集裝箱側(cè)壁波折板與箱底自動焊接設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

史寅寅 曾睿奕 鄭劉波 徐長春 周慶貴

（1.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團有限公司，連云港 222006；2.中復(fù)連眾風電科技有限公司，連云港 222006；3.江蘇海洋大學(xué)，連云港 222005）

1 研究背景

集裝箱是物流運輸?shù)闹匾d體。集裝箱在運輸中的強度尤為關(guān)鍵。側(cè)壁波折板和箱底焊接作為集裝箱焊接加工中的關(guān)鍵工序，其焊接質(zhì)量直接影響集裝箱的質(zhì)量[1]。當前集裝箱側(cè)壁波折板與箱底焊接多采用人工焊接，存在生產(chǎn)效率低下、焊接質(zhì)量和精度低等缺點。為提高集裝箱側(cè)壁波折板與箱底焊接質(zhì)量和焊接精度，研究設(shè)計了一種基于個人計算機（Personal Computer，PC）和運動控制板卡的集裝箱側(cè)壁波折板與箱底的自動焊接設(shè)備控制系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計選用“PC+運動控制板卡”的控制方案實現(xiàn)集裝箱側(cè)壁波折板與箱底的自動焊接控制?！癙C+運動控制卡”是一種基于外設(shè)部件互連標準（Peripheral Component Interconnect，PCI）運動控制的具有自主算法的解決方案。以PC 為主控制器，運動控制卡作為從機，選用步進電機或伺服電機作為執(zhí)行裝置，通過自定義的命令通信協(xié)議和運動函數(shù)，實現(xiàn)位置與速度的精確控制[2-4]。計算機發(fā)送信號給與接口板相連接的步進電機驅(qū)動器，實現(xiàn)步進電機的脈沖和方向控制，最終實現(xiàn)整個集裝箱側(cè)壁波折板與箱底自動焊接平臺的X、Y、Z三軸聯(lián)動。

2.1 焊接軌跡方案的確定

從集裝箱側(cè)壁波折板的外形可以看出，集裝箱側(cè)壁波折板與箱底的焊接軌跡可以近似看成多段直線段和波內(nèi)斜邊段的疊加。在工件一次固定的情況下，單個焊接工位簡圖如圖1 所示。在單個焊接工位中，可以分為4 條焊縫，其中工序1 和工序3 是直線段焊接工藝，工序2 和工序4 是對稱的波內(nèi)斜邊段工藝。集裝箱側(cè)壁波折板與箱底的整個焊接過程可以看成是工序1、工序2、工序3、工序4 這4 個工序的重復(fù)。

圖1 集裝箱側(cè)壁波折板與箱底焊接工序圖

工序1：長直焊縫，起點位置不同，長度不好確定，但一般選擇最左邊起始點，這樣1 和3 的長度相等，有助于程序循環(huán)。

工序2：斜直焊縫，剛焊縫需要X、Y兩軸插補，由于集裝箱側(cè)壁波折板凹槽一般設(shè)計成45°，故該焊縫只需要簡單的直線插補就可以得到。

工序3：在工序2 基礎(chǔ)上再進行一次工序1 的操作。

工序4：與工序2 對稱。

2.2 運動控制板卡的選擇和功能

設(shè)計選用眾為興基于PCI 接口的ADT-8949 多軸運動控制板卡，不僅具有多種加減速模式（T 形、S 形和E 形），還具有點位定位規(guī)劃、軌跡運動規(guī)劃、樣條曲線規(guī)劃、直線插補規(guī)劃、圓弧插補規(guī)劃以及跟隨等功能。

2.3 步進電機及驅(qū)動器的選擇

考慮焊槍一般選用30 ～50 型號的槍頭，而一般的50 型號在600 g，即需要0.6 N·m 的轉(zhuǎn)矩帶動。結(jié)合安全性和經(jīng)濟性，選用0.7 N·m 轉(zhuǎn)矩的42 步進電機，并搭配雷賽DM542 型步進電機驅(qū)動器使用。

2.4 電氣連接

控制系統(tǒng)的參考電氣接線圖如圖2 所示。系統(tǒng)硬件采用“PC+運動控制卡”的控制方式，選用ADT8949運動控制卡，執(zhí)行電機選用步進電機，通過ADC-9192接線板實現(xiàn)運動控制板卡與步進電機驅(qū)動器、步進電機、限位開關(guān)等設(shè)備的連接[5]。其中：XPU+為X軸步進脈沖信號輸入正端；XPU-為X軸步進脈沖信號輸入負端；XDR+為X軸步進方向信號輸入正端或反向步進脈沖信號輸入正端；XDR-為步進方向信號輸入負端；ENA+為使能信號輸入正端；ENA-為使能信號輸入負端。

圖2 集裝箱側(cè)壁波折板與箱底自動焊接系統(tǒng)接線圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 調(diào)用函數(shù)的選擇

插補時使用的調(diào)用函數(shù)列表，如表1 所示。

表1 ADT-8949 直線插補時使用的調(diào)用函數(shù)列表

一方面，運用調(diào)用函數(shù)可控制步進電機轉(zhuǎn)動的初始速度、驅(qū)動速度、驅(qū)動加速度、驅(qū)動減速度、插補的狀態(tài)選擇以及脈沖當量輸入等插補時的狀態(tài)。另一方面，通過調(diào)用函數(shù)庫可以進一步實現(xiàn)步進電機在一定加速減速條件下的迅速轉(zhuǎn)動，從而更好地完成插補動作，提高集裝箱側(cè)壁波折板與箱底焊接的焊接精度。

3.2 控制卡動作執(zhí)行示例

在運動控制板卡動作執(zhí)行中，需要先定義返回值存放數(shù)組，對數(shù)組進行賦值，確認回零到位再進行插補運動。

控制卡動作執(zhí)行具體程序?qū)嵗秊?/p>

3.3 人機交互界面設(shè)計

控制系統(tǒng)運行界面如圖3 所示，界面左功能區(qū)用于4 個主要界面的切換，右功能區(qū)除實現(xiàn)設(shè)備的啟?？刂仆猓€可以顯示當前自動焊接設(shè)備的系統(tǒng)運行情況和設(shè)備運動位置狀態(tài)等參數(shù)，同時可以實時顯示焊接設(shè)備在X、Y、Z三軸的位置和當前運行速度，也能實時反映焊接電壓、送絲速度等焊接參數(shù)。

圖3 控制系統(tǒng)運行畫面

控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如圖4 所示。操作人員可以根據(jù)不同的集裝箱側(cè)壁波折板與箱底的焊接需求，修改焊槍傾角、焊接電壓、送絲速度等焊接參數(shù)。此外，在此界面也能修改設(shè)備點動速度、運行速度、運行加速度等運動控制相關(guān)參數(shù)，以滿足不同的生產(chǎn)工藝。

圖4 控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)語

研究基于“PC+運動控制板卡”的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，介紹集裝箱側(cè)壁波折板與箱底的自動焊接的控制實現(xiàn)過程，開發(fā)基于VB 語言的人機交互系統(tǒng)，介紹運動控制板卡庫函數(shù)的調(diào)用方法，搭建控制系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，設(shè)計的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性高，能夠有效提高集裝箱側(cè)壁波折板與箱底的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有較高的工程應(yīng)用價值。