自動激光焊接設備電氣控制系統設計

摘 要：依據自動焊接設備機械結構設計要求，對設備功能和動作進行分析，根據其特點對電氣自動化控制進行設計。選擇合適的硬件模塊和電子元器件，編寫可靠的軟件程序；設計自動焊接設備和激光發生器的通訊接口連接方式，確保自動焊接設備能安全、穩定、可靠控制激光發生器進行金屬零件的焊接。最終實現自動將兩個“L型”金屬材料焊接成一個“口型”零件的功能，并應用于實際工業生產。

關鍵詞：可編程控制器；伺服控制系統；激光器；焊接；

中圖分類號： TM571.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-04-00285-02

引言

金屬零件激光焊接工藝是將工控技術和激光焊接技術相結合，完成對不同材質、厚度、形狀的金屬進行焊接。由于應用廣泛，使得焊接設備通用性大大降低，應用于液晶顯示領域中的焊接設備更是少之又少。目前只有臺灣、日本和國內少數自動化廠家研制并開發出自動激光焊接專用設備。臺灣立意公司采用三菱伺服控制系統，臺灣孟晉公司采用德國庫卡機器人，都掌握設計開發自動焊接設備，與激光器結合完成金屬零件批量焊接的技術。只是高額的設備采購費用和低利潤產品，不得不讓有一定研發能力的廠家進行激光焊接設備的開發設計和生產制造。

相對一百多萬元人民幣的進口專用設備，自制自動激光焊接設備材料成本只有二十萬元，采用雙伺服控制系統完成對激光器焊接加工頭的固定、調整和焊接功能，采用步進電機控制移送機械手運送金屬零件。為方便焊接工藝調整，還加入壓料，電磁鐵吸料、手動調整等功能，使自行設計的設備自動完成金屬零件焊接成為可能，并且焊接質量和焊接效率都可以達到工業生產要求。

自動激光焊接設備的功能是自動將兩個“L型”金屬料片焊接成“口”料片，為下一沖壓工序做準備，其目的在于提高原材料的利用率。原有沖壓工藝過程中會產生中間廢料，材料利用率只有30%左右；增加自動焊接設備和焊接工藝后，沒有中間廢料產生，材料利用率提高到75%以上。

一、機械結構總體方案設計

自動激光焊接設備機械結構主要由積料架、移送機械手、治具板、激光焊接頭移送機構以及機架五個部分組成，如圖1所示。積料架是將兩組“L”型金屬料堆疊起來，實現將料片逐步向上移送的功能；移送機械手主要由兩組帶有真空吸盤的手臂組成，通過一個步進電機和一個氣缸完成將料片依次移送到焊接治具板上，并將焊接好的零件從治具板移出的功能；治具板主要功能是完成兩個“L”型料片的精確定位；治具板上方的激光焊接頭移送機構在兩組伺服電機的驅動下帶動依次發出激光的焊接頭勻速運動，完成金屬零件的焊接功能。

二、電氣控制系統總體方案設計

電氣控制系統設計必須考慮到機械系統結構特點和一些特定功能，如激光焊接頭移送區必須采用精度較高的伺服電機進行傳動，而移送機械手采用步進電機和氣缸傳動即可，同時還要考慮設備成本、維修難易程度、工作效率等多方面因素。根據該設備特點，設計出電氣控制系統方案如圖2所示。

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是電氣控制系統的核心。它的主要功能是獲得輸入端口開關、按鈕等信號，經過軟件處理，將輸出信號傳輸給外部中間繼電器，從而驅動氣缸電磁閥、電磁鐵、真空發生器、步進電機等外部負載，實現焊接金屬零件的功能。PLC還和兩個脈沖發生器通訊，再加上兩臺伺服驅動器、伺服電機以及外部傳感器組成了一個閉環控制系統，確保伺服電機按照程序精確定位，使激光焊接頭勻速運動，達到最佳焊接效果。

為了和激光發生器進行控制通訊，PLC還通過一個小型PLC和激光器的并行輸入輸出接口通訊。其主要目的是，發出焊接指令的同時，得到激光器發出的反饋信號，確保激光器可以按照自動激光焊接設備的要求發出激光，最終來實現對金屬原材料的焊接功能。

（一）電源設計。由于選用三菱伺服電機，輸出電源需要三相交流220V電源，因此配備一個功率為1kW三相380V變220V變壓器專供伺服控制系統使用。為了防止人身觸電，控制回路均采用低壓直流24V電源，同時控制電源還采用雙直流24V電源供電系統。中間繼電器、PLC外部傳感器、觸摸屏都由直流開關電源供電；外部負載，如電磁閥、真空發生器、電吸鐵等，其驅動電流稍大，且容易出現外部短路故障，因此采用全橋整流電源。可見雙直流24V電源供給使得精密元器件穩定工作的同時，還可以防止外部負載對其干擾的影響。

（二）伺服控制系統設計。伺服控制系統由PLC、脈沖發生器（FX2n-1PG）、伺服驅動器（MR-J2S-40A）和伺服電機（HC-KFS43）組成。脈沖發生器就是根據PLC的指令將正轉或反轉脈沖發送給伺服驅動器，同時接收伺服驅動器收到伺服電機編碼器的反饋信號，從而確定伺服電機是否按照PLC發出的指令正常工作。

硬件配置完成后，還要根據需求對伺服驅動器參數進行必要的設置。首先確定脈沖指令單位，該系統選用滾珠絲杠給進量為5mm。在程序中對脈沖發生器定義：伺服電機轉一圈激光加工頭移動的距離是5000um；伺服電機轉一圈所需的脈沖數量為4096（2的n次方，且最接近5000），因此脈沖指令單位就是5000/4096（即伺服驅動器每發出一個脈沖，激光焊接頭前進5000/4096um）。

其次計算電子齒輪比：電子齒輪比分為分母（CMX）和分子（CDV）兩項參數設置，其設定范圍為：1/50

計算電子齒輪比計算公式：