基于S7?300 PLC不規則空間曲線自動焊接系統設計

何龍

摘 要： 針對螺旋形部件焊縫的特點和焊接需求，設計了一套基于S7?300 PLC的不規則空間曲線自動焊接系統。介紹了整個控制系統的系統組成、工作原理及軟件算法；在機械臂擺動控制上采用FM354伺服電機定位模塊實現高精度定位，在機械臂高度和機械臂長度控制上采用基于PLC?300的閉環比例?積分控制。所設計焊接自動控制系統既保證了控制精度又降低了設計成本。基于設計系統進行焊接試驗，試驗結果表明：焊接定位精度較高，焊縫平整光滑，試驗結果證實了該系統的焊接可行性及可靠性。

關鍵詞： PLC； 空間曲線； 機械臂； 焊接； 定位精度

中圖分類號： TN609?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）17?0160?03

Design of automatic welding system for irregular space curve based on S7?300 PLC

HE Long

（Chengdu Aeronautic Polytechnic， Chengdu 610100， China）

Abstract： For the characteristics of welding seam and welding requirements of spiral component， a set of automatic welding system for irregular space curve based on S7?300 PLC was designed. System composition， work principle and software algorithm of the whole control system are introduced. In the control of mechanical arm swing， the high accuracy positioning was achieved by using FM354 servomotor positioning module. The closed loop proportional?integral control based on PLC?300 is adopted by the control of the mechanical arm height and length. The designed automatic welding system can ensure the control precision and reduce the design cost. The welding experiment is conducted based on the system design. The experimental results show that the positioning accuracy of welding is high and the welding seam is smooth， and the feasibility and reliability of the system were proved by test results.

Keywords： PLC； space curve； mechanical arm； welding； positioning accuracy

0 引 言

近年來，隨著科技的全面進步，機械臂的設計也得到了突飛猛進的發展[1?2]。新一代焊接設備也均采用較為先進的視覺呈現方法對焊縫進行自動檢測和自動跟蹤[3?4]，同時采用了更先進的控制算法控制焊接過程以達到較高的精度；然而焊接過程中軟硬件設計極其復雜，設備成本較高，很難滿足中小型企業的需求[5?6]，因此有必要研究分析自動焊接機降低成本、同時控制較高精度的空間曲線自動焊接。

本文在空間直角坐標系建模，基于西門子S7?300著重考慮焊接過程中焊接接頭空間軌跡求解和定位精度，設計了不規則空間曲線自動焊接設備的焊接方案。機械臂軌跡上采用常用定時插補算法，驅動單元上采用伺服電機實現高精度閉環控制。通過焊接系統設計分析然后進行焊接試驗，以期為自動焊接發展提供可靠的理論指導。

1 控制系統組成

該系統通過串行口RS 232把S7?300 PLC與示教盒相連接，以接收示教信息；同時示教數據被存儲到存儲器中，完成焊接示教動作。操作員通過直觀的上位機畫面觀察焊接工作狀況，設置焊接機械臂的切向運動速度和軸向送絲速度，修正示教數據并顯示故障原因等信息。

采用S7?300 PLC實現下位機數據的采集、計算、存儲、故障診斷、輸出等功能。其中采用CPU 314C?2 DP作為焊接機控制系統處理器，該處理器集成的特殊功能有：最大頻率60 kHz的4通道高速計數器，可測頻率最大60 kHz的4通道頻率測量，最高輸出頻率2.5 kHz的4通道脈沖寬度調制輸出及1路位置控制和PID閉環控制[7]。外圍電路包括FM354伺服電機定位模塊及其附屬電路，主要完成相關執行器的閉環輸出控制，焊接系統簡化框圖如圖1所示。

2 軟件系統設計

本系統軟件設計采用結構化和模塊化設計，主要有初始化、示教程序、軌跡插補計算、相關數據的采集與輸出等子程序，每一部分通過許多功能模塊構成。

初始化主要用于完成顯示器初始化、串行接口初始化、定時器初始化、反饋計數器初始化、FM354模塊初始化以及存儲器數據清零等。

操作員利用示教盒通過示教程序對機械臂進行編程，使機械臂完成預期的焊接動作，并按順序存儲示教的空間坐標數據。系統軟件流程圖如圖2所示。

3 軟件算法設計及定位問題解決方法

該算法采用定時中斷方式，每隔時間間隔[T]后中斷一次，進行一次插補，同時計算一次逆向運動學，輸出一次給定值。為保證焊接過程的平穩（焊接接頭不抖動），將時間間隔[T]設置較小，同時由于機械臂機械特性限制了時間間隔[T]的上限值25 ms（40 Hz），顯然[T]越小越好，然而計算量的大小又限制了它的下限值，即CPU要在[T]時間里完成一次插補運算、一次直線和圓弧的逆向運動學計算以及兩次閉環比例?積分運算。CPU的浮點運算時間是15 μs，總運算時間約為8 ms。這就產生了[T]的下限值。定時器分辨力為10 ms，CPU還要執行輸入輸出、故障診斷等任務，這里設置[T]值為15 ms。

系統采用FM354伺服電機定位模塊控制伺服電機的轉矩。通常伺服控制器有三種控制方式，分別為脈沖控制方式、電壓控制方式和轉矩控制方式。FM354只能使用電壓控制方式，所以在焊槍的角度上采用基于電壓控制的伺服電機。考慮到擺動電機是基于模擬量控制，在以S7?300 PLC為控制核心的基礎上，引入FM354伺服電機定位模塊來精確控制擺動電機的角速度，采用這種獨立定位模塊減輕了主控制器CPU的運算量，降低了PLC掃描的周期，從而在整體上改善了控制精度。系統原理圖如圖3所示。

為了在保持精度的同時簡化硬件復雜度，在焊槍高度和長度上采用基于PLC?300的閉環控制系統。通過編碼器精確測量電機的轉速，并與給定轉速進行PI運算，用PWM脈沖控制伺服電機的轉速。系統原理圖如圖4所示。

4 試驗過程及結果分析

為了驗證系統的可行性及可靠性，對設計的PLC控制空間曲線焊接系統進行試驗，通過對空間T型接頭進行激光焊接來檢驗焊接接頭定位精度及機械臂定時插補算法是否能夠滿足要求。

該試驗焊接機械臂及操作試驗臺如圖5所示。

基于西門子S7?300型PLC進行焊接試驗，焊接過程中焊接速度設為3 500 mm/min，焊接功率為10 000 W。考慮到焊接收尾效應，在設計焊接軌跡引出段的焊接工藝參數時，降低焊接速率和焊接功率，直至焊接結束。焊接試驗結果如圖6所示。觀察圖6焊接結果可以明顯看出，該系統很好地完成了空間不規則曲線激光自動焊接，同時焊縫平整光滑，該系統的可行性及可靠性達到了預期結果。

采用激光干涉儀檢測焊接過程中機械臂[z]軸精度，驗證焊接定位精度及定時插補算法等是否能夠滿足要求，檢測結果如圖7所示。圖7為焊接過程中[z]軸精度，從圖中可以看出定時插補算法的加入使得[z]軸的定位精度達到了0.009 mm，重復精度約為0.005 mm，該組數據表明，所設計系統能夠對焊接機械臂各個軸進行高精度的定位控制，插補算法設計完全滿足激光焊接定位精度的要求。

5 結 論

本文研究了以S7?300為核心的不規則空間曲線自動焊接系統，該系統具有操作簡單、維護方便、易于功能的拓撲與調試等優點。同時，示教盒也提供了一種簡單、快捷、準確的焊接示教方案；軟件算法上采用了定時插補算法、閉環控制方案以保證定位精度與焊接質量。

對設計的PLC控制空間曲線焊接系統進行試驗，分析焊接定位精度及機械臂定時插補算法等能否滿足焊接精度。焊接結果表明，該系統完美地完成了空間不規則曲線激光自動焊接，同時焊縫平整光滑，焊接可行性及可靠性達到了預期結果。同時能夠對機械臂進行高精度的定位控制，完全滿足激光焊接定位精度的要求。

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