李銀華，張萬(wàn)偉

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

0 前言

隨著我國(guó)焊接機(jī)械化、自動(dòng)化水平提高的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)代焊接技術(shù)也提出了更高的要求。焊接自動(dòng)化就是要大量采用新技術(shù)以減少人為因素對(duì)焊接過(guò)程帶來(lái)的負(fù)面影響，取代以往由有經(jīng)驗(yàn)的焊工根據(jù)焊接過(guò)程穩(wěn)定性和焊縫成形來(lái)評(píng)判焊接質(zhì)量的方法，使整個(gè)焊接制造過(guò)程更趨于集成化、柔性化、智能化。鄭州瑞森散熱器有限公司根據(jù)生產(chǎn)需要，要對(duì)多臺(tái)手工氬弧焊機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改裝。前期采用了運(yùn)動(dòng)控制卡+步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，但由于氬弧焊機(jī)的強(qiáng)電磁干擾和惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，控制精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

本研究基于組件技術(shù)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)了一種純PC控制的伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]，該系統(tǒng)以倍福TwinCAT為軟PLC，提出位置控制和速度控制相結(jié)合的控制理念，同時(shí)利用智能數(shù)字焊機(jī)對(duì)電弧電流，焊接電流等與軟PLC的結(jié)合控制，保證高質(zhì)量的焊接工藝。該方案在工程實(shí)踐中被證明是切實(shí)可行的,達(dá)到了較好的生產(chǎn)效果。

1 自動(dòng)氬弧焊機(jī)的設(shè)計(jì)方案

TwinCAT是倍福公司推出的多任務(wù)實(shí)時(shí)控制軟 PLC 軟件[4]，可對(duì) PLC、PID、I/O、CNC 軸位控制及用戶需要完成的特殊任務(wù)進(jìn)行多任務(wù)的時(shí)間安排，并且在一臺(tái)PC機(jī)上可同時(shí)運(yùn)行四個(gè)軟PLC，每個(gè)都可獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾?；诖塑浖绱藦?qiáng)大的功能，該系統(tǒng)以裝有TwinCAT的工控機(jī)為系統(tǒng)控制核心，通過(guò)對(duì)智能數(shù)控焊機(jī)、焊機(jī)運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和焊機(jī)輔助系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)多工位全自動(dòng)氬弧焊機(jī)系統(tǒng)的工作。

1.1 智能數(shù)控焊機(jī)的選擇

根據(jù)焊接工藝的要求，并考察了市場(chǎng)上現(xiàn)有焊接電源的性能、成本后，最終選擇了山東山大奧太公司MIG/MAG-350逆變脈沖氣體保護(hù)焊接電源。該逆變數(shù)字焊接電源有如下特點(diǎn)：（1）MCU+DSP數(shù)字化控制，控制波形精細(xì)；（2）焊接飛濺極小，金屬熔敷率高，焊縫成形好，焊接變形??；（3）采用精細(xì)控制方式引弧，引弧成功率高；（4）全數(shù)字化控制面板，一元化調(diào)節(jié)方式，操作方便；（5）系統(tǒng)內(nèi)置焊接專家數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)智能化參數(shù)組合；（6）收弧時(shí)具有消球功能；（7）可預(yù)置焊接電流；（8）可存儲(chǔ) 4套用戶自定義的規(guī)范參數(shù)；（9）數(shù)字化送絲系統(tǒng)，送絲平穩(wěn)，速度準(zhǔn)確；（10）節(jié)能省電，使用費(fèi)用低，對(duì)電網(wǎng)容量要求低；（11）提供了 RS485通訊接口，能夠方便地實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)化。

1.2 焊機(jī)機(jī)械臺(tái)架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)氬弧焊機(jī)的工作臺(tái)面如圖1所示。工作臺(tái)實(shí)際要求尺寸為臺(tái)面上1500 mm(X)×1000 mm(Y)；最大工作速度6 m/min；圖形精度0.01 mm。焊槍安裝在Z軸上。通過(guò)X軸、Y軸、Z軸電機(jī)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊槍的運(yùn)動(dòng)控制，采用氣動(dòng)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)焊接工件的初始定位。自動(dòng)氬弧焊機(jī)傳動(dòng)方式為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)，并且在絲杠的非電機(jī)驅(qū)動(dòng)端采用雙滑塊支撐的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)傳動(dòng)桿的剛性，減少傳動(dòng)振動(dòng)帶來(lái)的影響，使工作狀況趨于穩(wěn)定，避免出現(xiàn)焊槍抖動(dòng)的現(xiàn)象[3]。機(jī)械臺(tái)架上安裝有伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成焊槍的自動(dòng)精確定位。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

詳細(xì)的工作原理如下：

圖1 全自動(dòng)氬弧焊機(jī)系統(tǒng)整體構(gòu)架

（1）工控機(jī)結(jié)合TwinCAT軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟PLC控制，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。負(fù)責(zé)接收各個(gè)軸的狀態(tài)信號(hào)，進(jìn)行綜合處理；同事發(fā)送軸控制信號(hào)，和指示燈控制信號(hào)；以及運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程中提供人機(jī)交互的必要信息。

（2）EtherCAT模塊是整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，負(fù)責(zé)各種控制信號(hào)和反饋信號(hào)的傳送。EtherCAT是與PC控制技術(shù)相匹配的通訊系統(tǒng)，以Beckhoff開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，其特點(diǎn)是性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便。

（3）伺服驅(qū)動(dòng)器加電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)絲杠（機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)焊槍的運(yùn)動(dòng)控制。其中，X軸和Y軸在軟件的控制下實(shí)現(xiàn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，使焊槍按照設(shè)計(jì)圖形軌跡進(jìn)行焊接，Z軸控制焊槍的升降運(yùn)動(dòng)，滿足不同焊件要求。

圖2 伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各模塊的具體型號(hào)為：（1）工控機(jī)：研華IPC-610-H；（2）EtherCAT 模塊：倍福 EK1110；（3）驅(qū)動(dòng)器：施耐德 LXM32MD12N4；（4）伺服電機(jī)：施耐德BMH1001P11A2A；IO 模塊。倍福 EL2008、EL1008；另外還有驅(qū)動(dòng)器連接電纜，雙層屏蔽動(dòng)力連接電纜和反饋電纜等。

1.3 焊機(jī)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

焊機(jī)輔助系統(tǒng)主要包括自動(dòng)送絲系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和保護(hù)氣控制系統(tǒng)等。普通驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)送絲設(shè)計(jì)方案提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，同時(shí)降低了設(shè)備成本。水冷系統(tǒng)和保護(hù)氣系統(tǒng)通過(guò)軟PLC的控制與焊機(jī)協(xié)調(diào)工作，保證氬弧焊機(jī)的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)焊接工件的焊接圖形和工藝要求，確定系統(tǒng)的控制方式和控制參數(shù)。

設(shè)計(jì)中遵循模塊化設(shè)計(jì)思想，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案，具有良好的模塊性、可修改性及可移植性。軟件程序按照功能可以劃分為主控模塊、用戶界面模塊，伺服系統(tǒng)控制模塊。軟件設(shè)計(jì)組成見(jiàn)圖3。

圖3 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主控模塊為普通的Windows進(jìn)程，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始化、任務(wù)啟動(dòng)初始化、運(yùn)動(dòng)控制初始化等。

2.2 伺服系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

采用TwinCAT軟件完成對(duì)施耐德驅(qū)動(dòng)器的配置與程序設(shè)計(jì)。TWinCAT系統(tǒng)的分辯率為100微秒。由實(shí)時(shí)服務(wù)器(Realtime Server)，系統(tǒng)控制器(System Control)系統(tǒng)OCX接口，系統(tǒng)工具箱(System Toolbox)，PLC系統(tǒng)，CNC系統(tǒng)，輸入輸出系統(tǒng)(I/O System)，用戶應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(User Appl.)，自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范接口(ADS-Interface)及自動(dòng)化信息路由器(AMS Router)等組成。其中在NC控制系統(tǒng)中有Cam Table(凸輪表)模塊，因?yàn)閷?shí)際焊接工件為類橢圓形焊縫，所以選擇采用調(diào)用凸輪表的控制方式Cam Table具有強(qiáng)大的功能，它可以描繪任何不規(guī)則曲線，將電機(jī)的位置點(diǎn)描繪出來(lái)，同時(shí)，位置之間可以添加多種插補(bǔ)算法[5]。凸輪表代表了不同軸的位置的相互關(guān)系，獨(dú)立軸被稱為主動(dòng)軸，而非獨(dú)立軸被稱為從動(dòng)軸，從動(dòng)軸的位置僅取決于主動(dòng)軸的位置而起作用。凸輪表由不同的運(yùn)動(dòng)定律區(qū)段組成，如經(jīng)修正的正弦波、諧波、各種多項(xiàng)式函數(shù)。也就是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線圓弧等插補(bǔ)算法。施耐德驅(qū)動(dòng)器本身不具有凸輪控制功能，但選用和TwinCAT配合使用可能實(shí)現(xiàn)。大大減輕了程序編寫難度。焊接模塊的工作流程如圖4所示。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖4 控制程序流程

用戶界面模塊完成系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)顯示：如工作方式、坐標(biāo)值、程序跟蹤、軌跡跟蹤等，另外還完成菜單管理、焊接編輯、文件管理等。VC++是一種面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ撸哂泻芎玫娜藱C(jī)界面的編程實(shí)現(xiàn)，是一種被人們普遍使用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它可以簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)端口的操作和實(shí)時(shí)控制功能。所以這里采用VC++6.0來(lái)編制控制程序與實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，可以更好地利用各種軟件的優(yōu)勢(shì)，縮短軟件開(kāi)發(fā)周期[6]。VC++與TwinCAT軟件連接需要用到TwinCAT提供給 VC++的接口文件，它們分別是：TcAdsDll.dll、TcAdsApi.h、TcAdsDll.lib、TcAdsDef.h。VC++設(shè)計(jì)程序包含以下頭文件：

然后將TcAdsDll.lib庫(kù)添加到VC++項(xiàng)目中去，另外將ST語(yǔ)言設(shè)計(jì)的輸人輸出變量名與定義的輸入輸出變量名相一致，用AdsSyncReadWriteReq函數(shù)來(lái)取得對(duì)應(yīng)PLC變量的句柄，AdsSyncReadReq函數(shù)來(lái)根據(jù)句柄讀取變量的值，用AdsSyncWriteReq函數(shù)來(lái)根據(jù)句柄設(shè)定變量的值。具體實(shí)現(xiàn)程序在此不做詳細(xì)介紹。

3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

（1）增加隔離變壓器來(lái)解決干擾。這種方法主要是針對(duì)來(lái)自電源的傳導(dǎo)干擾，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。使用隔離變壓器來(lái)防護(hù)串行接口免受高頻瞬態(tài)干擾，這種技術(shù)正在被廣泛地應(yīng)用在相應(yīng)的領(lǐng)域中，起到對(duì)接口電路及后級(jí)電路的安全隔離、保護(hù)的作用。

（2）將目前系統(tǒng)中所有的信號(hào)線和動(dòng)力電纜，全部改成質(zhì)量有保證的雙層屏蔽線。

（3）保證工件、機(jī)器、隔離變壓器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等的可靠性接地。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的初步調(diào)試，可以完成了平面內(nèi)類橢圓工件的焊接，通過(guò)TwinCAT ScopeView可以查看各個(gè)伺服電機(jī)的位置，速度，加速度等參數(shù)。實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)的試試監(jiān)控。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5，試驗(yàn)結(jié)果表明，三軸電機(jī)聯(lián)動(dòng)可以完美實(shí)現(xiàn)不規(guī)則圖形設(shè)計(jì)焊件的焊接，并且速度控制效果良好。達(dá)到了公司的焊接設(shè)計(jì)要求，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，抗干擾強(qiáng)度高。

圖5 調(diào)試結(jié)果截圖

5 結(jié)論

利用基于倍福端子的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)控制原理，采用工控機(jī)構(gòu)建了一套簡(jiǎn)易的氬弧焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，工作效率較手工焊接提高約4倍，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫美觀，大大提高企業(yè)的焊接效率，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]王 飛.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中軟PLC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院控制理論與控制工程，2011.

[2]于秀娟.數(shù)控成組自動(dòng)氬弧焊接設(shè)備控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].新疆大學(xué)機(jī)械系，2005.

[3]吳榮兵，杜潤(rùn)生，熊 烽.自動(dòng)涂膠機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研制[J].機(jī)床與液壓，2004（7）：50-51.

[4]德國(guó)倍福電氣有限公司.TwinCAT PLC編程手冊(cè)[M].北京：德國(guó)倍福電氣有限公司北京代表處，2005.

[5]德國(guó)倍福電氣有限公司.TwinCAT NC PTP編程手冊(cè)[M].北京：德國(guó)倍福電氣有限公司北京代表處，2005.

[6]鄭士富，彭 銘.VC++與TwinCAT的混合編程研究[J].儀器儀表用戶，2008，15（3）：109-110.