基于PMAC的攪拌摩擦焊龍門設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張 偉，趙 源，王 超，張書權(quán)

(貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州 遵義 563000)

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步前進(jìn)，制造業(yè)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，各種自動(dòng)化焊接設(shè)備不斷推陳出新，傳統(tǒng)人工焊接作業(yè)模式也逐漸被新的自動(dòng)焊接設(shè)備所取代[1]。其中控制系統(tǒng)的優(yōu)劣對設(shè)備自動(dòng)化程度具有決定性作用，PMAC是DETLA TAU公司針對運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行強(qiáng)化的多軸控制開發(fā)的精密控制器，其具有集成方面可連接多種多樣的其他公司產(chǎn)品，自由構(gòu)筑功能綜合適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)而得到廣泛的運(yùn)用。

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)是一種高效的輕質(zhì)合金焊接方式，主要原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的焊具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部熔化，當(dāng)焊具沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，被塑性化的材料在焊具的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的擠壓下形成致密的固相焊縫[2-3]。FSW具有焊接溫度低、焊接接頭質(zhì)量高、缺陷少、無煙塵、無飛濺、無需填絲、無需開坡口等特點(diǎn)[4-5]，成為鋁、鎂輕質(zhì)合金以及異種金屬連接的高效焊接方式。

攪拌摩擦焊起源于英國焊接研究所，早期的攪拌摩擦焊設(shè)備都是從銑床為藍(lán)本進(jìn)行開發(fā)的[6]。由于其不同的焊接成型方式，對設(shè)備的研究設(shè)計(jì)也提出了新的控制要求。本文基于PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制原理，針對攪拌摩擦焊特殊的加工工藝要求，研究設(shè)計(jì)了一種龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備。

1 控制系統(tǒng)簡介

1.1 攪拌摩擦焊設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)外觀

本攪拌摩擦焊設(shè)備主體為龍門式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括主軸部分共6個(gè)被控電機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從圖中可看出，龍門架移動(dòng)方向?yàn)閄軸；內(nèi)部矩形梁可沿龍門架上下移動(dòng)，移動(dòng)方向?yàn)閆軸；矩形梁內(nèi)部主機(jī)頭可左右移動(dòng)方向?yàn)閅軸。X軸與Z軸采用雙電機(jī)同步控制，Y軸為單電機(jī)控制方式，龍門軸均采用伺服電機(jī)控制，加裝外部位移傳感器，保障了各軸精度。主軸部分采用西門子1FE系列主軸電機(jī)，130N/M大扭矩輸出保障焊接效果。

1.2 控制要求

為滿足設(shè)備自動(dòng)焊接以及手動(dòng)操作等使用要求，明確了控制要求主要為以下幾點(diǎn)：

1)編程加工，編輯并執(zhí)行加工程序，使設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)多軸協(xié)同加工并完成各種尺寸焊縫的焊接要求；

2)定位精度與重定位精度，焊接過程中的精度控制一直是體現(xiàn)設(shè)備性能的重要參數(shù)，提升定位與重定位精度，是提升焊接質(zhì)量的重要保證；

3)手輪操作，使用手搖脈沖發(fā)生器對各運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行單軸移動(dòng)和簡單示教；

4)同步控制，X軸與Z軸均為同步軸，運(yùn)動(dòng)過程中需實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)同步控制；

5)下壓量控制，攪拌摩擦焊尤其是焊接鋁鎂等輕合金過程中可能產(chǎn)生變形或飛邊，需要根據(jù)材料的變化去調(diào)整攪拌針的下壓量，同時(shí)不影響其他龍門軸X、Y、Z的坐標(biāo)軌跡與運(yùn)行狀態(tài)；

6)機(jī)床輔助功能，如龍門軸的潤滑、設(shè)備照明等功能。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)備選用CK3M系列控制器，CK3M是在緊湊型外殼中匯集了PMAC的強(qiáng)大運(yùn)動(dòng)控制能力、多廠商和高開發(fā)自由度的歐姆龍新一代運(yùn)動(dòng)控制器。為滿足A/B相信號的手輪脈沖使用要求，CPU型號選擇CPU121；軸模塊選擇含4組電機(jī)輸入輸出通道的AX1515N模塊，軸通道具有支持脈沖輸入，可接手輪信號等功能，特別地由于設(shè)備所需電機(jī)通道數(shù)為6組，需搭建兩組軸模塊，每組軸模塊內(nèi)置16輸入、16輸出的數(shù)字IO點(diǎn)可供手輪軸選、倍率、機(jī)床輔助信號等使用；控制器電源選擇型號PD048，標(biāo)準(zhǔn)化24V，100W電源；CK3M系列控制器模塊化安裝，無需連接，其布局示意圖如圖2所示。

圖2 PMAC控制器結(jié)構(gòu)圖

工控機(jī)通過以太網(wǎng)端口與CPU模塊連接，運(yùn)行上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的JOG控制、查詢驅(qū)動(dòng)器報(bào)警信息、龍門軸坐標(biāo)顯示、編輯和運(yùn)行加工程序以及包括機(jī)床照明、潤滑泵等輔助功能的控制。龍門X、Y、Z軸采用松下A5系列伺服電機(jī)，控制模式為位置控制模式，加裝的外部位移傳感器為FAGOR光柵尺接入驅(qū)動(dòng)器X5口，分辨率達(dá)到0.05 μm，實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)反饋控制。主軸采用西門子1FE1084電主軸，配備SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器，主軸減速比3∶1，為攪拌摩擦焊的焊接任務(wù)提供強(qiáng)勁、穩(wěn)定的動(dòng)力。

手輪的脈沖信號同樣作為PWM信號由AX1515N端口，使用一個(gè)軸輸入通道接入控制系統(tǒng)，手輪的軸選、倍率等信號，與機(jī)床照明、潤滑等輔助信號一起通過AX1515N軸模塊內(nèi)置的數(shù)字IO點(diǎn)接入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)硬件清單如表1所示。

表1 硬件系統(tǒng)清單

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對攪拌摩擦焊焊接工藝與設(shè)備控制要求的整體分析，利用PMAC軟件特性，在其獨(dú)有的調(diào)試軟件Power PMAC IDE(以下簡稱IDE)上，采用C#語言編寫控制系統(tǒng)軟件邏輯，以邏輯思維實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各項(xiàng)控制要求，軟件邏輯模塊如圖3。

圖3 軟件控制模塊

本設(shè)備所涉及控制系統(tǒng)主要包括變量定義、軸配置、PLC以及編程加工等部分，以下為各部分功能介紹。

1)全局變量模塊：系統(tǒng)啟動(dòng)后，全局變量被應(yīng)用在各個(gè)模塊中，包括減速比、IO信號定義、電機(jī)通道分配以及其他中間變量。

2)軸配置模塊：在PMAC中，對于龍門式雙電機(jī)控制結(jié)構(gòu)有一種特殊的“主/從”控制模式，此模式下從動(dòng)電機(jī)執(zhí)行主動(dòng)電機(jī)的指令和計(jì)算軌跡，在電機(jī)配置文件中定義主從電機(jī)，定義規(guī)則如下：

#1->X //指定電機(jī)1為X軸

#2->0 //未指定電機(jī)2

Motor[1].ServoCtrl=1

Motor[2].ServoCtrl=8

Motor[2].CmdMotor=1 //序號2電機(jī)跟隨序號1電機(jī)

除龍門軸外，主軸同樣占用一個(gè)軸通道，與龍門軸不同，主軸采用速度控制模式，利用0～10V的模擬量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過S120驅(qū)動(dòng)器的X482口與PMAC控制器可進(jìn)行連接。

3)PLC：為實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)備使用的復(fù)雜功能，利用軟件特性以C#語言編寫PLC程序，包括電機(jī)使能規(guī)則、龍門電機(jī)跟隨要求、潤滑泵工作邏輯、下壓量控制、手輪操作以及工作狀態(tài)報(bào)警中斷處理等，在全局定義文件中寫入啟動(dòng)條件可設(shè)置PLC程序開機(jī)自啟動(dòng)。

其中手輪操作是以PLC邏輯定義軸選、倍率等規(guī)則，在選擇軸選與倍率后，手輪將代替控制器發(fā)出脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成相應(yīng)的動(dòng)作。

同步跟隨功能由于已在配置文件中定義主從電機(jī)，為保證龍門跟隨誤差，在PLC模塊中建立一個(gè)主從電機(jī)的跟隨邏輯以及跟隨超差后的中斷處理邏輯，這樣即使因外部力量造成龍門偏差，也可以及時(shí)停機(jī)以保障設(shè)備安全。

機(jī)床輔助功能同樣以PLC方式運(yùn)行，控制潤滑泵以間隔一定時(shí)間的方式運(yùn)行一段時(shí)間，然后無限循環(huán)，利用PMAC控制器enable/disable PLC*指令，可以隨時(shí)啟停該P(yáng)LC，使用方式靈活自由。

焊接過程中的下壓量控制，采用手輪調(diào)節(jié)的方式，將手輪脈沖通過電機(jī)通道輸入控制器，并將此脈沖加到Z軸坐標(biāo)，此時(shí)“Z軸目標(biāo)位置=Z軸坐標(biāo)+手輪脈沖”，經(jīng)過簡單的換算即可實(shí)現(xiàn)，這樣即使Z軸已參與到加工程序中，仍然不影響手輪調(diào)整下壓量這個(gè)功能。

4)編程加工：由于龍門軸采用絕對式編碼器，系統(tǒng)啟動(dòng)后即可讀取各軸坐標(biāo)位置，PMAC支持使用標(biāo)準(zhǔn)G代碼編輯加工程序，在上位機(jī)中，操作人員可根據(jù)實(shí)際工藝需求編程并通過以太網(wǎng)口寫入控制器。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 設(shè)備整體圖

設(shè)備完成安裝調(diào)試與集成聯(lián)調(diào)后，現(xiàn)場座試板焊接試驗(yàn)以測試其控制系統(tǒng)，設(shè)備整體照片如圖4；隨后采用厚6 mm，長200 mm的5A06鋁合金進(jìn)行設(shè)備焊接試驗(yàn)驗(yàn)證，焊接前使用酒精清洗試板待焊區(qū)域，采取對接方式焊接，并使用焊接工裝固定試板。主軸傾角2.5°，下壓量0.1～0.2 mm之間。取4組試板，分別驗(yàn)證4組焊接參數(shù)對焊縫宏觀形貌的影響，具體焊接參數(shù)如表2所示。

表2 試板焊接參數(shù)

焊縫宏觀形貌如圖5。結(jié)果表明，試板焊縫一次成型，焊縫魚鱗紋均勻密布，焊接過程中使用手輪低倍率檔調(diào)節(jié)Z軸控制主軸下壓量；不同的焊接參數(shù)下焊縫表面均未出現(xiàn)明顯飛邊、毛刺，焊穿或未焊透等現(xiàn)象，焊縫成型好。因此采用PMAC控制器為核心的龍門式攪拌摩擦焊接設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中具有優(yōu)良的焊接優(yōu)勢。

圖5 焊接效果

5 結(jié)論

本文所研究的基于PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器已研制完成并投入使用，不僅提升批產(chǎn)任務(wù)的焊接效率，也改善了因下壓量等工藝參數(shù)帶來的飛邊、毛刺等問題，這直接影響了產(chǎn)品焊接過程中的焊縫一致性與焊接效果等質(zhì)量問題。帶來生產(chǎn)效率提升的同時(shí)，也大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，對改善工廠環(huán)境、減輕特種作業(yè)職業(yè)病危害都有一定的作用。