韓俊青

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 德州 253000）

0 前言

電渣爐電極焊接設(shè)備的主要功能是將自耗電極與假接頭焊接在一起，從而實現(xiàn)為電渣爐提供熔煉電極。其焊接過程是自耗電極與假接頭在坡口內(nèi)的多層擺動焊接。焊接槍頭根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定好的位移曲線進(jìn)行一層接一層有序的擺動焊接，直到填滿自耗電極與假接頭之間的坡口[1]。

在焊接過程中，影響焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是焊接弧長，過長的弧長會導(dǎo)致焊縫成形質(zhì)量較差，弧長過短又容易造成頻繁短路。影響焊接弧長變化的主要因素有焊接電壓、送絲速度以及工件與焊槍導(dǎo)電嘴之間的距離。在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和送絲速度基本恒定的情況下，控制系統(tǒng)需要設(shè)計合適的控制器和相應(yīng)控制算法對焊接工件與焊槍導(dǎo)電嘴之間距離進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。在此主要從控制工件與導(dǎo)電嘴之間距離的角度詳細(xì)討論控制策略和方法。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

電渣爐電極焊的硬件控制系統(tǒng)包括焊槍槍頭位移控制系統(tǒng)、橫臂移動控制系統(tǒng)、焊接滾輪架控制系統(tǒng)等。由伺服控制器驅(qū)動的伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠組成焊槍槍頭位移系統(tǒng)。PLC通過MODBUS通信方式控制伺服控制器并讀取其狀態(tài)，伺服電機(jī)在伺服控制器控制下帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)焊槍的y方向升降運(yùn)動和x方向左右運(yùn)動[3]。滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速和焊槍槍頭位置通過旋轉(zhuǎn)編碼器又反饋至伺服控制器和PLC中，形成閉環(huán)負(fù)反饋。橫臂移動控制系統(tǒng)和焊接滾輪架控制系統(tǒng)都是由PLC直接控制交流電機(jī)驅(qū)蝸輪蝸桿或者減速器完成指定動作。

設(shè)計的電渣爐電極焊自動控制系統(tǒng)采用工控機(jī)作為上位機(jī)，上位機(jī)對焊接過程中的實時數(shù)據(jù)及相關(guān)重點參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視并顯示到人機(jī)界面觸摸屏上。PLC作為下位機(jī)完成程序的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的通訊，上下位機(jī)通訊采用MODBUS通訊方式。控制系統(tǒng)硬件組成為華研工控機(jī)、西門子TP-178觸摸屏、S7-200PLC及擴(kuò)展模塊、RS485PPI通信線纜等[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電渣爐電極焊控制結(jié)構(gòu)

設(shè)計的焊接控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能。

（1）監(jiān)控焊接控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，采樣重點數(shù)據(jù)并實時顯示在人機(jī)界面上，記錄焊接過程，生成實時趨勢圖。

（2）以手動或自動運(yùn)行的方式掃描執(zhí)行上位機(jī)和PLC中的設(shè)定程序，控制焊槍槍頭精確移動、焊槍橫臂移動以及臺架換輪的旋轉(zhuǎn)。

（3）通過觸摸屏可以隨時手動調(diào)節(jié)焊接電流。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

PLC作為控制系統(tǒng)的核心，焊槍的位移、焊接橫臂移動和滾輪架轉(zhuǎn)動以三個子程序的形式進(jìn)行設(shè)計。焊槍的位移按照移動方向的不同又可以分為x軸方向（左右）位移控制和y軸方向（上下）位移控制。系統(tǒng)程序模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序控制模塊

2.1 焊槍左右位移控制

焊槍左右位移的控制程序有手動和自動兩種控制方式。手動方式由人工操作完成產(chǎn)品首件的試焊，通過操作面板上的方向控制按鈕完成焊槍的位移動作。針對工件焊接坡口的尺寸形狀，設(shè)計了相應(yīng)的伺服電機(jī)位移程序并存儲在PLC的ROM中，PLC掃描執(zhí)行后從輸出端發(fā)出PWM脈沖指令來控制伺服控制器，驅(qū)動焊槍按照預(yù)設(shè)的位移曲線在x軸方向上移動，即為自動控制方式。

如圖2所示，PLC發(fā)出脈沖信號到焊槍左右位移伺服控制器，控制器驅(qū)動伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，焊槍槍頭導(dǎo)電嘴在絲杠帶動下按指定路線移動。焊槍實時位置以MODBUS通訊方式反饋給人機(jī)界面和上位機(jī)。伺服電機(jī)實時狀態(tài)都顯示在上位機(jī)工控機(jī)和人機(jī)界面觸摸屏上，方便操作人員實時監(jiān)控。

2.2 焊槍上下位移控制

焊槍槍頭導(dǎo)電嘴y方向上下位移控制方式與左右位移類似，控制方式也分手動和自動兩種方式。在自動控制方式下，與左右位移控制流程相同，PLC輸出PWM脈沖控制指令到上下位移伺服控制器[5]，滾珠絲杠副帶動焊槍槍頭導(dǎo)電嘴在y方向上下移動。機(jī)械裝置中也有行程開關(guān)用于限位保護(hù)。焊槍槍頭導(dǎo)電嘴上下位移控制流程如圖3所示。

3 焊接電流調(diào)節(jié)

選擇適當(dāng)?shù)暮笝C(jī)和送絲方式可以避免因焊接電壓不穩(wěn)和送絲速度變化對焊接電弧產(chǎn)生的干擾，由于滾輪帶動自耗電極旋轉(zhuǎn)時的徑向跳動，同時假接頭與自耗電極對位精度不高等問題，焊接過程中工件與焊槍槍頭導(dǎo)電嘴之間的距離變化不可避免。

由于工件與焊槍槍頭導(dǎo)電嘴之間的距離是由伺服電機(jī)驅(qū)動的焊槍槍頭走形路線決定的，控制導(dǎo)電嘴距離參數(shù)的根本途徑就是調(diào)節(jié)焊接電流的大小，焊槍槍頭伺服電機(jī)根據(jù)焊接電流自動調(diào)整焊接路線，從而實現(xiàn)工件與導(dǎo)電嘴之間的距離恒定，達(dá)到穩(wěn)定焊接弧長的目的。本研究以焊接電流值與給定穩(wěn)定焊接電流的偏差為控制量進(jìn)行閉環(huán)控制，通過控制算法計算并調(diào)節(jié)伺服控制器輸出量，最終實現(xiàn)焊接弧長的基本穩(wěn)定。

所設(shè)計的臺架滾輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和焊槍橫臂移動均采用常規(guī)PID控制。由于焊槍上下走形運(yùn)動較為復(fù)雜，焊接過程中工件與焊槍槍頭導(dǎo)電嘴之間的距離很難保持恒定，嚴(yán)重影響焊接電弧長和焊接質(zhì)量。本研究采用模糊控制理論與PID控制算法相結(jié)合的模糊PID控制算法作為焊槍槍頭導(dǎo)電嘴上下走形的控制策略。根據(jù)模糊PID控制策略，將PID控制器的比例、積分、微分參數(shù)查詢表存入PLC的ROM中，在PLC中斷子程序中寫入?yún)?shù)查詢程序，完成系統(tǒng)在線實時整定PID參數(shù)。焊接電流模糊PID控制算法流程如圖4所示。

圖3 焊槍槍頭上下走形控制流程框圖

圖4 焊接電流模糊PID控制算法流程

4 結(jié)論

研究了控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計，該系統(tǒng)以可編程控制器PLC為核心，分別對焊槍槍頭走行控制系統(tǒng)、橫臂移動控制系統(tǒng)、焊接滾輪架旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行了程序設(shè)計；針對焊接工件與焊槍槍頭導(dǎo)電嘴之間距離難以穩(wěn)定的情況，設(shè)計了以焊接電流閉環(huán)控制的模糊PID控制算法。

[1]李亞江，劉強(qiáng)，王娟.氣體保護(hù)焊工藝及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：2-6.

[2]殷樹言，劉嘉.數(shù)字化焊機(jī)發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代制造，2005，5（6）：34－35.

[3]李國勇，衛(wèi)明社.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009：66-70.

[4]呂學(xué)勤，劉剛，吳毅雄.焊接智能控制及其發(fā)展趨勢[J].電焊接，2007，37（5）：18-20.

[5]Mansour S E，Kember G C，Dubay R，et al.Online Optimization of Fuzzy—PID Control of a Thermal Process[J].ISA Transactions，2005，44（2）：305-314.