馬 馳，燕昱昊，李常龍，劉永紅，閆中政

（中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島266580）

近年來，增材制造（additive manufacturing，AM）由于在結(jié)構(gòu)輕巧性、零件外形自由性、材料高利用性及功能梯度材料的可制造性上的獨特優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用[1]。不同于昂貴的激光、電子束增材，電弧增材制造 （wire and arc additive manufacturing，WAAM）由于使用電弧作為熱源、絲材作為原材料，具有高堆積速率、高材料利用率、低費用及具有制造大型構(gòu)件等優(yōu)勢，具有可大規(guī)模推廣的潛力[2]。

通常，電弧增材制造可使用熔化極氣體保護焊、鎢極氣體保護焊或等離子弧焊過程所產(chǎn)生的電弧作為能量源，焊絲或其他絲材作為原材料，使用六軸機械手或CNC機床作為運動平臺。過程中電弧加熱絲材形成金屬熔滴，熔滴按照預(yù)設(shè)軌跡沿路徑滴落進熔池中凝固，層層堆積成所設(shè)計的零件。除了上述常見的三種熱源，冷金屬過渡焊接是熔化極氣體保護焊的變種，由于較低的熱輸入，在電弧增材制造領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[3]。

當前，電弧增材制造研究重點關(guān)注如何提高增材制造成形件的機械性能與外形精度。Bermingham等[4]在電弧增材制造過程中，通過添加晶粒細化元素和成核顆粒，探究熱和成分敏感性因素如何影響鈦合金部件中柱狀晶到等軸晶的轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明成核顆粒比晶粒細化元素更加有效。Rodrigues等[5]在制備低合金鋼零件時，通過將直徑為1~2μm的SiC顆粒涂抹在每層焊道上，獲得晶粒細化與機械強度顯著增強的零件。馬馳等[6]探究了原位氣體冷卻技術(shù)對于低碳鋼零件的影響，結(jié)果表明原位氣體冷卻顯著降低了電弧增材制造過程中的熱積累，避免了晶粒的粗大及機械性能的惡化。Zhang等[7]在電弧增材制造過程中使用振動平臺制備高強鋁合金零件，結(jié)果表明振動顯著降低了平均晶粒尺寸，鋁合金零件氣孔率從6.66%降至1.52%。馬馳等[8]探究了振動沖擊鍛軋技術(shù)對于低碳鋼零件的影響，發(fā)現(xiàn)低碳鋼的平均晶粒尺寸從9.6μm降至6.4μm，晶粒細化顯著增強了機械強度。

然而，當前電弧增材制造數(shù)控機床電氣控制與策略少有人研究。Karunakaran等[9]研究了在銑床上加裝電弧增材設(shè)備，進而實現(xiàn)增減材一體化；然而，其電氣控制部分僅涉及改動單個繼電器用于焊機起弧和熄弧控制，電流、電壓、送氣與送絲均不能由數(shù)控系統(tǒng)控制，只能在焊機面板上設(shè)置。基于CNC機床改造的電弧增材制造設(shè)備較少有人關(guān)注，尤其是其電氣控制與策略部分，大部分是由廠家開發(fā)以控制數(shù)字焊機，其電氣控制與策略一般較為簡單。

本文基于老舊三軸數(shù)控銑床，從焊炬安裝、機床電氣隔離、絲杠導(dǎo)軌防護及機床控制器與數(shù)字焊機的通訊等方面進行老舊機床改造。其中，機床控制器與數(shù)字焊機的通訊是本文研究核心，通過重新設(shè)計電氣控制，基于PMAC Clipper多軸運動控制卡、S7-200 Smart PLC與交換機，完成了電弧增材制造機床改造并通過試驗驗證設(shè)計的可靠性。

1 電弧增材制造數(shù)控電氣設(shè)備構(gòu)成與安裝

所用銑床的數(shù)控系統(tǒng)為實驗室基于PMAC Clipper卡及對應(yīng)配套的軸擴展卡（DTC-8B）與I/O板（ACC-34AA）搭建的，可實現(xiàn)三軸聯(lián)動銑削，電源為具有數(shù)字通訊功能的YD-500GP5HNW數(shù)字MIG焊機，具有脈沖模式、雙脈沖模式及混合脈沖模式，預(yù)留模擬通訊、數(shù)字通訊及外接端子臺控制。焊機自帶冷卻水箱與循環(huán)系統(tǒng)，可對焊炬進行持續(xù)冷卻，提高電弧增材制造的持續(xù)作業(yè)能力。

對于數(shù)控機床與焊機通訊，分別進行了模擬量控制與RS485通訊。由于PMAC Clipper卡和數(shù)控機床預(yù)留的通訊接口不足，且焊機起弧與熄弧有時序要求，使用PMAC Clipper卡在控制伺服電機聯(lián)動插補運動時難以同時完成對于焊機的時序控制，因而另選用西門子S7-200 Smart PLC用于焊機的專用控制器，實現(xiàn)RS485通訊、模擬量控制及開關(guān)量控制。原有數(shù)控機床的計算機無法同時與PMAC Clipper卡、S7-200 Smart PLC進行通訊，使用交換機組建局域網(wǎng)滿足數(shù)控機床計算機同時訪問PMAC Clipper卡、S7-200 Smart PLC的需求，同時交換機所預(yù)留其他網(wǎng)口可用于未來擴展其他網(wǎng)口設(shè)備。此外，為了實時監(jiān)測電弧增材制造過程中的電流與電壓變化，使用NI-9239電壓采集模塊及CDAQ-9189機箱，完成數(shù)據(jù)采集與記錄。圖1是電弧增材制造數(shù)控機床電氣設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成框圖。

圖1 機床電氣設(shè)備構(gòu)成

在電弧增材制造過程中，由于頻繁的起弧與熄弧將導(dǎo)致較大的電流，對于機床數(shù)控電子設(shè)備存在干擾或損壞的風(fēng)險，因而構(gòu)成電弧的回路需要與機床基座相互電氣隔離，以保證機床的安全。如圖2所示，為便于安裝基板和其他設(shè)備，本研究設(shè)計了帶有螺紋孔矩陣與T形槽的鑄鋼工作臺，中間通過厚度15 mm的環(huán)氧樹脂絕緣板隔開以達到電氣隔離的目的，并用聚四氟乙烯套筒包裹螺栓，以達到徹底的電氣隔離。此外，由于環(huán)氧樹脂絕緣板隔熱，可保護機床導(dǎo)軌與絲杠免受電弧增材制造過程中高溫的影響。

圖2 機床電氣隔離與機械設(shè)備安裝

焊機的焊炬通過特殊設(shè)計的夾具安裝于機床主軸護套上，特殊的滑槽設(shè)計便于調(diào)整位置，使其垂直于機床工作臺。在電弧增材制造過程中，不匹配的工藝參數(shù)將導(dǎo)致飛濺，為了保護絲杠與導(dǎo)軌，上表面帶有金屬保護片的導(dǎo)軌防護罩替代了原先的柔性風(fēng)琴式纖維防護罩，可抵抗飛濺。

2 電弧增材制造機床電氣控制邏輯

2.1 前提要求

對于S7-200 Smart PLC與數(shù)字焊機，本文分別進行了RS485通訊及模擬量控制。首先，數(shù)控機床與焊機設(shè)備起弧、熄弧之間有嚴格的時序要求。針對當前所改造數(shù)控銑床電氣設(shè)備特點，本文對于一些控制邏輯重新劃分，YD500GP5HNW數(shù)字焊機的焊接工藝有無收弧焊接、有收弧焊接、點焊及有初期收弧焊接四種，其中后三種適應(yīng)于手工焊接，利于減輕勞動強度，卻不適用于數(shù)控機床的緊急停機，因而推薦采用第一種無收弧焊接模式。

電弧增材制造數(shù)控機床未運行運動程序時，焊機常用的操作為送絲、送氣、設(shè)置提前/滯后送氣時間、設(shè)置起弧電流/電壓/時間、正常電流/電壓、熄弧電流/電壓/時間等。而在電弧增材制造數(shù)控機床運行運動程序時，當執(zhí)行到起弧代碼時能夠控制焊機正常起弧，起弧成功后繼續(xù)運行否則程序暫停，當執(zhí)行到熄弧代碼時能夠控制焊機正常熄弧。期間，能夠按照設(shè)置的起弧、正常段、熄弧段的電流/電壓/時間運行。

2.2 PMAC Clipper卡控制邏輯

PMAC Clipper卡執(zhí)行下載到卡內(nèi)的PLC程序與運動程序，在運行運動程序時，需要設(shè)計特殊的代碼實現(xiàn)起弧與熄弧控制，本文設(shè)計了M11與M12代碼，相應(yīng)的運行動作見表1。M11代碼用于起弧，并暫停當前運動程序所在行，直至接收到起弧成功信號后，運動程序繼續(xù)運行，該控制邏輯用于最大限度保證穩(wěn)定起??；M12代碼用于熄弧，并暫停當前所運行的程序行，直至起弧成功信號消失后繼續(xù)運行程序，該控制邏輯用于最大限度保證穩(wěn)定熄弧。此外，當運行M11代碼、焊機成功起弧后，一旦中途檢測不到起弧成功信號，PMAC Clipper卡默認斷弧，此時會默認執(zhí)行暫停指令，直至電弧恢復(fù)或是人為退出程序，該控制邏輯可最大程度保護設(shè)備與人員安全。

表1 M11起弧與M12熄弧的控制代碼實現(xiàn)

M11與M12共用PMAC Clipper卡IO板上的一個I/O口，用高低電平控制起弧與熄弧過程；起弧成功信號占用另一個I/O口，用于接收來自焊機的起弧成功信號。此外，為了設(shè)備安全，本研究添加了焊接使能控制功能，由操作面板上新增按鍵控制是否焊接使能，當PMAC Clipper卡處于焊接禁用狀態(tài)時，運行M11/M12代碼不會執(zhí)行起弧/熄弧與暫停命令，該狀態(tài)可用于測試運動軌跡是否正確；當PMAC Clipper卡處于焊接使能狀態(tài)時，運行M11/M12代碼將按照原有的功能執(zhí)行起弧/熄??；該功能需占用IO板上兩個I/O口，一個用于接收按鍵的電平信號，另一個用于向焊機側(cè)輸出焊接使能信號。因此，PMAC Clipper卡IO板上至少需有2個空余輸入口、2個空余輸出口，才能實現(xiàn)上述控制策略。

PMAC Clipper卡僅負責(zé)數(shù)控機床自身PLC程序運行、運動程序運行、焊接使能信號、焊機起弧/熄弧信號發(fā)送與起弧成功信號接收，不處理任何的送絲、送氣、電流電壓設(shè)置等任務(wù)，簡化了PMAC Clipper卡的控制邏輯，同時減輕了對原數(shù)控機床PMACClipper卡IO板資源的要求，降低了對原數(shù)控系統(tǒng)的改動量。

PMAC Clipper卡需使用開關(guān)量與S7-200 Smart PLC進行通訊，包含PMAC Clipper卡發(fā)送給S7-200 Smart PLC焊接使能信號與起弧/熄弧的信號，S7-200 Smart PLC發(fā)送給PMACClipper卡的起弧成功信號。此外，PMAC Clipper卡通過交換機與數(shù)控機床計算機通訊，接收來自于數(shù)控機床計算機的命令及運動程序，同時反饋當前數(shù)控機床的運行代碼、主軸位置、主軸速度及I/O口狀態(tài)等信息。

2.3 S7-200 Smart PLC控制邏輯

S7-200 Smart PLC用于響應(yīng)處理所有關(guān)于YD500GP5HNW數(shù)字焊機的事件，包含：送絲、送氣、焊接使能、起弧/熄弧、起弧成功、緊急停止、電壓設(shè)置、電流設(shè)置等功能。這些功能按照輸入輸出可分為幾種類型：

（1）S7-200 Smart PLC輸入信號：①來自于操作面板的送絲、送氣按鍵信號；②來自于PMAC Clipper的焊接使能信號以及起弧/熄弧信號；③來自于數(shù)控機床計算機的電壓電流等參數(shù)；④來自于焊機的起弧成功信號。

（2）S7-200 Smart PLC輸出信號：①焊接使能指示燈信號；②發(fā)送給PMAC Clipper卡的起弧成功信號；③起弧成功指示燈信號；④數(shù)字焊機的緊急停止信號；⑤數(shù)字焊機的起弧/熄弧信號；⑥數(shù)字焊機的送絲、送氣信號；⑦兩路模擬量信號用于控制數(shù)字焊機的焊接電壓與電流。

（3）S7-200 Smart PLC數(shù)字通訊：①通過交換機與數(shù)控機床計算機通訊（Modbus TCP）；②通過RS485與數(shù)字焊機通訊，如圖3所示。

圖3 S7-200 Smart輸入輸出與通訊示意圖

此外，電弧增材制造過程中，起弧/熄弧過程有嚴格的時序要求。S7-200 Smart PLC在焊接使能狀態(tài)下，接收到PMAC Clipper卡起弧信號，需要先執(zhí)行設(shè)定時間的提前送氣指令；之后開始起弧，按照起弧電壓電流運行設(shè)置起弧時間；當接收到熄弧信號，焊接電壓電流按照熄弧電壓電流變化并運行設(shè)置的熄弧時間，熄?。恢蟀凑赵O(shè)置的滯后送氣時間持續(xù)送氣，直至停止送氣。整個過程有嚴格的時序控制，并且之間的間隔與電壓電流大小可由數(shù)控機床計算機上位機完成設(shè)置，如圖4所示。

圖4 電弧增材制造過程時序圖

針對電壓電流設(shè)置，還研究了模擬量控制與RS485通訊這兩種情況。為了保證設(shè)備安全，即使RS485通訊能通過專機協(xié)議實現(xiàn)傳送送氣、送絲、起弧/熄弧及起弧成功信息，這些控制依舊使用S7-200 Smart PLC開關(guān)量進行控制，保證可靠性與低故障率。下面將從模擬量控制和RS485通訊進行詳細介紹（模擬量與RS485都進行了硬件連接）。

（1）S7-200 Smart與數(shù)字焊機模擬量控制

模擬量控制使用S7-200 Smart PLC模擬量輸出模塊SM AQ04輸出兩路0~10 V的電壓信號，該電壓信號與焊機內(nèi)部實際焊接電壓電流存在線性關(guān)系，通過該電壓信號即可設(shè)置焊機實際焊接電壓和焊接電流，其他的送氣、送絲、起弧/熄弧、起弧成功及緊急停止通過S7-200 Smart PLC開關(guān)量控制。此外，通過定時器的組合實現(xiàn)了上述時序控制，如圖5所示。

圖5 焊機端子臺接線與部分梯形圖

（2）S7-200 Smart與數(shù)字焊機RS485通訊

由于YD500GP5HNW焊機支持RS485通訊（S7-200 Smart PLC為主機，焊機為從機），并且其通訊協(xié)議為特別開發(fā)，并不是Modbus之類標準協(xié)議，無法使用S7-200 Smart PLC中的標準通訊協(xié)議模塊。因此，本研究針對專機通訊協(xié)議在S7-200 Smart PLC中使用梯形圖、中斷及數(shù)據(jù)塊設(shè)計了對應(yīng)的通訊塊，如表2所示。不同命令除了幀頭一致，其余基本上不相同，無法通過設(shè)置通用通訊數(shù)據(jù)幀模板覆蓋所有焊機命令，因而所有焊機命令都需要單獨設(shè)置對應(yīng)的通訊數(shù)據(jù)幀模板以實現(xiàn)相應(yīng)命令。不同于模擬量控制，RS485通訊可以設(shè)置焊機內(nèi)部所有的菜單，包含電流、電壓、P菜單命令、絲徑材質(zhì)設(shè)置、脈沖微調(diào)、焊接動作等。本文在數(shù)據(jù)塊中共設(shè)置了22條通訊數(shù)據(jù)幀模板，用于設(shè)置焊機。

表2 焊機通訊協(xié)議典型通訊數(shù)據(jù)幀

通過在S7-200 Smart PLC的數(shù)據(jù)塊中設(shè)置通訊數(shù)據(jù)幀模板，并在符號表中設(shè)置指向不同通訊數(shù)據(jù)幀模板中需要更改數(shù)值地址的變量，通過操作變量改變通訊數(shù)據(jù)幀中的設(shè)定值，重新填寫異或校驗值，之后發(fā)送給焊機即可完成操作。需要指出的是，該過程核心是數(shù)據(jù)塊中的通訊數(shù)據(jù)幀模板，但實際還使用XMT發(fā)送、RCV接收及對應(yīng)的中斷，此外還包括繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理和異或校驗。

2.4 數(shù)控機床計算機上位機控制邏輯

數(shù)控機床計算機作為整個電弧增材制造數(shù)控機床電氣設(shè)備的上位機，需同時完成數(shù)控機床運動控制與焊機控制，核心是與各設(shè)備的通訊、數(shù)據(jù)下載及設(shè)備狀態(tài)顯示監(jiān)控。數(shù)控機床計算機界面使用Qt編寫，共兩個線程，包含主顯示線程與通訊線程，主顯示線程用于輸入運動程序、電參數(shù)設(shè)置及運動、電參數(shù)的狀態(tài)顯示，通訊線程包含與PMAC Clipper卡、S7-200 Smart PLC的通訊。

2.5 電流電壓采集系統(tǒng)設(shè)計

本文基于CDAQ-9189機箱和NI-9239電壓輸入采集卡設(shè)計了焊接電壓電流采集系統(tǒng)，使用高反應(yīng)速度的霍爾電流傳感器采集焊接電流。對于焊接電壓，本研究基于HCNR201線性光耦設(shè)計了雙通道電壓采集模塊，可將0~100 V經(jīng)過線性變化和光耦隔離成0~5 V，并具備高響應(yīng)速度，如圖6所示。

圖6 雙通道電壓采集模塊

3 試驗驗證

低碳鋼和鋁鎂合金的電弧增材制造的試驗結(jié)果見圖7。低碳鋼所用焊絲為直徑1.2 mm的ER50-6，基板為Q235B鋼板，保護氣為95%的Ar和5%的CO2混合氣，流量15 L/min，電流125 A，電壓19 V，焊接速度7 mm/s，使用RS485通訊打印45層。鋁鎂合金所用焊絲為直徑1.2 mm的ER5356，基板為5052鋁合金板，保護氣為Ar，流量15 L/min，電流150 A，電壓24 V，焊接速度10 mm/s，采用雙脈沖模式，固定層間冷卻時間50 s，使用模擬量控制打印60層。

圖7 零件打印

圖8是在鋁鎂合金零件堆積期間，電流電壓采集系統(tǒng)所采集到的焊接電壓電流，可見電壓與電流的波形準確而清晰。

圖8 鋁鎂合金堆積期間對應(yīng)雙脈沖電流與電壓波形

4 結(jié)論

本文將老舊數(shù)控銑床改造為電弧增材制造機床，系統(tǒng)研究了基于PMAC Clipper卡、S7-200 Smart PLC、交換機及計算機的電氣控制，得到以下結(jié)論：

（1）設(shè)計了具有保護功能的M11起弧與M12熄弧代碼，得到了較好的實際效果。

（2）S7-200 Smart與焊機間使用模擬量控制較為簡單、精度略低，易實現(xiàn)與維護；S7-200 Smart與焊機間使用RS485通訊，技術(shù)復(fù)雜、精度很高，可設(shè)置焊機內(nèi)部參數(shù)較多，程序可維護性較差。

（3）使用RS485通訊和模擬量控制分別制備了外觀良好的低碳鋼零件和鋁鎂合金零件，均滿足使用要求，使用基于HCNR201雙通道電壓采集模塊反應(yīng)迅速、隔離效果好，所采集波形準確而清晰。