劉江濤，弋景剛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，保定 071001）

0 引言

T型管散熱器是一種節(jié)能、高效和成本低的新型散熱器，其有橫、豎管件相貫焊接而成，立管間距小，又帶有鋁翼障礙，焊接空間很小，不允許焊渣飛濺，焊接難度大。目前，國內(nèi)散熱器T型多立管相貫線壁障連續(xù)焊接多采用人工焊接，存在不易保證焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率低等缺點。對于T型管相貫線的焊接，國內(nèi)曾有單位研制了基于機械結(jié)構(gòu)的自動焊接機，該焊接機自動化程度較低，焊接質(zhì)量低，不能實現(xiàn)T型多立管相貫線壁障連續(xù)焊接[1]。從國外引進(jìn)的弧焊機器人多采用示教編程模式，需要控制焊槍在離線狀態(tài)下沿預(yù)定的焊縫曲線軌跡走一遍，把焊接軌跡和相關(guān)參數(shù)記錄到控制器中；當(dāng)被焊件尺寸發(fā)生改變時需要另外示教；機器人發(fā)生故障時，需要國外生產(chǎn)廠家指導(dǎo)，維修不方便。基于此，設(shè)計了雙焊槍自動焊接機控制系統(tǒng)。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

散熱器T型管相貫線的模型如圖1所示，它是散熱器橫管和立管兩圓柱面正交所形成的相貫性，是一條三維空間曲線，又被稱為馬鞍曲線[2]。

在實際散熱器T型管相貫線的焊接中，加工對象往往不是一條相貫線或一個管子，而是一排管子的連續(xù)焊接，而且在立管上還有用來加大散熱面積的漲鋁，大大限制了焊槍移動范圍，加大了T型管相貫線自動化焊接難度。

圖1 散熱器T型管相貫線模型

圖2 雙焊槍自動焊接機機械本體結(jié)構(gòu)

針對這種特殊的應(yīng)用需求，設(shè)計了如圖2所示的雙焊槍自動焊接機機械本體結(jié)構(gòu)。該焊接機采用雙焊槍同時焊接的方式對散熱器T型管相貫線進(jìn)行連續(xù)焊接。機械本體由五個軸組成，分別是控制工件輸送臺移動的X軸，控制焊槍進(jìn)給運動的Y軸，控制焊槍垂直移動的Z軸，以及分別控制雙焊槍擺動的R1軸和R2軸。其中R1軸和R2軸電機由6K4運動控制器的電機驅(qū)動口發(fā)出的同一組脈沖驅(qū)動，保證了雙槍擺動的同步性，提高了焊接精度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件

硬件系統(tǒng)主要由IPC，6K4多軸運動控制器、交流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)、MIG數(shù)字焊機，MCS-51單片機及、限位開關(guān)、位置傳感器等組成，如圖3所示。工控機、MCS-51單片機和6K4多軸運動控制器共同構(gòu)成了一主二從式的多處理器結(jié)構(gòu)。上位機采用工業(yè)控制機（IPC），下位機采用6K4多軸運動控制器和MCS-51單片機并行控制模式。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

以IPC為控制中心，通過RS485接口與MCS-51單片機通訊，對控制面板上的各種按鈕，指示燈進(jìn)行控制，完成對各軸伺服系統(tǒng)上電、狀態(tài)顯示、伺服系統(tǒng)報警等功能；通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與6K4運動控制器通訊，完成對各軸伺服系統(tǒng)運動軌跡規(guī)劃、伺服狀態(tài)實時讀取等功能。

用戶通過上位機IPC進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，如橫管直徑、立管直徑、插補速度、插補周期、相對原點、焊接電壓、焊接電流等，還可以進(jìn)行運動路徑規(guī)劃、任務(wù)指定等工作；同時通過RS485接口和MCS-51單片機通訊，讀取控制面板上開關(guān)控制信號，生成相應(yīng)運動控制方案。此外，根據(jù)用戶通過人機界面輸入的控制參數(shù)，用6000運動語言生成相應(yīng)運動控制程序，利用工業(yè)以太網(wǎng)接口將該程序下載到6K4運動控制器程序存儲器中，供控制系統(tǒng)自動運行時實時調(diào)用。6K4運動控制器根據(jù)上位機的命令發(fā)送指令給各軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動各軸電機按一定規(guī)律動作，完成T型管相貫線自動焊接。

控制系統(tǒng)X軸，Y軸和Z軸采用交流伺服系統(tǒng)，R1軸和R2軸采用混合式步進(jìn)電機和步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動器組成開環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件由上位機IPC管理模塊、通訊模塊、下位機控制模塊組成。上位機IPC是整個控制系統(tǒng)的后臺管理模塊，完成一些實時性不強和多任務(wù)協(xié)調(diào)等方面的工作。利用基于可視化的VB語言編程設(shè)計上位機應(yīng)用程序，開發(fā)了雙焊槍自動焊接機人機控制界面，上位機應(yīng)用程序主界面如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)工作時，用戶只需在人機控制界面輸入相應(yīng)參數(shù)就能自動完成焊接任務(wù)。在系統(tǒng)運行發(fā)生異常時，操作人員可以通過人機界面上或控制面板上的按鈕，使系統(tǒng)各軸伺服系統(tǒng)忽略當(dāng)前運動控制指令而緊急制動，同時運動程序也暫停運行，人為解除緊急制動命令后，運動程序從緊急制動時刻開始繼續(xù)執(zhí)行，自動焊接機控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)由后臺PLC程序、6K4運動控制器I/O口轉(zhuǎn)接板、電機編碼器等組成。能夠?qū)﹄p焊槍自動焊接機各軸伺服系統(tǒng)運行位置、運行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控。用戶還可以通過6K4運動控制器的后臺PLC程序和控制面板上的波段開關(guān)設(shè)置各軸運動速度。為完成T型管相貫線焊接，在機械本體上安裝了測量工件運動位置的光纖傳感器。

3 實際焊接效果分析

圖 4 上位機應(yīng)用程序主界面

圖5 自動焊接機控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

本控制系統(tǒng)采用雙焊槍實現(xiàn)T型管散熱器自動焊接，焊接強度高，承壓能力強，焊接過程平滑。雙焊槍自動焊接的起始點和終點易漏氣，水中2MPa壓力下測試沒有發(fā)現(xiàn)氣泡，不漏氣，滿足T型管散熱器要求。T型管散熱器實際焊接效果如

圖6所示。

圖6 實際焊接效果圖

4 結(jié)論

基于工控機（IPC）和多軸運動控制器（6K4）設(shè)計了雙焊槍自動焊接機控制系統(tǒng)，利用VB編制了操作簡單、交互性較好的人機界面。實際焊接和測壓試驗表明：該系統(tǒng)焊接過程平滑，焊接精度高、不漏氣，能滿足T型管散熱器焊接要求。

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