雙槍縱縫數控焊接機床控制系統設計*

袁國鋒,王效崗，劉建龍,李艷威

(太原科技大學 a.機械工程學院；b.重型機械教育部工程研究中心，太原　030024)

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雙槍縱縫數控焊接機床控制系統設計*

袁國鋒a,王效崗b，劉建龍a,李艷威a

(太原科技大學 a.機械工程學院；b.重型機械教育部工程研究中心，太原030024)

針對雙金屬復合管縱縫自動化焊接要求，采用觸摸屏與運動控制器基于串行通訊的控制方式，設計了一種雙槍縱縫數控焊接控制系統。重點論述了系統總體設計要求、系統軟硬件設計過程、機床機構運動控制的設計和觸摸屏基于MODBUS通訊協議對焊接過程的控制和監控。該控制系統實現了焊接過程的自動運行、手動操作、參數編輯與信息顯示等功能，達到了雙金屬復合管縱縫焊接過程的自動化、數字化和信息化的效果。

焊接機床；人機界面；控制系統；伺服控制

0　引言

碳鋼-不銹鋼雙金屬復合管,由不銹鋼材質(內層)和碳鋼或低碳合金鋼材質(外層)組成，其既具有不銹鋼優良的耐腐蝕性，又能很好的保證管道高度的抗壓能力，可以有效的節約材料成本，目前已在石油石化工程領域得到廣泛的應用[1]。傳統的縱縫焊接機床為單一金屬的縱縫焊接，并且自動化程度不高、人機交互性差，無法實現雙層金屬焊縫焊接過程的連續化和數字化要求，因此雙金屬復合管縱縫的焊接大部分為手工氬弧焊或半自動氬弧焊接工藝，其焊接速度慢、生產效率低且工人勞動強度大。

本文所研究的焊接機床控制系統是針對國內某鋼管廠碳鋼-不銹鋼雙金屬復合管焊接成型階段設計的。該廠將雙金屬復合板通過卷板機彎曲成圓筒狀后，由人工根據焊接工藝對形成的軸向縱縫的不銹鋼層和碳鋼層分別進行焊接，致使該成型階段出現生產效率低、工人勞動強度大以及手工焊接中人為因素影響大等問題[2]。為解決以上問題，設計開發了一種雙槍縱縫數控焊接機床控制系統。將開發式數控系統引入焊接設備，采用運動控制器、步進電機及驅動器、伺服電機及驅動器、氣動部件等裝置，以觸摸屏為人機界面，搭建控制系統。其良好的人機界面交互性，可以實現對復合管縱縫焊接過程中的監控與控制，以滿足雙金屬復合管縱縫焊接的自動化焊接要求。

1　系統總體設計

復合管雙槍縱縫數控焊接機床應用于碳鋼-不銹鋼雙金屬復合管縱縫焊接，采用鎢極自動氬弧焊接方法，利用左右兩個焊槍按照焊接工藝依次進行焊接。復合管雙槍縱縫數控焊接機床結構示意圖如圖1所示。

圖1　縱縫雙槍數控焊接機床結構示意圖

碳鋼-不銹鋼復合管焊接工藝主要包括封焊、打底焊、過渡焊、填充焊和蓋面焊5個部分，其焊接坡口形式及焊接工藝次序如圖2所示[1]，其中封焊、打底焊和過渡焊采用與不銹鋼層材質相近的不銹鋼焊絲焊接，由左邊焊槍來完成該焊接工序；填充焊和蓋面焊采用碳鋼焊條焊接，由右邊焊槍來完成該焊接工序。

圖2　碳鋼-不銹鋼復合管縱縫焊接坡口形式及焊接次序

雙槍縱縫數控焊接機床不僅能夠完成雙金屬復合管縱縫的連續性焊接，并且工件的定位壓緊裝置能夠精確對雙金屬進行橫向、縱向定位壓緊，避免了人工定位壓緊所帶來的誤差，可以有效的提高產品焊接質量。

雙槍數控焊接機床機構運動功能主要包括：焊槍平移、升降，焊槍伸縮，焊槍擺動，工件下壓緊，前后合攏壓緊，下支承模，芯軸氣動支撐，對中組件伸縮等運動功能。為滿足復合管縱縫焊接的工序要求并保證焊接質量，焊接機床的控制系統采用觸摸屏為上位機，運動控制器及其擴展模塊為下位機，通過串口通信的方式實現焊接過程的控制與監控。

整個系統由手動運行模塊、自動運行模塊、參數設置模塊、程序編碼模塊、信息顯示模塊等功能模塊組成[3]。手動模塊功能可以實現手動調整焊槍位置，工件定位與夾緊以及各運動軸回零操作等；自動運行時可以實現焊槍按照設置的焊接參數和焊接軌跡自動運行；參數設置模塊實現對每層焊道的焊接參數的設置、機床傳動參數設置及機床運動部件反向間隙設置等；程序編碼模塊實現編輯、修改與保存焊槍的運動軌跡；信息顯示模塊顯示設備運行中各運動軸的位置和速度、機床運行狀態指示燈、焊接參數等，并可以進行故障信息報警(伺服報警、限位報警、氣壓報警等)[3-4]。

2　控制系統的硬件設計

2.1硬件系統組成

雙槍縱縫焊接機床控制系統的硬件架構圖如圖3所示，主要由人機界面(觸摸屏)、運動控制器及I/O擴展模塊、交流伺服驅動器及伺服電機、三相混合式步進電機及步進驅動器、脈沖手輪、輸入輸出信號控制部件等組成。觸摸屏人機界面控制終端可實現焊接過程的工件夾緊與定位、手動操作、焊接參數設置、自動焊接和焊接過程的監視。

圖3　控制系統硬件架構圖

機床控制系統中觸摸屏采用的是步科公司ET-100，該觸摸屏是一種連接人類和機器(運動控制器、PLC)的較為先進的人機界面，它具有強大的監視功能，可以用數據、圖形、曲線等形式來反映運動控制器的內部狀態，并且強大的數據處理功能可以有效的簡化運動控制器的控制程序[5]。運動控制器采用的是深圳某公司的多軸運動控制器，該運動控制器與傳統PLC運動控制系統相比靈活性更高，不僅具有PLC的I/O邏輯控制功能，而且可以在不需要任何擴展模塊情況下即可實現精確的軌跡運動控制，亦可根據實際工程擴展相應的I/O模塊。

觸摸屏與運動控制器采用RS232串口連接和標準的MODBUS RTU通訊協議。MODBUS RTU協議規定了消息、數據的結構、命令和對答的方式，數據通訊采用Maser(主站)/Slaver(從站)方式，主站發出數據請求消息，從站在接收到正確消息后就可以發送數據到主站以響應請求，主站也可以直接發送消息修改從站的數據，實現雙向讀寫功能[6]。只要對觸摸屏進行操作，即可使操作指令通過RS232通訊傳輸至運動控制器，運動控制器通過內在的邏輯控制程序對該指令進行轉化處理后發布驅動命令信號[7]，同時運動控制器將接收到的機床運動信息和參數信息實時的顯示在觸摸屏上，以便于操作者對焊接過程進行更好的控制。

2.2機床機構運動控制設計

機床的運動控制主要是工件定位與合攏壓緊和左右兩個焊槍的運動。焊接次序為左焊槍首先完成封焊、打底焊和過渡焊，然后由右焊槍完成填充焊和蓋面焊。焊槍的平移運動和升降運動由伺服電動機經減速器驅動絲杠運動副實現；焊槍的伸縮由伺服電動機經聯軸器驅動螺桿運動副實現；前后合攏壓緊裝置由步進電動機經減速器驅動左旋和右旋螺桿運動副實現前后壓緊裝置的同步運動；工件壓緊、芯軸支撐和下支承模的運動由氣動裝置驅動。焊槍的運動和工件定位夾緊動作控制的好壞直接關系到焊縫的質量，是機床運動控制的核心部分。

運動控制器輸出脈沖控制信號，脈沖信號通過伺服驅動系統控制伺服電機，以實現焊槍平移、升降和擺動，使焊接加工按照給定的位置和速度數據進行工作循環。該縱縫數控焊接系統中兩個焊槍的擺動控制為位置控制模式下的全閉環控制(編碼器有反饋信號至控制器)，焊槍的平移、升降均為位置控制模式的半閉環控制，左右壓緊模裝置的運動為步進電機實現的開環控制。工件的下壓夾緊、下支承模的升降運動及對中組件的伸縮由運動控制器輸入輸出I/O控制氣缸電磁閥實現。

3　控制系統軟件設計

焊接機床控制系統軟件設計主要包括觸摸屏人機界面的設計、運動控制器運行程序設計。觸摸屏人機界面設計與運動控制器邏輯控制程序設計必須是相互關聯在一起的，按照控制系統的要求來調試觸摸屏界面設計與運動控制器中邏輯控制程序。焊接機床控制系統要實現的功能是采用觸摸屏與運動控制器通過串口通訊來控制機床各運動部件，實現工件夾緊定位與焊槍的自動焊接，并將焊接過程中的參數、焊槍運動信息及機床運行狀態實時顯示在觸摸屏上。觸摸屏與運動控制器的通訊用MODBUS通訊協議實現，系統邏輯控制是在運動控制器內設定一定量的單元與觸摸屏映射實現[8]。

3.1觸摸屏人機界面設計

觸摸屏人機界面(HMI)產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口和數據存儲單元等[9-10]。軟件部分包括HMI硬件中的系統軟件和在PC機Windows操作系統下的畫面組態軟件，根據機床控制系統要求，人機控制界面規劃如圖4所示。

圖4　系統界面設計

觸摸屏顯示窗口主要由運行界面、手動界面、編輯界面、設置界面、報警界面等5個界面組成。通過界面切換按鈕實現切換。正常焊接時，觸摸屏顯示界面以系統運行界面為主，可顯示焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊槍位置，以實現焊接過程的監控。手動界面主要實現焊接前焊槍的位置調節、工件壓緊、前后合攏壓緊裝置的調節，以實現焊接前工件的定位與夾緊。系統啟動運行界面如圖5所示。焊接軌跡的編輯、修改與保存，焊接參數及機床參數的設置在編輯界面和設置界面完成；當機床出現錯誤(故障)報警時會自動彈出報警信息。

圖5　系統運行界面

觸摸屏是替代傳統的控制面板和鍵盤的智能化操作顯示器，實現運動控制器與人機界面功能按鈕的關聯其實就是對HMI內和控制器內寄存器的分配，即MODBUS位寄存器(0x寄存器)和MODBUS字寄存器(4x寄存器)。控制系統中運動控制器與觸摸屏主要寄存器地址分配如表1所示。

表1　MODUS寄存器分配表

在觸摸屏中主要通過開關對運動控制器寄存器中的每一位進行操作。圖5中左側焊槍X、Y、Z軸的位置顯示框中的數據就是控制器字寄存器地址為10000、10002、10004中的內容，而觸摸屏中4x寄存器地址為10000、10002、10004中的內容與運動控制器中的寄存器中內容是相對應的，通過MODBUS RTU協議傳輸，當運動控制器中的數據改變，顯示框中顯示的內容也就相應的改變。當觸摸手動界面按鈕，觸摸屏4x寄存器地址為1000內容為常數300，同時運動控制器字寄存器地址為1000內數據為300，從而由運動控制器內部邏輯程序實現界面的切換。

3.2運動控制器程序設計

運動控制器程序設計主要是建立在Zdevelope軟件平臺上，采用控制器專用的ZBASIC指令集編寫系統的控制程序。運動控制器軟件設計主程序流程圖如圖6所示。

圖6　運動控制器軟件設計流程圖

為了方便編寫、更新程序，編程時以功能為導向，對運動控制器控制程序進行模塊化編程，主要功能模塊有手動運行模塊、自動運行模塊、通訊模塊、程序規劃模塊、參數設置模塊和信息顯示模塊等。

系統運行時通過觸摸按鈕來調用執行各個模塊的子程序。機床控制系統默認進入的是系統運行界面，因為設備的位置傳感器一般為增量式編碼器，特點是掉電不保持，故在設備運行開始之時，必須要首先進行位置歸零[11]，各個程序模塊之間的切換是通過前面介紹的觸摸屏人機界面上的界面選擇按鈕進行的，如當前為參數設置界面，當按動編輯界面的選擇按鈕后HMI系統自動切換為編輯界面。

4　結束語

本文設計了一種由觸摸屏和運動控制器基于串口通信的控制系統，將運動控制器和人機界面觸摸屏很好的融合到數控焊接系統中，具有可靠性好、精度高、響應速度快等優點，使焊接操作過程具有直觀、簡潔、鮮明的特點，實現了焊接過程的自動控制、手動控制、信息顯示、參數設置等功能。該系統相對于基于PLC的控制系統具有編程簡單、操作容易、可靠性強、價格低廉等優點。運動控制器能夠穩定迅速的對觸摸屏的命令做出正確的響應，實現可靠有效的人機交互信息，在數控焊接系統領域有一定的推廣前景，具有較高的市場應用價值。

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(編輯趙蓉)

Design of Control System for Double-Arm NC Welding Machine of Longitudinal Seam

YUAN Guo-fenga, WANG Xiao-gangb, LIU Jian-longa, LI Yan-weia

(a.School of Mechanical Engineering；b.Heavy Machinery Engineering Research Center of the Ministry of Education, Tai Yuan University of Science and Technology ,Taiyuan 030024,China)

In response to the automatic welding requirements of compound metal pipe longitudinal seam welding, a double- Arm NC welding control system of longitudinal seam, adopting touch screen and motion controller based on serial communication, has been designed. The general design requirements of system, the design processes of system hardware and software, the control design of the movement mechanisms and the control and monitoring of welding process through the touch screen by MODBUS RTU communication were mainly introduced. The system realizes the functionality such as the automatic operation, the manual operation, the editor of parameters and the information display of the welding process, and has achieved the design requirement such as the automation, digitization and information.

welding; human machine interface; control system; servo control

1001-2265(2016)04-0121-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.032

2015-05-13;

2015-06-11

山西省回國留學人員科研資助項目(2013-099)；山西省專利推廣實施資助項目(141003)

袁國鋒(1988—)，男，河南安陽人，太原科技大學碩士研究生，研究方向為機電一體化控制技術，(E-mail)szwfjm@163.com。

TH166;TG659

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