碼文件導(dǎo)入解析模塊等幾部分。其中運(yùn)動(dòng)控制模塊、激光控制模塊、氣氛控制模塊由PLC實(shí)現(xiàn)，其他的由上位機(jī)二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。其中激光和氣氛控制模塊由數(shù)字和模擬輸入輸出模塊實(shí)現(xiàn)。下面主要介紹運(yùn)動(dòng)控制模塊、文件導(dǎo)入解析模塊和系統(tǒng)界面模塊。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)任意曲線導(dǎo)入、參數(shù)導(dǎo)入和存儲(chǔ)等功能，提升系統(tǒng)的靈活性、集成和擴(kuò)展能力，采用QT為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行人機(jī)界面開發(fā)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和邏輯控制基于西門子博途軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，上位機(jī)和PLC之間的通訊采用TCP/IP協(xié)議。根據(jù)上述說明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖2所示，數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

2.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊軟件開發(fā)

運(yùn)動(dòng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)XYZ單軸控制功能、直線/圓弧插補(bǔ)，以及示教（尋點(diǎn)方式）實(shí)現(xiàn)任意多線段、圓弧和整圓的焊接，并實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意曲線焊接功能。

焊接方式包括尋點(diǎn)方式焊接和任意曲線方式焊接兩種方式。

（1）尋點(diǎn)方式焊接。

示教模式下可實(shí)現(xiàn)圓、圓弧與多線段三種加工模式。圓模式下，人機(jī)界面默認(rèn)軌跡點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，同時(shí)預(yù)留出過切角度工藝參數(shù)的設(shè)置窗口，過切角度輸入范圍為0～180°。當(dāng)過切角度設(shè)置為0°時(shí)，通過依次找尋同方向的4個(gè)待加工的圓軌跡上的點(diǎn)（正方向或負(fù)方向），其中點(diǎn)1坐標(biāo)都代表加工起點(diǎn)，如圖4所示，可實(shí)現(xiàn)整圓的焊接;當(dāng)0°<過切角度≤180°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)整圓+過切角度的圓弧焊接。

圓弧模式下，默認(rèn)點(diǎn)數(shù)為3，通過尋找待加工軌跡上的3個(gè)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)360°內(nèi)任意圓弧的焊接。

多線段模式下，默認(rèn)點(diǎn)數(shù)為2，點(diǎn)數(shù)為2時(shí)可實(shí)現(xiàn)一條直線段的加工?？筛鶕?jù)實(shí)際加工需求設(shè)置加工點(diǎn)的個(gè)數(shù)，當(dāng)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為3可實(shí)現(xiàn)兩條連續(xù)直線段的加工，點(diǎn)數(shù)設(shè)置為4可實(shí)現(xiàn)三條連續(xù)直線段的加工，以此類推。

（2）任意曲線方式焊接。

可從外部導(dǎo)入加工G代碼或在線編譯G代碼，加工文件導(dǎo)入、編譯、解析好后，即可點(diǎn)擊焊接按鈕，實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)焊接，此種方式下可以實(shí)現(xiàn)任意由圓弧和直線組成的曲線焊接。

2.2 G代碼文件導(dǎo)入解析模塊軟件開發(fā)

G代碼文件導(dǎo)入解析模塊主要實(shí)現(xiàn)G代碼文件的導(dǎo)入、解析和在線編譯等功能，通過此模塊解析加工曲線的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含每段曲線的中間點(diǎn)或終點(diǎn)坐標(biāo)、曲線類型（直線或圓?。┑刃畔ⅰ?shù)據(jù)解析好后通過TCP/IP協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸給下位機(jī)PLC端的MC MovePath函數(shù)中的PathData 數(shù)據(jù)（DB）塊，通過上述的運(yùn)動(dòng)控制模塊來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加工。解析好后的數(shù)據(jù)格式如圖5所示，此例子中的DB塊名稱為UserPathData，command數(shù)據(jù)類型為數(shù)組，數(shù)組中包含幾組數(shù)據(jù)即代表有幾個(gè)曲線段。

2.3 人機(jī)界面軟件開發(fā)

人機(jī)界面主要包括7個(gè)窗口，分別為主界面、加工界面、任意加工界面、手動(dòng)控制界面、外設(shè)控制界面、報(bào)警界面及參數(shù)設(shè)置界面。

主界面：主要顯示各軸的使能狀態(tài)及通訊狀況，當(dāng)此界面的所有指示燈都顯示為綠色時(shí)，設(shè)備才能正常工作。

加工界面：該界面包含設(shè)備一鍵回零、尋找并記錄焊接軌跡關(guān)鍵點(diǎn)、回焦平面和設(shè)置離焦量等命令?？稍O(shè)置焊接工藝參數(shù)，具備圓、圓弧和多線段三種焊接模式，具備三種焊接模式的示教和加工命令，在任意模式下的示教或加工過程中可暫停和停止當(dāng)前操作，以及錯(cuò)誤復(fù)位等操作。

任意加工：該界面主要針對(duì)任意曲線焊接軌跡加工，提供外部文件導(dǎo)入、軌跡示教、加工、暫停、繼續(xù)加工、停止及錯(cuò)誤復(fù)位等操作。

手動(dòng)控制：該界面可對(duì)各軸進(jìn)行手動(dòng)控制，包含各軸回零、點(diǎn)動(dòng)、絕對(duì)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)等操作。

外設(shè)控制：該界面提供了激光手動(dòng)控制、氣體控制及燈光控制等操作，通過此界面可手動(dòng)控制激光和氣路開啟或關(guān)閉，并可調(diào)節(jié)激光功率。

報(bào)警界面：該界面記錄設(shè)備報(bào)警時(shí)間、報(bào)警內(nèi)容和報(bào)警處理辦法。

參數(shù)設(shè)置：該界面具備參數(shù)導(dǎo)入、參數(shù)另存為、參數(shù)保存等操作，并可顯示當(dāng)前的加工參數(shù)和加工軌跡關(guān)鍵點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）系統(tǒng)采用高可靠性的PLC數(shù)字控制模塊，實(shí)現(xiàn)了直線/圓弧插補(bǔ)，具備手動(dòng)和自動(dòng)操作功能;具備加工示教功能和平面內(nèi)任意加工路徑導(dǎo)入和加工功能;具備狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理與異常管理等功能。狀態(tài)監(jiān)控包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、激光器工作狀態(tài)、工作異常狀態(tài)等監(jiān)控;數(shù)據(jù)管理包括工藝參數(shù)的保存和導(dǎo)入、加工文件的導(dǎo)入等;異常管理包括運(yùn)動(dòng)故障信息、激光器故障信息、伺服系統(tǒng)故障等監(jiān)控與建議解決方案的顯示。

（2）系統(tǒng)裝備實(shí)物如圖9所示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接焊、疊密封焊，直線焊、圓弧焊等。焊接試件如圖10所示。

（3）通過此系統(tǒng)開發(fā)，驗(yàn)證了通過西門子PLC1500T系列實(shí)現(xiàn)多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的可行性，配合上位機(jī)自主開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)文件導(dǎo)入和在線編譯等功能。

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