雙臂數控焊接機床控制系統設計*

胡孔元，朱華炳

(合肥工業大學a.工業培訓中心;b.機械與汽車工程學院，合肥 230009)

0 引言

汽車后橋軸端法蘭焊接質量的好壞關系到汽車行車的安全性和汽車的整車性能。傳統的手工焊接、單工位焊接機器人或者半自動CO2保護焊焊接質量難以保證，且生產效率低下，勞動強度大，焊接自動化生產是必然趨勢［1］。本文針對國內某公司汽車后橋軸端法蘭焊接生產過程中存在的工人勞動強度大和生產率低等問題，設計一種雙臂數控焊接機床控制系統。利用S7-200PLC、觸摸屏、編碼器、伺服電機及驅動器等搭建控制系統，提出一種觸摸屏和PLC 基于串行通信的位置和擺動伺服控制方法，實現后橋法蘭焊接的自動化、信息化和柔性化。

1 系統總體設計

雙臂數控焊接機床用于汽車后橋兩端法蘭焊接。本道工序前法蘭與橋殼已經點焊固定，焊接要求:①法蘭兩側焊接;②焊臂擺動;③焊接有始末點(非閉環)。雙臂數控焊接機床如圖1 所示。本機床機構運動功能有:①焊臂水平移動:伺服電機經減速器驅動絲杠運動副。②焊臂升降:伺服電機經減速器驅動螺桿運動副。③焊槍伸縮:氣動。④焊槍擺動:伺服電機經減速器驅動。⑤后橋軸向夾緊與放松:氣動。⑥主軸旋轉:變頻電機經減速器驅動。⑦定位測頭伸縮:氣動。

圖1 雙臂數控焊接機床示意圖

根據本次焊接工序的要求和保證焊接質量，結合機床機構功能，控制系統設計采用觸摸屏為上位機，S7-200 晶體管輸出型PLC 為下位機，通過串口通信的方式實現監控［2-3］。系統具備手動控制、自動控制、信息顯示和參數編輯等功能。

(1)手動控制:①實現機床機構運動功能;②點焊;③運動軸回零;④停止;⑤位置保存，保存焊槍處于兩工位(四焊接位置)時Z軸(水平)、X軸(上下)和A軸(旋轉)的位置信息。

(2)自動控制:①運行，按程序先同時焊接后橋兩端法蘭外側后內測(兩工位處位置信息已手動保存);②停止，故障自動停止、緊急停止、手動停止。

(3)信息顯示:①數據顯示，運動軸位置、焊槍角度值、擺寬、擺速、主軸轉速、工件計數等;②消息顯示，兩工位參數保存情況、故障報警信息(伺服報警、主軸報警、氣壓報警等)、限位報警信息;③氣動機構狀態顯示(焊臂伸縮、測頭伸縮、工件夾松);④狀態指示燈(運行、故障、急停)。

(4)參數編輯:①位置值、角度值調整;②擺寬、擺速調整;③主軸轉速調整;④焊接始末點調整等。

2 控制系統硬件設計

機床控制系統硬件結構如圖2 所示。系統控制電路分為強電部分和弱電部分。強電部分采用熔斷器、交流接觸器、變壓器等給交流伺服電機及驅動器、主軸變頻電機及變頻器、主軸冷卻電機、開關控制電源等提供220V 電源。弱電部分以PLC 為核心，包括中間繼電器控制電路、氣閥控制電路、傳感器接線電路、主軸變頻控制電路、平移和升降伺服電機控制電路、擺動伺服電機控制電路等;另外，有平移和升降伺服電機編碼器接線電路、擺動伺服電機編碼器接線電路［4-6］。控制系統電路的核心在于主軸變頻控制和伺服控制。

2.1 主軸變頻控制電路設計

主軸變頻電路按外部操作模式和閉環控制方式(主軸末端裝有增量式旋轉編碼器)設計。速度指令電壓由PLC 模擬量輸出提供，主軸使能信號由PLC 控制繼電器實現，連接外部制動電阻，繼電器報警信號輸出至PLCI/O 輸入端。

2.2 伺服控制電路設計

根據PLC、伺服電機及驅動器的特點和不同伺服機構的控制要求來設計伺服控制電路。

(1)在運行停止時，相比于平移和升降，擺動位置具有不定性。平移和升降伺服控制電路按位置控制模式和開環控制方式(驅動器編碼器無反饋信號至PLC)設計。擺動伺服控制電路按位置控制模式和閉環控制方式(驅動器編碼器有反饋信號至PLC)設計。

(2)由于所用驅動器的控制信號是低電平有效，而S7-200 晶體管輸出型PLC 輸出的是高電平，設計電平轉化電路［7］。

(3)由于PLC 的CPU 只配有兩個高速脈沖輸出點，而本系統需要控制六臺伺服電機，利用PLC 六個普通I/O 輸出點設計脈沖通道選擇電路［8］。

(4)由于驅動器編碼器信號經長線驅動器輸出是差動信號，而PLC 高速計數點輸入的是單端信號，設計差分信號轉單端信號電路。

圖2 機床控制系統硬件結構圖

3 控制系統軟件設計

系統軟件設計包括觸摸屏端畫面設計、PLC 端程序設計和伺服驅動器和變頻器相關參數設定［9］。軟件模式包括手動、自動和編輯。模式選擇通過觸摸屏按鈕實現。機床控制系統軟件程序設計流程圖如圖3 所示，其中，左右側焊臂自動運行時同步。在運行程序中，還完成與消息顯示和參數編輯等相關程序設計［10-12］。另外，手動程序還設計了點焊、主軸轉、夾緊、放松等程序;自動程序還設計停止、急停等程序。

3.1 觸摸屏端畫面設計

觸摸屏端設計自動、平移、升降、擺動、伸縮、測頭、編輯共7 個畫面。通過畫面切換按鈕實現切換。

(1)自動界面:顯示工位參數保存，故障報警、限位報警、測頭伸縮、焊槍伸縮、焊槍開/關、工件夾緊/松開等信息。設置啟動、停止、急停、夾緊、松開、主軸轉、點焊等按鈕。

(2)平移界面:顯示限位報警、第一工位平移距離、第二工位平移距離信息。設置左/右選擇、正/反向選擇、回零、運行、停止等按鈕。

(3)升降界面:顯示限位報警、第一工位升降距離、第二工位升降距離等信息。設置左/右選擇、正/反向選擇、回零、運行、停止等按鈕。

(4)伸縮界面:顯示焊槍伸縮信息。設置左/右選擇、正/反向選擇按鈕。

(5)擺動界面:顯示工位保存、編碼器返回值等信息。設置擺寬、擺速編輯框。設置左/右選擇、正/反向選擇、運行、停止、保存、開擺、停擺等按鈕。

(6)測頭界面:顯示焊槍伸縮信息。設置左/右選擇、正/反向選擇按鈕。

(7)編輯界面:顯示主軸轉速、左側第一工位平移距離、左側第一工位升降高度、左側第一工位擺動中心、左側第二工位平移距離、左側第二工位升降高度、左側第二工位擺動中心、右側第一工位平移距離、右側第一工位升降高度、右側第一工位擺動中心、右側第二工位平移距離、右側第二工位升降高度、右側第二工位擺動中心、第一工位焊縫起點、第一工位焊縫終點、第二工位焊縫起點、第二工位焊縫終點等信息。

3.2 PLC 端程序設計

根據機床控制系統軟件設計流程圖，程序設計使用一些PLC 基本指令、功能指令和程序控制指令外，還使用輸出脈沖指令、高數計數器指令和順控繼電器指令［13-14］。其中，關鍵程序為定位和擺動控制程序。

定位控制考慮其特點:①機床是適應后橋不同種類的要求，應縮短工位一平移距離;②測頭和焊臂相對位置固定;③法蘭尺寸一定。

定位控制程序關鍵部分的設計思想為:①利用PTO 完成中斷程序實現運動距離控制;②利用手動擺動控制順序保存兩工位位置(Z軸、X軸和A軸)信息;③以測頭為基準控制焊槍水平方向準確定位;④以X軸零點(兩處)為基準控制焊槍垂直方向準確定位;⑤根據伺服編碼器反饋信號特點，使用高數計數器模式9 控制焊槍擺動方向準確定位。

擺動控制程序設計思想為:利用PTO 完成中斷程序，起始脈沖數減半，實現以擺動中心為原點擺動。

另外，設定斷電數據保持區，避免每次系統開啟后都要進行回零操作和有關參數設定［15］。

4 結束語

本文設計了一種用于汽車后橋軸端法蘭焊接的雙臂數控焊接機床控制系統。搭建由觸摸屏和S7-200PLC 基于串口通信的伺服定位和擺動控制系統，提出了基于PLC 的六臺伺服控制方法，設置了各種異常情況安全保護措施，實現了手動控制、自動控制、信息顯示和參數編輯等功能。所有控制具有精度高、可靠性好、響應速度快等特點。系統運行安全可靠，自動化程度高，操作簡單、維護方便等特點。該控制系統集成了生產加工、自動控制和生產管理，具有較高的市場應用價值。

圖3 機床控制系統軟件設計流程圖

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