基于PLC和模糊控制算法的鋼筋網(wǎng)焊接控制系統(tǒng)設(shè)計＊

姜哲，魯守銀，于世偉，張強(qiáng)，李志鵬

(1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000；2.山東建筑大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與智能系統(tǒng)研究院)

0 引言

鋼筋網(wǎng)的應(yīng)用，對地下巷道、地上建筑起到了加固作用[1]，提高了抗震能力。同時，核試驗過程中會產(chǎn)生大量的電磁脈沖，在混凝土層中添加鋼筋網(wǎng)片則對電磁脈沖具有很強(qiáng)的屏蔽效能[2]。在焊接鋼筋網(wǎng)施工過程中，發(fā)現(xiàn)人工焊接的鋼筋網(wǎng)存在著夾渣、氣孔、焊縫不飽滿、凹坑等問題，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量[3]。

因此，許多研究人員進(jìn)行了自動化設(shè)備的研發(fā)。如王希靖等設(shè)計了一種鋼筋網(wǎng)抓取搬運(yùn)機(jī)械手[4]，焦建等設(shè)計了一種鋼筋網(wǎng)焊機(jī)自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)[5]。這些研究成果中，研究重點大多放在局部的設(shè)備或控制上，盡管也有系統(tǒng)研制，但效率和鋼筋網(wǎng)網(wǎng)距的控制精度上很難滿足當(dāng)前對鋼筋網(wǎng)片的需求。為了提高控制精度和生產(chǎn)效率，我們研制了一種基于PLC、應(yīng)用伺服電機(jī)的鋼筋網(wǎng)焊接控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)流程的快速、精準(zhǔn)的自動控制[6,7]。同時，待焊鋼筋在制作、運(yùn)輸中難免會出現(xiàn)不同程度的形變，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，需要根據(jù)不同形變進(jìn)行待焊件與焊接裝置的焊接距離的自動調(diào)節(jié)。我們應(yīng)用模糊控制算法，基于焊接裝置與待焊鋼筋的接觸壓力，做到快速、高效地調(diào)整焊接距離，確保順利完成鋼筋網(wǎng)片的焊接工作。

1 系統(tǒng)的硬件組成

在鋼筋網(wǎng)片的自動焊接工作中，鋼筋網(wǎng)的經(jīng)、緯狀鋼筋準(zhǔn)確定位和有序的排列是鋼筋網(wǎng)焊接工作中的難題。為了實現(xiàn)鋼筋網(wǎng)經(jīng)、緯狀鋼筋的自動排列，設(shè)計鋼筋網(wǎng)焊接系統(tǒng)的硬件部分主要包括緯狀鋼筋送料裝置、緯狀鋼筋傳動裝置、經(jīng)狀鋼筋傳動裝置、電阻焊接裝置。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案示意圖

2 基于PLC的控制系統(tǒng)組成

鋼筋網(wǎng)焊接控制系統(tǒng)總體控制框圖如圖2 所示，主要包括經(jīng)狀鋼筋控制部分、緯狀鋼筋控制部分、焊接裝置控制部分、信息采集部分。經(jīng)狀鋼筋控制部分主要是基于PLC 對伺服控制器的編程控制，通過設(shè)置多條運(yùn)行曲線的速度、距離、加減速的大小，以及運(yùn)行曲線的有序控制，實現(xiàn)了傳動單元的往復(fù)運(yùn)動控制[8,9]。緯狀鋼筋控制部分主要是基于PLC 對伺服控制器的編程控制，通過設(shè)置相對位移運(yùn)動的速度、位置等，實現(xiàn)了緯狀鋼筋控制中的旋轉(zhuǎn)取料單元的運(yùn)動控制。

圖2 控制系統(tǒng)總體控制框圖

3 PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC的硬件設(shè)計

控制柜內(nèi)主要包括PLC、觸摸屏、伺服電機(jī)控制器和變頻器。系統(tǒng)通過電源轉(zhuǎn)換模塊對PLC、觸摸屏、伺服電機(jī)控制器和變頻器進(jìn)行供電。PLC、觸摸屏和伺服電機(jī)控制器之間通過網(wǎng)線進(jìn)行連接。PLC與變頻器之間通過I/O 模塊進(jìn)行連接。伺服電機(jī)控制器與伺服電機(jī)之間通過數(shù)據(jù)傳輸電纜和供電電纜進(jìn)行連接。

3.2 通訊系統(tǒng)設(shè)計

鋼筋網(wǎng)焊接控制系統(tǒng)通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖3 所示。整個控制系統(tǒng)通過采用S7-1200 系列PLC作為主控單元。主控單元通過PN/IE 通訊協(xié)議與經(jīng)、緯狀鋼筋的伺服電機(jī)控制器和觸摸屏相連接，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)100Mb/s，通訊穩(wěn)定而且高效。PLC 通過I/O模塊采集檢測開關(guān)的信息，并且完成對變頻器、電磁閥的控制。

圖3 控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

3.3 電路原理設(shè)計以及PLC I/O分配

為了滿足鋼筋網(wǎng)焊接控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，PLC選用了西門子S7-1215C 型控制器，控制器具有14 個數(shù)字量輸入接口支持6 組100KHz 高速計數(shù)器、二路模擬量輸入接口、二路模擬量輸出接口、10 個數(shù)字量輸出接口支持四組高速脈沖輸出、二路以太網(wǎng)通訊接口。且系統(tǒng)通過交換機(jī)對網(wǎng)口進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)I/O分配情況詳見表1。

表1 PLC I/O分配

3.4 PLC的軟件設(shè)計

3.4.1 緯狀鋼筋送料、傳動裝置控制程序設(shè)計

緯狀鋼筋送料裝置主要包括鋼筋存儲單元、震動出料單元。緯鋼筋傳動裝置主要包括伺服電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)取料單元。在系統(tǒng)啟動之前，由人工把裁剪完成的鋼筋放置到緯狀鋼筋存儲單元。震動出料電機(jī)安裝在緯狀鋼筋存儲單元上，在系統(tǒng)啟動之后，震動電機(jī)以一定的時間間隔進(jìn)行震動，緯狀鋼筋存儲單元上的緯狀鋼筋逐步的向環(huán)形伺服取料單元移動。

在緯狀鋼筋傳動之前，需要完成伺服電機(jī)尋零與準(zhǔn)備工作。均勻分布在旋轉(zhuǎn)取料機(jī)構(gòu)的取料口A、B、C、D 直徑比緯狀鋼筋的直徑大1-2 毫米，伺服電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)取料機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)取料，取得獲取且僅獲取一條緯狀鋼筋的效果。實現(xiàn)了緯狀鋼筋的自動上料以及經(jīng)、緯鋼筋自動組合成為鋼筋網(wǎng)片。具體工作流程如圖4所示。

圖4 緯狀鋼筋傳動裝置工作流程圖

3.4.2 經(jīng)狀鋼筋傳動裝置控制程序設(shè)計

經(jīng)狀鋼筋傳動裝置主要包括經(jīng)狀鋼筋傳動單元、固定單元。其中，傳動單元是由伺服電機(jī)帶動的移動裝置，固定單元是由氣缸驅(qū)動的可移動夾爪。夾爪固定在由伺服電機(jī)帶動的移動裝置上，跟隨移動裝置進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。在系統(tǒng)啟動之前，由伺服控制器與伺服原點檢測和尋零檢測相互配合，完成伺服尋零工作。由人工輔助環(huán)形鋼筋拉直裁剪機(jī)構(gòu)，完成對經(jīng)狀鋼筋的上料工作。

上料完成之后，經(jīng)狀鋼筋到位檢測被觸發(fā)，經(jīng)狀鋼筋傳動裝置完成啟動之前的準(zhǔn)備工作。經(jīng)狀鋼筋傳動裝置安裝有伺服電機(jī)限位檢測，確保經(jīng)狀鋼筋傳動裝置工作在直線滑動導(dǎo)軌上的一定范圍內(nèi)，當(dāng)觸發(fā)伺服電機(jī)限位檢測，系統(tǒng)發(fā)出報警并停止運(yùn)行。在經(jīng)狀鋼筋的上料工作完成之后，根據(jù)設(shè)定好的位移，移動裝置帶動經(jīng)狀鋼筋移動至緯狀鋼筋放置處。隨后，在PLC 的控制下，單個緯狀鋼筋放置完成。經(jīng)狀鋼筋傳動裝置安裝有緯狀鋼筋到位傳感器，當(dāng)緯狀鋼筋放置到位后，PLC 確認(rèn)經(jīng)、緯狀鋼筋放置完成，向焊接裝置發(fā)送焊接指令，控制上部電極下壓，完成單條鋼筋的焊接任務(wù)。根據(jù)設(shè)定的緯狀鋼筋的數(shù)量，經(jīng)狀鋼筋移動裝置步進(jìn)相同次數(shù)的小位移，整個鋼筋網(wǎng)被焊接完成。具體的工作流程如圖5所示。

圖5 經(jīng)狀鋼筋傳動裝置工作流程圖

3.4.3 伺服電機(jī)控制程序設(shè)計

根據(jù)設(shè)定的緯狀鋼筋傳動裝置和經(jīng)狀鋼筋傳動裝置的工作流程，對伺服控制算法進(jìn)行編寫、調(diào)試。伺服部分運(yùn)行程序如表2 所示。其中，句1-3 用來確認(rèn)伺服電機(jī)是否做好運(yùn)動前的準(zhǔn)備工作；句7 代表了伺服電機(jī)工作模式選擇；句8 代表了伺服電機(jī)運(yùn)行速度、距離的賦值；句9 代表了伺服動作命令；句10 代表伺服電機(jī)執(zhí)行結(jié)果反饋。

表2 伺服電機(jī)控制算法

3.5 觸摸屏程序設(shè)計

為了更好的方便操作人員本控制系統(tǒng)進(jìn)行操作與控制，系統(tǒng)采用了TP1200系列精致面板開發(fā)了人機(jī)操作界面。觸摸屏作為系統(tǒng)顯示以及參數(shù)輸入單元，可以對系統(tǒng)故障信息，伺服電機(jī)的狀態(tài)信息等進(jìn)行顯示；可以對伺服電機(jī)的工作運(yùn)行曲線相對、絕對位移大小進(jìn)行設(shè)置；可以選擇系統(tǒng)的工作模式，包括手動模式、尋零模式、自動模式。部分畫面如圖6所示。

圖6 觸摸屏部分設(shè)計畫面

4 模糊控制算法

電阻點焊焊接，是一種在待焊件上下方向上增加壓力，使得待焊件之間緊密接觸，然后施加焊接電流，使得待焊件之間形成熱熔焊點的焊接方法。焊接流程包括預(yù)壓焊件、焊接、維持焊點、焊接完成四個過程[10]。常規(guī)的焊接裝置，待焊件上施加的壓力保持恒定。這種給定焊接壓力的方式，會出現(xiàn)兩種問題，如果焊接壓力過小，則會引起的焊接點虛焊，如果焊接壓力過大，則會造成待焊件的損傷。為了解決焊點與待焊接鋼筋的壓力均衡問題，基于模糊控制算法，控制焊接裝置的下壓動作，動態(tài)的調(diào)節(jié)焊點與待焊鋼筋的接觸壓力。

4.1 模糊控制工作流程

為了實現(xiàn)動態(tài)的調(diào)節(jié)焊點與待焊鋼筋的接觸壓力，我們在焊接裝置上增加壓力檢測開關(guān)，動態(tài)采集焊接單元與待焊鋼筋之間的壓力大小，通過標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號把采集到的壓力傳輸給PLC。PLC通過采集到的壓力與設(shè)定的壓力進(jìn)行比較，來控制焊接裝置的下壓與抬升。

4.2 模糊化

對焊接裝置設(shè)計了一個二維模糊控制器，能夠比較嚴(yán)格的反映焊接裝置下壓過程中輸出量的動態(tài)性能[11]。將焊接裝置的力傳感器反饋的壓力值與設(shè)定值的誤差E以及誤差變化率EC作為輸入，輸出U定義為焊接裝置上下動作的快慢。誤差E、誤差變化率EC 的模糊集設(shè)定為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，控制量U 的模糊集設(shè)定為：{NM，NS，ZO，PS，PM}，選定誤差E 和誤差變化率EC 的論域為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，控制量U 的論域為：{-90，-60，-40，-20，-10，0，10，20，40，60，90}。

4.3 模糊推理規(guī)則

根據(jù)邏輯推理，誤差E以及誤差變化率EC的變化規(guī)律，以及焊接裝置在焊接過程中的運(yùn)動特性。通過控制帶動焊接裝置上下動作的電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)調(diào)整焊接裝置與待焊接鋼筋的壓力大小。當(dāng)誤差為0 以及誤差變化率很小時，說明無需繼續(xù)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)；當(dāng)誤差很大時，說明需要進(jìn)行調(diào)整下壓或者抬起，即改變電機(jī)的快速正轉(zhuǎn)或者快速反轉(zhuǎn)。根據(jù)系統(tǒng)力傳感器反饋的壓力值與設(shè)定值的誤差E以及誤差變化率EC 的變化趨勢來消除系統(tǒng)誤差的模糊控制規(guī)則，用以下語句來描述：

4.4 反模糊化

根據(jù)輸入的誤差E 以及誤差變化率EC 所對應(yīng)的輸入模糊論域的元素，經(jīng)過模糊推理規(guī)則，找到相應(yīng)的模糊推理輸出量，再與量化比例系數(shù)進(jìn)行運(yùn)算得到實際的輸出量[12]。將模糊化原則所得到的輸出量的各個元素與這些元素所對應(yīng)得論域相乘取得輸出平均值。本算法采用重心法將模糊控制量轉(zhuǎn)化為清晰地數(shù)值，再經(jīng)過線性尺度進(jìn)行變換，得到驅(qū)動電機(jī)的實際輸出，以實現(xiàn)焊接裝置的下壓與抬升的動態(tài)調(diào)節(jié)。

4.5 Simulink系統(tǒng)仿真

焊接裝置在完成焊接任務(wù)時，PLC已預(yù)設(shè)壓力值，根據(jù)壓力傳感器的反饋進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。為了驗證控制過程的可行性與實用性，對階躍信號進(jìn)行了仿真，如圖7 所示。圖中黃線代表的壓力預(yù)設(shè)值，藍(lán)色曲線為跟蹤信號，即焊接裝置壓力調(diào)節(jié)過程。通過選擇合適的量化比例系數(shù)，實現(xiàn)了較準(zhǔn)確、實時的信號跟蹤調(diào)節(jié)過程，從仿真圖中可以看出，焊接裝置可以以極小誤差下快速完成對壓力的調(diào)節(jié)，使得焊接裝置能夠快速較好的完成焊接任務(wù)。

圖7 系統(tǒng)仿真

5 結(jié)束語

應(yīng)用現(xiàn)有的設(shè)備，完成焊接控制系統(tǒng)的測試工作。部分測試現(xiàn)場圖片如圖8所示，圖8（左）是被測試設(shè)備、圖8（右）是設(shè)備生產(chǎn)的鋼筋網(wǎng)。

圖8 現(xiàn)場測試畫面

經(jīng)過對設(shè)計的控制系統(tǒng)的測試，系統(tǒng)能夠快速有效的完成鋼筋網(wǎng)片的焊接。本文介紹了基于PLC 的鋼筋網(wǎng)焊接控制系統(tǒng)，通過對伺服電機(jī)的控制，完成對經(jīng)、緯狀鋼筋的自動傳送、組合，以電阻焊的焊接方式，完成鋼筋網(wǎng)焊接工作。與人工焊接相比，控制系統(tǒng)降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。引入模糊控制算法對焊接裝置下壓壓力的自動調(diào)節(jié)，通過MATLAB仿真驗證，模糊控制算法能夠完成對焊接裝置的焊接壓力有效控制，從而提高焊接精度。