李銀華 趙 凡 黃軍壘

(①鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002;②鄭州斯倍思機(jī)電有限公司，河南 鄭州 450001)

家用采暖散熱器是將熱量傳導(dǎo)到室內(nèi)的一種終端設(shè)備。它的生產(chǎn)與加工主要由人工焊接完成，存在著工藝落后、勞動(dòng)強(qiáng)度大，招工難、生產(chǎn)效率低，成本高、能耗高、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程對(duì)焊接精度與質(zhì)量的要求［1］。目前焊接自動(dòng)化裝備以及焊接機(jī)器人已經(jīng)成為世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的重要裝備，實(shí)現(xiàn)智能化的焊接自動(dòng)化已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然要求［2］。因此，焊接自動(dòng)化技術(shù)對(duì)于提高接頭品質(zhì)、保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高生產(chǎn)效率具有很重要的意義。

針對(duì)家用散熱器的管板焊接現(xiàn)狀、特點(diǎn)和技術(shù)要求，采用高精度滾珠絲杠的三維機(jī)械裝置、軟PLC 技術(shù)、伺服系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)用的三軸聯(lián)動(dòng)全自動(dòng)氬弧焊接設(shè)備，利用基于橢圓離心角變化的插補(bǔ)算法滿(mǎn)足控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，實(shí)現(xiàn)焊接工件復(fù)雜曲線(xiàn)的焊縫焊接，滿(mǎn)足家用散熱器現(xiàn)場(chǎng)焊接生產(chǎn)需求。

1 散熱器焊接技術(shù)要求

散熱器焊接，包括管板焊接與管管焊接。管板焊接通用的幾種方法:手工氬弧焊、焊條電弧焊、脈沖自動(dòng)氬弧焊［3］。脈沖自動(dòng)氬弧焊，焊接過(guò)程穩(wěn)定性好、高效率為目前管板焊接的主流發(fā)展方向［4］。在焊接過(guò)程中要求焊接的線(xiàn)速度基本一致，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，不會(huì)出現(xiàn)因材料受熱不均勻等因素產(chǎn)生焊穿、熔合不良、未焊透、焊縫不連續(xù)等焊接缺陷，使得加工柔性、焊接精度、焊接質(zhì)量等都顯著提高。具體的技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)適應(yīng)于異性薄壁鋼管散熱器端口封頭焊接，也可針對(duì)不同的工件修改程序應(yīng)用于其他焊接領(lǐng)域。

(2)可焊接不銹鋼、銅、鈦及其合金。

(3)電弧柔和穩(wěn)定，焊縫寬度一致，缺陷少，焊接質(zhì)量高。

(4)輸入電壓:三相交流380±10%V 50 Hz。

(5)焊接深度:0.08～2.5 mm。

(6)工作臺(tái)行程:1500 mm×800 mm×400 mm。

(7)定位精度:0.05 mm。

(8)焊接速度:0～1800 mm/min。

散熱器的管板焊接軌跡為若干個(gè)并排的橢圓，如圖1 所示。

2 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

散熱器焊接技術(shù)要求和實(shí)際工作環(huán)境狀況，采用工控機(jī)+軟PLC+EtherCAT 總線(xiàn)+伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成焊接設(shè)備控制系統(tǒng)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)TwinCAT NCI/CNC 接口將用戶(hù)命令轉(zhuǎn)換成數(shù)控指令，經(jīng)EtherCAT 總線(xiàn)發(fā)出脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)作平面三維運(yùn)動(dòng)。焊槍裝到三坐標(biāo)數(shù)控專(zhuān)用焊接設(shè)備上，由焊接設(shè)備控制焊接軌跡。TwinCAT NCI/CNC 安裝在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，與三坐標(biāo)數(shù)控專(zhuān)用焊接設(shè)備相連接?？刂葡到y(tǒng)組成圖如圖2所示。系統(tǒng)根據(jù)不同焊接材料設(shè)置相應(yīng)的焊接電流，可實(shí)現(xiàn)橢圓曲線(xiàn)焊縫焊接。EtherCAT 總線(xiàn)可達(dá)到100 MB/s的傳輸速率，具有分布時(shí)鐘技術(shù)，可保證設(shè)備間實(shí)時(shí)性和協(xié)同性。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，焊件固定不動(dòng)，焊槍移動(dòng)，控制焊接軌跡。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。采用安裝了TwinCAT 軟件的研華工控機(jī)作為主控制器，實(shí)現(xiàn)PLC功能。伺服系統(tǒng)采用施耐德伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，將電動(dòng)機(jī)反饋量傳遞給主控制器，推算出焊槍的實(shí)際位移，確保伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。送絲機(jī)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。倍幅功能模塊選擇基本輸入模塊EL1008、輸出模塊EL2008、EtherCAT 模塊EK1110、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊KL2541、模擬量輸入模塊KL3042、末端模塊EL9011、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊KL2541 等。X 軸與Y 軸負(fù)責(zé)焊槍的左右前后移動(dòng)，Z 軸負(fù)責(zé)焊槍的上升與下降，三軸結(jié)合實(shí)現(xiàn)焊槍的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

3 焊接插補(bǔ)算法

系統(tǒng)控制的核心問(wèn)題就是如何控制焊槍移動(dòng)，使焊槍能夠按照要求的焊縫軌跡運(yùn)行。依據(jù)散熱器管板焊接軌跡特點(diǎn)，要實(shí)時(shí)提供無(wú)限接近圓弧直線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)橢圓軌跡的焊接，需要研究適合橢圓曲線(xiàn)的插補(bǔ)算法。系統(tǒng)選擇適用于橢圓圓弧的插補(bǔ)算法，以實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)便、并能達(dá)到一定的精度為主要目標(biāo)［5］。依據(jù)橢圓參數(shù)方程，堅(jiān)持可控步長(zhǎng)實(shí)時(shí)插補(bǔ)算法的設(shè)計(jì)理念［6］，給出了一種變離心角實(shí)時(shí)插補(bǔ)算法。該算法不需事先設(shè)定插補(bǔ)過(guò)程中的步長(zhǎng)值，且可保持焊接過(guò)程中線(xiàn)速度恒定。

設(shè)橢圓的參數(shù)方程為:

式中:a 為長(zhǎng)軸半徑，b 為短軸半徑，θ 為長(zhǎng)軸(或短軸)所對(duì)應(yīng)曲率圓半徑旋轉(zhuǎn)角，稱(chēng)為橢圓離心角。圖4 中∠AOD 為點(diǎn)C 離心角。橢圓圓心角ψ 是指橢圓上點(diǎn)與焦點(diǎn)連線(xiàn)與X 軸所形成的角，圖4 中∠COD 為點(diǎn)C的圓心角。離心角θ 和圓心角ψ 之間滿(mǎn)足關(guān)系式:

設(shè)橢圓上任意點(diǎn)為M(xi，yi)、N(xi+1，yi+1)，M、N點(diǎn)對(duì)應(yīng)離心角為θi、θi+1，橢圓上點(diǎn)M 到焦點(diǎn)O 距離OM 為點(diǎn)M 對(duì)應(yīng)的曲率圓半徑Ri，則OM=Ri，且有

插補(bǔ)步長(zhǎng)ΔL 與插補(bǔ)周期T、線(xiàn)速度v 三者滿(mǎn)足關(guān)系式ΔL=v×T。若插補(bǔ)周期一定，系統(tǒng)確定了線(xiàn)速度，則插補(bǔ)步長(zhǎng)ΔL 亦可確定。而線(xiàn)速度v 是X 軸方向速度vx與Y 軸方向速度vy合成值，3 個(gè)量之間滿(mǎn)足三角函數(shù)關(guān)系［7］:

在焊接過(guò)程中，隨著插補(bǔ)軌跡從M 點(diǎn)移動(dòng)到N點(diǎn)，離心角由θi變?yōu)棣萯+1，離心角增量Δθ 可表示為:

在具體插補(bǔ)中，若插補(bǔ)周期T 很小，且ΔL?R，則有如下關(guān)系［8］:

因此，知道第i 個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)M 的坐標(biāo)(xi，yi)，便可根據(jù)式(5)與式(6)得出第i+1 個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)N 的離心角θi+1。從M 點(diǎn)到N 點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)的增量Δxi+1、Δyi+1的求解公式為:

根據(jù)式(7)和式(1)，由橢圓第i 個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)(xi，yi)即可得出第i+1 個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)N 的坐標(biāo)(xi+1，yi+1)及相應(yīng)坐標(biāo)軸進(jìn)給量Δxi+1、Δyi+1。各軸的進(jìn)給量與進(jìn)給速度滿(mǎn)足關(guān)系式為:

由此推算出各軸的進(jìn)給速度。插補(bǔ)過(guò)程實(shí)質(zhì)就是控制伺服電動(dòng)機(jī)的速度和進(jìn)給量，使其能夠按照給定的速度和位移來(lái)進(jìn)行移動(dòng)，用有限條無(wú)限接近圓弧的直線(xiàn)段代替圓弧，實(shí)現(xiàn)橢圓軌跡的焊接。插補(bǔ)原理圖如圖5 所示。

插補(bǔ)過(guò)程如何結(jié)束，需進(jìn)行終點(diǎn)判別。對(duì)于橢圓插補(bǔ)來(lái)講，當(dāng)?shù)趇+1 個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)與起始點(diǎn)坐標(biāo)一樣，便說(shuō)明此焊孔焊接結(jié)束?；蛘呖梢栽诓逖a(bǔ)過(guò)程中將每一次的離心角變化量Δθi疊加，毎插補(bǔ)一次，疊加一次。最后得到疊加后θ 為360°，即表示插補(bǔ)結(jié)束。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)核心，根據(jù)工件的焊接圖形和工藝要求，確定系統(tǒng)控制方式和控制參數(shù)。利用模塊化設(shè)計(jì)思想和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案，使之具有良好的模塊性、可修改性及可移植性。按照功能可以劃分為主控模塊、用戶(hù)界面模塊、伺服系統(tǒng)控制模塊、插補(bǔ)算法模塊等功能模塊。系統(tǒng)選用TwinCAT 軟件平臺(tái)，完成對(duì)施耐德驅(qū)動(dòng)器的配置與程序設(shè)計(jì)。所有的硬件設(shè)備都可以通過(guò)TwinCAT System Manager 掃描到硬件配置中，與TwinCAT PLC Control 里編寫(xiě)的軟件程序進(jìn)行鏈接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。TwinCAT PLC Control具有如下功能:①遵循IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)，支持所有IEC61131-3 編程語(yǔ)言;②具有豐富的控制模塊，支持多種PID 算法;③支持用戶(hù)自己的控制算法;④提供仿真運(yùn)行，并可在線(xiàn)編譯修改;⑤支持遠(yuǎn)程修改程序［9］。軟件設(shè)計(jì)總架構(gòu)如圖6 所示。

具體的程序設(shè)計(jì)分為4 個(gè)部分:主函數(shù)和3 個(gè)子函數(shù)(雙軸耦合子函數(shù)、使能復(fù)位子函數(shù)、移動(dòng)子函數(shù))。MAIN 采用ST 編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)的主控制，并可調(diào)用子函數(shù)。子函數(shù)采用SFC 語(yǔ)言，按照順序調(diào)用功能塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。主函數(shù)與子函數(shù)采用不同的語(yǔ)言編寫(xiě)，提高程序可讀性。雙軸耦合子函數(shù)實(shí)現(xiàn)的是主從軸耦合。使能復(fù)位子函數(shù)實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)軸移動(dòng)前的準(zhǔn)備，使能階段，復(fù)位及停止功能的實(shí)現(xiàn)及速度、位置等命令的給定。移動(dòng)子函數(shù)包含單軸運(yùn)動(dòng)及多軸聯(lián)動(dòng)的啟動(dòng)及參數(shù)設(shè)定命令。這些功能實(shí)現(xiàn)需要相應(yīng)的功能庫(kù)TcMC.lib 完成。插補(bǔ)算法模塊控制流程圖如圖7 所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試

TwinCAT 自帶有電子示波器Scope View。只要將需顯示的數(shù)據(jù)鏈接到示波器，并開(kāi)始記錄，就可在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)Scope View 界面實(shí)時(shí)觀察到位置、速度、加速度、力矩、跟隨誤差等參數(shù)［10］，還可以直觀觀測(cè)到伺服電動(dòng)機(jī)主從軸的合成軌跡，即實(shí)際焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡。在調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行曲線(xiàn)，選擇對(duì)各軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，使得焊槍嚴(yán)格按照焊接軌跡運(yùn)行。焊接軌跡完成圖如圖8 所示。從圖中可以看出，基于離心角的插補(bǔ)算法運(yùn)用到控制系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)速度與具體軌跡的協(xié)調(diào)控制，使得插補(bǔ)過(guò)程更加平滑流暢，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橢圓焊縫焊接。

6 結(jié)語(yǔ)

基于工控機(jī)+軟PLC+EtherCAT 總線(xiàn)+伺服驅(qū)動(dòng)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱器管板的焊接，利用橢圓焊縫的變離心角插補(bǔ)算法，能有效控制焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡，具有計(jì)算簡(jiǎn)單，精度高的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，性能良好，實(shí)現(xiàn)了焊接速度與焊接軌跡的協(xié)調(diào)控制，提高焊接的精度和質(zhì)量。

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