張窩羊+周艷麗+張志昂

摘 要：針對當(dāng)前焊接中自動(dòng)化程度低、焊接效率低等問題，論文分別從硬件及軟件兩方面對激光自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：激光焊接；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.135

1 引言

伴隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，激光自動(dòng)焊接技術(shù)依靠其特有的優(yōu)勢，在汽車、船舶等領(lǐng)域扮演著舉足輕重的角色，已成為焊接工藝技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的工藝之一。焊接工藝技術(shù)水平不僅影響工程進(jìn)度，同時(shí)嚴(yán)重制約著工程質(zhì)量。在影響焊接質(zhì)量的因素中，如操作人員、材料、工藝、環(huán)境及設(shè)備，對其影響最大的當(dāng)屬設(shè)備，尤其是設(shè)備的質(zhì)量及自動(dòng)化程度。早期焊接項(xiàng)目中，大多都是工人拿著焊槍對工件直接焊接，隨意性大、精度低。本文正是基于此背景下完成的。

2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

激光自動(dòng)焊接機(jī)總體控制結(jié)構(gòu)如圖1。整個(gè)控制系統(tǒng)可分為現(xiàn)場級、控制級、管理級。其中現(xiàn)場級主要由X向伺服系統(tǒng)、Y向伺服系統(tǒng)、Z向伺服系統(tǒng)及其他系統(tǒng)組成。現(xiàn)場級的焊接信號經(jīng)相應(yīng)途徑傳至由PLC構(gòu)成的控制級，再由工作人員通過由觸摸屏構(gòu)成的管理級對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，以此完成激光焊接機(jī)的控制。整個(gè)控制系統(tǒng)中，可編程邏輯控制器作為控制系統(tǒng)的核心，用以控制各系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？删幊踢壿嬁刂破髋c觸摸屏依靠ModBus通訊協(xié)議完成信息交換，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信號的準(zhǔn)確、快速傳輸，從而保證了控制要求的實(shí)現(xiàn)[4]。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

該系統(tǒng)硬件部分主要由PLC、控制電路、觸摸屏、伺服系統(tǒng)、激光發(fā)射器及其他元件。焊槍主要在X/Y/Z三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)作過程通過伺服系統(tǒng)與PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。PLC依據(jù)其預(yù)先設(shè)置好的程序，控制激光發(fā)射器的開與關(guān)、焊槍的運(yùn)動(dòng)。工作人員將指令寫入觸摸屏，以ModBus通訊協(xié)議為途徑，傳至控制系統(tǒng)的核心-PLC，由PLC經(jīng)一系列的邏輯運(yùn)算后，將結(jié)果送至伺服驅(qū)動(dòng)器及其他執(zhí)行元件，以完成命令。

3.2 部分電路圖及I/O分配

依據(jù)激光焊接機(jī)實(shí)際控制需求及PLC的I/O輸出情況，選用S7-200系列中的CPU224XP作為系統(tǒng)控制單元，另配以EM253定位模塊。該類型CPU在輸入輸出點(diǎn)數(shù)滿足系統(tǒng)控制要求的同時(shí)，還同時(shí)擁有兩個(gè)RS485通訊接口，能保證在與觸摸屏通訊的同時(shí)，隨時(shí)上傳及下載PLC程序。I/O分配及部分電路圖，分別見表1及圖2。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體控制流程

本論文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，為保證焊接的正常進(jìn)行及焊接工藝的順利實(shí)施，該P(yáng)LC程序必須具備自我檢測、自我判斷、自我處理及上電初始化等功能。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，PLC上電后首先進(jìn)行初始化，完成初始化以后，進(jìn)行工作方式的選擇（手動(dòng)或自動(dòng)），然后進(jìn)行硬件自動(dòng)檢測，直到命令執(zhí)行完畢，程序停止。

4.2 系統(tǒng)程序

為保證控制系統(tǒng)的精度，防止脈沖丟失引起的誤差，依據(jù)該控制系統(tǒng)的控制要求，采用閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。借助于PLC自帶的高速計(jì)數(shù)器，通過編碼器采集伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度信號。[4]本系統(tǒng)控制程序主要由以下幾個(gè)部分組成：主程序、脈沖輸出子程序、初始化及硬件檢測子程序、模擬量采集子程序。其中主程序主要是調(diào)用及處理各子程序間的關(guān)系，脈沖輸出子程序主要為各伺服電機(jī)發(fā)送脈沖串，初始化及硬件檢測子程序分別完成程序初始化及硬件檢測，模擬量采集子程序主要處理激光功率及冷卻水溫等。部分主程序如圖5。

4.3 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計(jì)

為保證人機(jī)界面形象逼真，在進(jìn)行組態(tài)界面開發(fā)之前，必須對該控制系統(tǒng)的工作流程分析。該控制系統(tǒng)組態(tài)界面開發(fā)要首先確認(rèn)：人機(jī)交換界面分類、總頁面及各頁面之間的邏輯關(guān)系；手動(dòng)/自動(dòng)模式選擇；確定所有輸入輸出點(diǎn)內(nèi)容及顯示。[4]基于以上分析，人機(jī)友好交換各界面流程如圖，主監(jiān)控界面如圖。

5 結(jié)語

在完成了軟硬件設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了PLC及觸摸屏界面的調(diào)試，證明了基于PLC與觸摸屏的激光自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行正常、可靠性能好，具有很高的實(shí)用價(jià)值。解決了當(dāng)前焊接中傳統(tǒng)焊接無法解決的難題，提高焊接效率及精度，節(jié)約了人力成本，為以后“成套性”激光焊接設(shè)備的發(fā)展提供了依據(jù)。

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