魯健，傅戈雁

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

激光熔覆成形(laser cladding forming，LCF)是一種隨著大功率激光器的發(fā)展而形成的一種新型致密金屬零件成形技術(shù)。LCF根據(jù)送料方式不同，可以分為送粉式激光熔覆和送絲式激光熔覆[1]。現(xiàn)有送絲技術(shù)，主要用于焊接，大多采用步進(jìn)電機(jī)送絲，送絲精度不高，與熔覆裝置呈分立式結(jié)構(gòu)，送絲系統(tǒng)和熔覆系統(tǒng)無法集成，送絲穩(wěn)定性差，步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。這種由步進(jìn)電機(jī)工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利；另一方面，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600r/min。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000r/min或3000r/min)以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出，步進(jìn)電機(jī)無法滿足高精度的送絲速度控制，很容易加大熔覆的失敗率，以至于不能正常進(jìn)行表面熔覆[2]。故本文研發(fā)一種基于松下PLC的伺服控制系統(tǒng)，可編程控制器PLC型號(hào)為FP-X-C38A(Tr型)，可實(shí)現(xiàn)送絲速度穩(wěn)定及工藝參數(shù)實(shí)時(shí)反饋控制的功能。

1 送絲系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

送絲系統(tǒng)分為送絲機(jī)構(gòu)和送絲機(jī)兩部分組成[3]。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的在于提供一種送絲機(jī)及激光溶覆裝置，通過PLC與伺服電機(jī)的閉環(huán)控制，送絲機(jī)既能有效、精細(xì)調(diào)控、校直絲材，保障了絲材傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格絲材的有效傳輸，提高了絲材傳輸多樣性，保證了高精度的熔覆層形狀和尺寸精度。圖1為該三光束激光熔覆系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 三光束光內(nèi)送絲系統(tǒng)

本文利用倍?？刂颇K提供電壓信號(hào)，通過PLC，使用其高速計(jì)數(shù)器和脈沖輸出功能，控制送絲速度。伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)分別為MSMF012L1D2M、MADLT15SF。驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，可實(shí)現(xiàn)送絲速度穩(wěn)定及工藝參數(shù)實(shí)時(shí)反饋控制。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 送絲控制系統(tǒng)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路接線

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)核心為FP-X-Tr型PLC，結(jié)合伺服驅(qū)動(dòng)中的位置控制模式，通過上位控制器輸入的模擬速度指令來進(jìn)行送絲速度控制[4]。硬件設(shè)計(jì)包括PLC輸入輸出電路設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器位置控制模式電路設(shè)計(jì)。圖3為PLC電路設(shè)計(jì)部分，圖4為位置控制模式部分接線圖。

圖3 PLC電路設(shè)計(jì)圖

圖4 位置控制部分接線圖

圖3(a)中X0-X3為PLC電源及輸入配線端子，控制單元X0-X3在一般輸入時(shí)響應(yīng)時(shí)間在135μs以下，在高速計(jì)數(shù)器、脈沖捕捉、中斷輸入時(shí)響應(yīng)時(shí)間在5μs以下，選取X0端口接外部24V電源，COM端口接外部0V電源。圖3(b)中Y0-Y3為輸出端子，連接驅(qū)動(dòng)電路編碼器端口，如圖4所示。Y0接4口脈沖PULS1與PULS2，控制脈沖信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)脈沖控制；Y1接3口SIGN1與SIGN2，控制脈沖信號(hào)正反方向，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。1與2為位置指令脈沖信號(hào)。

2.2 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與送絲速度比例設(shè)計(jì)

送絲過程首先經(jīng)過倍?？刂颇K給出電壓信號(hào)，經(jīng)過程序轉(zhuǎn)換，最終形成脈沖信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)器，通過驅(qū)動(dòng)器來控制脈沖信號(hào)與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速配比。驅(qū)動(dòng)器面板顯示出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速器、送絲主動(dòng)輪輸送絲材，得出送絲速度。送絲位置關(guān)系示意圖如圖5所示。

1—絲盤；2—絲材；3—送絲主動(dòng)輪。圖5 送絲位置示意圖

試驗(yàn)選取倍福控制模塊作為電壓輸入信號(hào)，電壓可輸出范圍在0～10V，通過A/D數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，在驅(qū)動(dòng)器設(shè)定面板參數(shù)時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)換比例得到驅(qū)動(dòng)器最大輸出脈沖Pmax為100000p/s，輸出脈沖與轉(zhuǎn)數(shù)存在線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)定線性轉(zhuǎn)換比例K為2000p/r，即驅(qū)動(dòng)器輸出2000脈沖，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，最終得出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速N1與輸出脈沖P關(guān)系如下：

(1)

由式(1)所得出的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速N1(單位：r/min)需經(jīng)過減速器減速達(dá)到試驗(yàn)送絲機(jī)設(shè)計(jì)要求，設(shè)定減速器與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比為i，所得主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為N2(單位：r/min)，則：

(2)

主動(dòng)輪設(shè)計(jì)直徑為d(單位：mm)，得到送絲速度(單位：mm/min)

V=πdN2

(3)

由式(1)-式(3)帶入，得：

(4)

3 PLC軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

當(dāng)執(zhí)行送絲機(jī)程序時(shí)，一般分為手動(dòng)送絲和自動(dòng)送絲兩個(gè)過程。一般先切換到手動(dòng)送絲模式，按下開關(guān)，啟動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)行送絲的相關(guān)參數(shù)調(diào)整，檢測絲材與噴頭、三光束光斑之間的位置間隙耦合情況、絲材的正常運(yùn)行情況等。當(dāng)所有參數(shù)調(diào)整到最佳后，啟動(dòng)自動(dòng)送絲模式，輸入熔覆工藝所需要的速度值，即倍福模塊相應(yīng)的模擬信號(hào)值，此時(shí)執(zhí)行程序時(shí)，已經(jīng)處在最佳送絲狀態(tài)，無需再對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到本文設(shè)計(jì)送絲系統(tǒng)的初步目標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的熔覆成形試驗(yàn)。系統(tǒng)的程序流程圖如圖6所示。

圖6 送絲系統(tǒng)程序流程圖

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

按照上述控制流程方案，部分軟件梯形圖如圖7所示。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)送絲模式下，送絲機(jī)控制部分實(shí)現(xiàn)送絲速度的恒變速運(yùn)行，送絲速度保持不變；設(shè)定模擬量在0～10V，輸入模擬量數(shù)值X放入WX2中，從WX2中讀取數(shù)字轉(zhuǎn)換值默認(rèn)保存在DT0中，其中轉(zhuǎn)換范圍在K0～K4000，選取脈沖0～100000Hz，經(jīng)過線性比例轉(zhuǎn)換，輸出需要的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)絲材的恒變速控制[5]。

圖7 PLC梯形圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)材料包含基板與熔覆材料。為保證基板與熔覆材料能夠充分、快速、穩(wěn)定地結(jié)合，基板采用304不銹鋼，熔覆材料選取了TIG氣保護(hù)焊用鍍銅焊絲，絲徑為0.8mm。根據(jù)課題組對(duì)光內(nèi)送絲工藝參數(shù)的研究，本試驗(yàn)選取一組良好的工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)定離焦量為-2mm、激光功率為1300W、掃描速度為20.5mm/s、送絲速度為4mm/s，設(shè)計(jì)成形長度為5cm的單道，對(duì)比未采用三光束光內(nèi)送絲系統(tǒng)成形的單道[6]，具體形貌圖如圖8所示。

圖8 單道形貌圖

從圖8分析可知，圖8(a)中未采用本文送絲系統(tǒng)，送絲過程不夠穩(wěn)定，絲材接觸基板時(shí)，絲速受絲材剛性與外界阻力干擾，無法保持恒速進(jìn)入熔池，故絲材進(jìn)入熔池時(shí)，無法保持穩(wěn)定，熔融不充分，出現(xiàn)跳絲、熔滴滴落等現(xiàn)象，單道整體形貌很差；圖8(b)中采用本文送絲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)伺服電機(jī)的恒速送絲控制，整條熔道保持連續(xù)，表面平整，無明顯質(zhì)量差異，未出現(xiàn)熔道斷裂不間斷或熔滴滴落等現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明：通過基于PLC的三光束光內(nèi)送絲伺服控制系統(tǒng)，送絲速度穩(wěn)定性得到有效改善，成形過程趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

1) 通過硬件設(shè)計(jì)，利用位置控制模式，采用脈沖控制，大大提高了熔覆過程的穩(wěn)定性。

2) 通過PLC軟件設(shè)計(jì)，編寫送絲控制系統(tǒng)程序，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)伺服電機(jī)的恒速送絲控制，無送絲滯后現(xiàn)象。

3) 設(shè)計(jì)驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)，熔覆成形5cm長的單道，通過形貌對(duì)比分析，結(jié)果表明：利用本文光內(nèi)送絲伺服控制系統(tǒng)，提高了送絲過程與熔覆成形過程的穩(wěn)定性與精確度。