陳樹君雷彧盧振洋白立來張浩

(1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124；2.首都航天機(jī)械公司，北京100076)

基于軟PLC的變極性等離子弧焊接控制系統(tǒng)

陳樹君1雷彧1盧振洋1白立來1張浩2

(1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124；2.首都航天機(jī)械公司，北京100076)

軟PLC技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新型控制技術(shù)，它是基于PC機(jī)的，因其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力和數(shù)據(jù)處理能力迅速成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，闡述了變極性等離子弧焊的焊接原理，介紹了以德國3S公司的軟PLC產(chǎn)品CoDeSys以及EtherCAT現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的分布式變極性等離子焊接控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過讀取運(yùn)行G代碼實(shí)現(xiàn)空間直線和圓弧的插補(bǔ)完成復(fù)雜空間曲線軌跡的行走，并且在運(yùn)動控制的過程中實(shí)時(shí)控制焊接工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲線焊縫的焊接。

變極性等離子弧焊軟PLC現(xiàn)場總線EtherCATCoDeSys

0 序言

變極性等離子弧焊技術(shù)具有焊縫深寬比大、熱輸入能量集中、焊接效率高和焊后變形小等特點(diǎn)[1]，在鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接中獲得了廣泛的應(yīng)用?；趥鹘y(tǒng)硬PLC的焊接控制系統(tǒng)一般具有可靠性差、布線復(fù)雜、焊接自由度有限等缺陷，并且傳統(tǒng)硬PLC的技術(shù)封閉，難以構(gòu)造開放的結(jié)構(gòu)體系，造成后期維護(hù)困難。隨著國際制造業(yè)不斷發(fā)展,自動化控制系統(tǒng)朝著多樣化、集成化、柔性化的方向發(fā)展，對分布式方面提出了更高的要求，封閉式控制系統(tǒng)已經(jīng)完全不能滿足當(dāng)前自動化控制的需求[2]。

近年來，隨著工業(yè)控制領(lǐng)域IEC61131—3標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施，一項(xiàng)新的控制技術(shù)——軟PLC迅速發(fā)展。軟PLC(SoftPLC)技術(shù)相對于傳統(tǒng)硬PLC的優(yōu)勢在于采用面向現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和開放的通信接口，如以太網(wǎng)、高速串口等，采用了各種相關(guān)的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一系列的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，全部用軟件來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硬PLC的功能。軟PLC技術(shù)應(yīng)用使工業(yè)信息化和自動化有望實(shí)現(xiàn)真正意義上的無縫集成[3]。軟PLC技術(shù)利用其開放性和靈活性的優(yōu)勢，可以把通信、控制、人機(jī)界面及各種特定的應(yīng)用運(yùn)用于同一個(gè)硬件平臺上，從而簡化了工廠自動化的體系結(jié)構(gòu)。

控制系統(tǒng)以工業(yè)PC機(jī)和德國倍福E-bus模塊組成硬件平臺，基于德國3S公司的CoDeSys軟PLC和EtherCAT現(xiàn)場總線構(gòu)建系統(tǒng)的運(yùn)動控制平臺和工藝控制平臺，搭建了一套基于軟PLC的變極性等離子弧焊自動化控制系統(tǒng)。應(yīng)用CoDeSys軟件平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)出焊接過程運(yùn)動控制程序和人機(jī)交互界面，并且制定通訊協(xié)議完成主站工業(yè)PC與從站焊接電源EtherCAT通訊，實(shí)現(xiàn)焊接過程中焊接工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測，從而設(shè)計(jì)出一套焊接工藝與焊接運(yùn)動更為契合的自動化焊接控制系統(tǒng)。

1 基于PC的軟PLC控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

軟PLC運(yùn)行于PC機(jī)的操作系統(tǒng)平臺之上，通過現(xiàn)場總線和IO模塊等物理設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使用軟件的方法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存、運(yùn)算和控制等工作，然后輸出控制信號完成傳統(tǒng)硬PLC的功能。軟PLC系統(tǒng)由編輯環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分組成，也可分為開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分。編輯環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境二者之間采用COMDCOM的通信機(jī)制,標(biāo)準(zhǔn)的通信接口由運(yùn)行環(huán)境作為COM服務(wù)器提供；編輯環(huán)境作為COM客戶端應(yīng)用利用這些接口進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程訪問，例如代碼下載、運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行信息讀取等操作。軟PLC系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 軟PLC系統(tǒng)的整體框圖

2 變極性等離子弧焊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及焊接原理

2.1 變極性等離子弧焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 變極性等離子弧焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)是以變極性等離子弧焊為研究對象，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲線的焊接，所以為了保證焊接質(zhì)量，焊槍需要在焊接的過程中保持立向上的焊接姿態(tài)，而且保證焊槍能夠在水平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)。

如圖3所示，在曲線焊縫上有S和W兩點(diǎn)，當(dāng)S點(diǎn)為當(dāng)前焊點(diǎn)時(shí)，工件需要保持一定的角度姿態(tài)，保證焊槍的速度方向與S點(diǎn)的切線方向保持一致且與水平面垂直，當(dāng)焊槍運(yùn)動到W點(diǎn)時(shí)，又需要對工件的角度進(jìn)行調(diào)整，保證焊槍的速度方向與W點(diǎn)的切線方向保持一致且與水平面垂直。也就是說，為了在焊接過程中保持焊槍的立向上焊接姿態(tài)就需要實(shí)時(shí)調(diào)整工件角度。

圖3 變位焊接原理

綜上所述，控制系統(tǒng)的焊接操作機(jī)選用3+1軸的直角坐標(biāo)機(jī)器人，帶動焊槍運(yùn)動，工作臺選用能夠旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)的二維變位機(jī)，實(shí)時(shí)調(diào)整工件角度，如圖4所示。通過建立變位機(jī)和直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，控制直角坐標(biāo)機(jī)器人X，Y，Z軸和偏轉(zhuǎn)軸A，變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)軸T和旋轉(zhuǎn)軸R，實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動完成復(fù)雜空間曲線的焊接。

2.3 工藝控制

為了保證變極性等離子弧焊工藝的焊接質(zhì)量，需要將運(yùn)動控制和焊接工藝參數(shù)緊密配合[4]，在焊接的運(yùn)動過程中對工藝參數(shù)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測。另外，在焊接過程中對變極性等離子焊接電源維弧的起停和主弧的起?？刂疲瓿珊附訒r(shí)序控制，如圖5所示。

圖4 直角坐標(biāo)機(jī)器人和變位機(jī)運(yùn)動學(xué)模型

圖5 焊接時(shí)序圖

控制系統(tǒng)的焊接電源采用北京焊接技術(shù)研究所自主開發(fā)的變極性等離子焊接電源，帶有EtherCat接口，可以在EtherCat網(wǎng)絡(luò)中作為從站與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。焊接過程中通過主控制器與等離子焊接電源間EtherCat通訊實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)序控制和焊接工藝參數(shù)控制和監(jiān)測。

3 基于軟PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選型

在樹木的人工培育過程中，移植需進(jìn)行起挖、調(diào)運(yùn)、定植等操作，易造成樹木根冠比的改變，因此移植初期植物的光合作用會顯著下降。隨后，由于新的根系和葉的萌發(fā)光合作用逐漸恢復(fù)，光合產(chǎn)物、光合速率會快速增加以滿足生長的需求。修枝后由于葉片減少，余下葉片的光合作用會顯著加強(qiáng)[22-24]。研究發(fā)現(xiàn)，鉀元素能激活植物體內(nèi)多種酶的活性[25, 26]，調(diào)節(jié)葉片氣孔的開合[27]、葉肉阻抗力的發(fā)生[28]，明顯提高植物的光合速率和光合化學(xué)活性[27, 29]，調(diào)控光合同化產(chǎn)物的合成、運(yùn)輸及轉(zhuǎn)化[30]。

控制系統(tǒng)以工業(yè)PC機(jī)作為主控制器，EtherCat現(xiàn)場總線作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，搭建一個(gè)主從分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從站主要由伺服系統(tǒng)、I/O模塊和焊接電源組成。

3.1.1 伺服系統(tǒng)

整個(gè)控制系統(tǒng)需要控制6根電機(jī)軸，伺服驅(qū)動器選用三組倍福AX5203伺服電機(jī)驅(qū)動器。AX5203是雙通道(通道A，通道B)的伺服電機(jī)驅(qū)動器，可以同時(shí)驅(qū)動兩個(gè)電機(jī)，并且由于它的集成化控制技術(shù)，在運(yùn)動控制的過程能夠完成高速和高動態(tài)定位任務(wù)。AX5203伺服放大器可以作為EtherCAT從站關(guān)聯(lián)到CoDeSys. SoftMotion的CNC軸，實(shí)現(xiàn)與主站工業(yè)PC機(jī)的高性能通訊。AX5203驅(qū)動放大器具有直流母線技術(shù)、制動能源管理系統(tǒng)和反饋接口多的特點(diǎn)，并且可以調(diào)節(jié)寬電壓檢測范圍和選擇多種電機(jī)類型。電機(jī)采用德國海道夫系列電機(jī)，完全可以滿足焊接運(yùn)動需要的負(fù)載能力。

3.1.2 I/O模塊

系統(tǒng)中的I/O模塊作為EtherCAT從站完成系統(tǒng)控制信號的輸入和輸出。采用倍福E-bus模塊，模塊之間通過E-bus協(xié)議連接起來，E-bus協(xié)議實(shí)質(zhì)上也是EtherCAT，只是表現(xiàn)的形式不同而已。這些模塊主要包括EK1100，EL1004，EL2004，EL2521和EK1122，每一塊模塊的作用不同。EK1100作為總線耦合器，把系統(tǒng)中所有的EtherCAT從站設(shè)備連接到系統(tǒng)EtherCAT主站；模塊EL1004，EL2004是數(shù)字量I/O模塊，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號的輸入、輸出；EL2521是高速脈沖發(fā)送模塊，最高能夠達(dá)到500 kHz的脈沖輸出，它在此系統(tǒng)中的主要作用是用來控制步進(jìn)電機(jī)。另外，為了保證系統(tǒng)有良好的擴(kuò)展性增加了模塊EK1122，可以實(shí)現(xiàn)對EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的分流，能夠在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中再分出兩個(gè)EtherCAT接口，如圖6所示。

3.1.3 焊接電源

圖6 系統(tǒng)I/O模塊

焊接電源采用北京焊接技術(shù)研究所自主開發(fā)的變極性等離子焊接電源(VPPA)，它的核心控制器是STM32F107VCT6，通過SPI協(xié)議與倍福公司的FB1111-0141電路板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)B1111-0141電路板帶有EtherCAT接口，可以作為從站通過總線耦合器EK1100連接到主站，這樣就實(shí)現(xiàn)了主站對變極性等離子電源的控制。圖7是控制原理簡圖。

綜上所述，完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)選型，圖8為控制系統(tǒng)硬件總體框圖。

圖8 控制系統(tǒng)總體硬件框圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用開放式軟件平臺CoDeSys,它是自動控制系統(tǒng)的開發(fā)工具,是按照IEC61131—3標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，支持IEC61131—3標(biāo)準(zhǔn)IL，ST，F(xiàn)BD，LD，CFC，SFC六種PLC編程語言，用戶可以在同一項(xiàng)目中選擇不同的語言編輯子程序，功能模塊等。

如圖9所示，根據(jù)變極性等離子弧穿孔立焊的焊接原理，將控制系統(tǒng)的控制任務(wù)劃分為運(yùn)動控制和工藝控制。運(yùn)動學(xué)參數(shù)的獲取是通過三點(diǎn)定位法確定偏轉(zhuǎn)軸A和變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)軸T、旋轉(zhuǎn)軸R相對于直角坐標(biāo)機(jī)器人的安裝位姿。在直角坐標(biāo)機(jī)器人X軸、Y軸和Z軸都處于位置零時(shí)，焊槍偏轉(zhuǎn)軸A的回轉(zhuǎn)中心處建立機(jī)器人的基坐標(biāo)系，在焊槍尖點(diǎn)處建立工具坐標(biāo)系，在變位機(jī)上建立工件坐標(biāo)系，從而建立3+1軸直角坐標(biāo)機(jī)器人和二軸傾斜/回轉(zhuǎn)變位機(jī)的運(yùn)動學(xué)模型。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解運(yùn)算通過示教生成焊接過程中軌跡行走所需要的G代碼文件，使用Codesys. SoftMotion的CNC功能，讀取并運(yùn)行生成的G代碼文件，并通過機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解運(yùn)算，將位置和速度信息賦給直角坐標(biāo)機(jī)器人各個(gè)電機(jī)軸，從而完成焊槍的軌跡行走。

圖9 系統(tǒng)軟件總體框圖

圖10 焊接程序流程圖

為了保證焊接過程中穩(wěn)定良好的穿孔和收孔，在焊接開始前，進(jìn)行焊接工藝示教，將每條焊接分成數(shù)段，設(shè)定每一段焊縫焊接速度和工藝參數(shù)，當(dāng)焊接到前段時(shí)，主站工業(yè)PC機(jī)將所需要的焊接工藝參數(shù)發(fā)送給焊接電源完成工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)給定。

焊接程序流程圖如圖10所示，首先在焊接開始前初始化各個(gè)焊接參數(shù)，當(dāng)按下焊接開始按鈕后，初始化偏轉(zhuǎn)軸和變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的位置，切換到工件坐標(biāo)系為焊接做準(zhǔn)備，并且調(diào)整焊槍和工件角度，通過加載運(yùn)行G代碼將焊槍運(yùn)行到槍進(jìn)點(diǎn)等待起維弧。完成起維弧的操作后，焊槍運(yùn)行到示教軌跡的第一點(diǎn)等待起主弧。執(zhí)行主弧操作，并且引弧成功后進(jìn)入焊接程序，在焊接

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末端按下主弧停按鈕，進(jìn)入收弧程序，在焊縫終點(diǎn)處主弧繼續(xù)燃燒一段時(shí)間， ?；≈蠛笜屵\(yùn)動到軌跡示教中的槍退點(diǎn)，焊接結(jié)束。

4 結(jié)語

文中分析了變極性等離子穿孔立焊的焊接原理，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)中的主要的控制任務(wù)———焊接運(yùn)動控制和焊接工藝控制?；谲汸LC-CoDeSys 搭建了電氣控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)主要使用的器件做了簡單的介紹。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證， 基于軟PLC 的變極性等離子弧焊接控制系統(tǒng)在焊接過程中能通過直角坐標(biāo)機(jī)器人和變位機(jī)的聯(lián)動控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲線的焊接， 并能在焊接過程中實(shí)時(shí)調(diào)整焊接工藝參數(shù)， 所以能夠滿足變極性等離子弧焊的自動化焊接控制要求。

[1] 韓永全，陳樹君，殷樹言. 鋁合金變極性等離子焊接電弧產(chǎn)熱機(jī)理[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2007，28(12): 35-37.

[2] 周萍，朱德森. 嵌入式PLC 的實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)械與電子，1997(1): 10-12.

[3] 陽惠憲. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，1999.

[4] 熊日偉. 基于直角坐標(biāo)型機(jī)器人的VPPA 焊接系統(tǒng)[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

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2017-03-22