帶專家系統的H型鋼焊接專機的研制

李 銅，廖家勇，譚志成

（1.西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039；2.成都艾格科技有限公司，四川 成都 611743）

0 前言

H型鋼也叫工字鋼，在工程建設、標準廠房、橋梁工程、重型貨車承重梁等場合都有應用，其結構大小會根據實際應用而不同，很多梁的成型一般都采用兩塊翼板和一塊腹板拼接后焊接而成。據調查目前的H型鋼焊接專機基本都能夠滿足生產需求，但是在參數調整和顯示方面都還采用傳統的半自動控制方式，在針對多品種規格應用場合就顯得自動化程度比較落后，因此設計出一款帶專家數據庫的H型鋼焊接專機，所描述的應用場合為埋弧焊方法，工件通過組立機點固，然后通過專機同時完成兩條角焊縫的自動焊接。

1 焊接專機

為了提高焊接生產效率，設置雙工位結構，一個工位用于焊接，另一個工位用于準備，設計行走臺車上安裝回轉臺，機身結構設計成懸臂機構，懸臂機構安裝于回轉臺上，對于回轉結構只有當工位切換時需要動作；為了保證焊縫的焊接質量，系統中設置了機械跟蹤系統；對于控制系統是本專機的關鍵部分，其主要功能是為操作者提供便捷的操作功能和參數查詢功能以及新產品應對功能。

2 系統架構

該控制系統架構如圖1所示，系統采用PLC作為控制核心，HMI人機界面作為人機交互界面，PLC系統主要控制工裝夾具的夾緊與打開；控制回轉機構的正反轉，保證焊接槍頭能夠準確到位；控制臺車的行走；控制焊機的啟動和停止，控制焊劑的送出和回收等等。系統中人機界面采用臺達DOPB07S215系列屏，該屏有128 M flash存儲器，支持SD卡，USB接口；三個獨立通訊端口，可以分別設定為RS232，RS485 和 RS422 通訊方式[1]，同時支持 16位和32位配方功能，這為焊接數據庫的建立提供了非常方便的軟硬件平臺。

圖1 系統架構

在信號傳輸方面（見圖2），PLC與人機界面通訊采用RS232通訊協議，人機界面與變頻器通訊采用RS485通訊協議。這樣大大減少了控制用線，為了保證系統運行的穩定性和可靠性，在PLC與變頻器之間直接通過I/O信號連接，控制正反轉和啟停。

圖2 控制系統主原理

關于焊接電流電壓的設定，系統中增加至少具有兩路DA轉換通道和兩路AD轉換通道功能的模塊，該模塊直接與PLC通過數據線連接，而輸出口通過調理電路接入到焊接電源的電流和電壓給定信號輸入口。其功能有：（1）將人機界面中的焊接電流和電壓值通過數字信號傳輸給PLC，通過PLC的DA轉換將數字信號轉化為模擬信號，此模擬信號與設定的電流電壓值相匹配，同時與焊機的設定值相匹配，因此可以將這個信號通過硬件隔離電路傳輸給焊機。（2）將焊接時的實際焊接電流和電壓值通過信號轉化為模擬信號，再經過AD模塊進行AD轉換將數字信號提供給PLC，然后通過通訊方式在人機界面上顯示出來。

人機界面與變頻器之間通過RS485通訊，人機界面可以將變頻器中的實際運行速度和故障信號讀取出來，同時通過人機界面設計的行走速度參數傳輸到變頻器中。

3 建立數據庫

數據庫是基于人機界面具有的配方功能而開發的，所謂配方即是說當系統中需要多組數據使用時，可以分組建立一個配方組，當需要調用某一組數據時，直接通過調用的方式來讀取數據從而達到適應多規格多工藝的應用場合。一組完整的配方靠配方組別寄存器RCPNO來指定配方組別，配方讀取和寫入都是根據配方編號寄存器記載的配方組別來讀寫的，比如選擇第一組配方時，RCPNO=1，選擇第四組配方時，RCPNO=4。配方的長度與組數是由使用者編輯配方表時所設定，其大小限制于配方寄存器RCP的容量，本系統中配方大小不能超過64K，即是說配方的的長度x組數不能超過65536。

配方分為16位配方和32位配方，16位配方解決一組數據，如果想使用一個數組群，32位配方是最合適的。32位配方除了具有配方組別寄存器RCPNO外，還具有配方群組別寄存器RCPG，RCPG用來指定32為配方群組別，與16位配方不同的是，32位配方多了配方群組別的選擇，使用者進行配方讀取寫入時，除了要指定配方組別外，還需要指定配方群組別方能讀寫一組配方，選擇一群組的第一組配方時，RCPG=1，且RCPNO=1，選擇第三群組的第四組配方時，RCPG=3且RCPNO=4，配方群組數是由使用者編輯配方表時所設定，其大小限制64 K。

本系統中設定一個16位配方組，配方大小長度為4，組數為20組，即每一組配方有四個參數，分別是板厚、焊接電流、焊接電壓和焊接速度，本系統中焊絲統一采用4 mm規格。參數中板厚是為了便于焊接工藝條件的查詢而設置的一項參數；焊接電流和焊接電壓參數直接寫入到PLC的DA模塊中，通過DA轉換再與焊接電源接口；行走速度參數需要通過換算再寫入到行走用變頻器中，具體換算如下：電機額定轉速為n=1 450 r/min，減速比為i=200，行走齒輪的模數m=2，齒數z=65，行走速度v=nпmz/i,本研究的額定行走速度為v=2 595 mm/min。額定條件下變頻器的運行頻率為50 Hz，換算后得出步進速度為51.9 mm/(min·Hz)。在行走速度設定和實際行走速度讀取都需要轉換，轉換通過宏編輯功能實現。

為了便于現場操作，本系統將數據庫設置成焊接規范查詢表，如圖3所示，操作者只需在查詢條件中輸入板厚，輸入狀態顯示為0，那么在界面的下方就會顯示出查詢結果，如果數據庫中沒有所需要的查詢條件，那么輸入狀態框就會顯示為EE。如果所查詢的結果滿足現在的生產需要，直接點擊正下方的參數寫入，焊接電流和焊接電壓會立即寫入到PLC中通過DA轉換后送往焊接電源中作為電流電壓設定值；行走速度會通過宏編輯運算后直接寫入到變頻器中作為運行頻率的設定值。

圖3 焊接規范查詢界面

4 數據庫的維護

本數據庫設置了20個數據組，每一組數據對應一種產品，而每組數據都會涉及到新增和完善，對數據庫的維護便是必不可少的一項工作，因此設計了一個工藝員專用界面，如圖4所示，上面一欄是顯示焊接過程中實際的焊接電流和電壓值，和行走速度。第二欄是焊接工藝參數調整欄，首先工藝人員在焊接前設定焊接電流、電壓和行走速度；然后通過控制柜上的啟動按鈕，啟動焊接，經過反復調整工藝參數得到合格的產品后，工藝員得到新的工藝參數；工藝員需要將新的工藝參數導入到數據庫中，也就是利用第三欄的數據庫維護欄。

圖4 工藝員專用界面

（1）新增數據組。工藝員需要調用數據編號1～20中任意一位，然后點擊查看，如果此組數據都顯示為0，說明此組數據暫時沒有記錄，工藝員可以按要求填入相應的參數數據，然后點擊保存，保存位置可以是人機界面的掉電保持區，也可以是可移動存儲器。

（2）修改現有數據組。此種情況的數據調用流程與新增數據組一樣，工藝員點擊查看所調用的數據是否與要修改的參數相匹配，確認后將對應的參數進行修改，修改完成后點擊保存，完成對已有數據的維護工作。

5 整機操作

本系統為實際使用設置了手動操作界面和自動運行界面，手動運行界面參見圖5，關于機頭的控制、送焊劑和回收焊劑控制等都可以在此界面上控制，當然為了操作的實用性，同樣將工藝參數也引入到該界面上，在調試時非常方便。通過畫面切換可以進入到自動運行界面、焊接規范查詢界面、工藝員專用界面等。

在正常的批量生產中，如果停留在手動操作界面，生產效率會較低，因此本系統設置了自動運行界面，如圖6所示。在此界面中，操作者只需要切換臺車的行走方向，即是確定行走電機的正反轉方向，然后在控制柜面板上按啟動按鈕，系統就會自動地下槍、送焊劑、起弧、行走、焊劑回收、到位停止等等一連貫的動作，焊接過程的相關參數會在運行界面上實時地顯示出來，對焊接過程的控制一目了然。

圖5 手動操作界面

圖6 自動運行界面

現場實物照片如圖7所示，根據現場調試結果來看，系統運行非常穩定，完全滿足客戶的生產應用和新產品開發應用。

圖7 設備現場照片

6 結論

（1）通過現場調試，設備運行各項指標滿足設計要求。

（2）通過實驗證明專家數據庫完全滿足客戶產品規格要求，且數據庫運行穩定。

（3）針對焊接電流和電壓的設定和顯示目前設計兩套完整的系統，一是通過焊機控制面板的電流和電壓旋鈕來設定這兩個值，通過焊機面板的電流和電壓表來顯示實際的焊接電流和電壓值；另一套系統就是通過PLC的DA和AD擴展模塊再結合數據處理軟硬件從而通過人機界面來設定和顯示電流和電壓值。

（4）系統中給出了實際行走速度和變頻器運行速度之間的換算關系。