基于PLC與觸摸屏的激光焊接機控制系統設計

張窩羊+周艷麗+張志昂

摘 要：針對當前焊接中自動化程度低、焊接效率低等問題，論文分別從硬件及軟件兩方面對激光自動焊接機控制系統進行了設計。

關鍵詞：激光焊接；控制系統；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.135

1 引言

伴隨著工業技術的發展，激光自動焊接技術依靠其特有的優勢，在汽車、船舶等領域扮演著舉足輕重的角色，已成為焊接工藝技術領域中不可缺少的工藝之一。焊接工藝技術水平不僅影響工程進度，同時嚴重制約著工程質量。在影響焊接質量的因素中，如操作人員、材料、工藝、環境及設備，對其影響最大的當屬設備，尤其是設備的質量及自動化程度。早期焊接項目中，大多都是工人拿著焊槍對工件直接焊接，隨意性大、精度低。本文正是基于此背景下完成的。

2 系統控制結構

激光自動焊接機總體控制結構如圖1。整個控制系統可分為現場級、控制級、管理級。其中現場級主要由X向伺服系統、Y向伺服系統、Z向伺服系統及其他系統組成。現場級的焊接信號經相應途徑傳至由PLC構成的控制級，再由工作人員通過由觸摸屏構成的管理級對傳輸數據進行綜合管理，以此完成激光焊接機的控制。整個控制系統中，可編程邏輯控制器作為控制系統的核心，用以控制各系統的正常運行。可編程邏輯控制器與觸摸屏依靠ModBus通訊協議完成信息交換，實現了數據信號的準確、快速傳輸，從而保證了控制要求的實現[4]。

3 硬件設計

3.1 硬件組成

該系統硬件部分主要由PLC、控制電路、觸摸屏、伺服系統、激光發射器及其他元件。焊槍主要在X/Y/Z三個方向上運動，其動作過程通過伺服系統與PLC實現自動控制。PLC依據其預先設置好的程序，控制激光發射器的開與關、焊槍的運動。工作人員將指令寫入觸摸屏，以ModBus通訊協議為途徑，傳至控制系統的核心-PLC，由PLC經一系列的邏輯運算后，將結果送至伺服驅動器及其他執行元件，以完成命令。

3.2 部分電路圖及I/O分配

依據激光焊接機實際控制需求及PLC的I/O輸出情況，選用S7-200系列中的CPU224XP作為系統控制單元，另配以EM253定位模塊。該類型CPU在輸入輸出點數滿足系統控制要求的同時，還同時擁有兩個RS485通訊接口，能保證在與觸摸屏通訊的同時，隨時上傳及下載PLC程序。I/O分配及部分電路圖，分別見表1及圖2。

4 軟件設計

4.1 系統總體控制流程

本論文設計的控制系統中，為保證焊接的正常進行及焊接工藝的順利實施，該PLC程序必須具備自我檢測、自我判斷、自我處理及上電初始化等功能。從圖4可以發現，PLC上電后首先進行初始化，完成初始化以后，進行工作方式的選擇（手動或自動），然后進行硬件自動檢測，直到命令執行完畢，程序停止。

4.2 系統程序

為保證控制系統的精度，防止脈沖丟失引起的誤差，依據該控制系統的控制要求，采用閉環伺服控制系統。借助于PLC自帶的高速計數器，通過編碼器采集伺服電機運轉速度信號。[4]本系統控制程序主要由以下幾個部分組成：主程序、脈沖輸出子程序、初始化及硬件檢測子程序、模擬量采集子程序。其中主程序主要是調用及處理各子程序間的關系，脈沖輸出子程序主要為各伺服電機發送脈沖串，初始化及硬件檢測子程序分別完成程序初始化及硬件檢測，模擬量采集子程序主要處理激光功率及冷卻水溫等。部分主程序如圖5。

4.3 觸摸屏組態界面設計

為保證人機界面形象逼真，在進行組態界面開發之前，必須對該控制系統的工作流程分析。該控制系統組態界面開發要首先確認：人機交換界面分類、總頁面及各頁面之間的邏輯關系；手動/自動模式選擇；確定所有輸入輸出點內容及顯示。[4]基于以上分析，人機友好交換各界面流程如圖，主監控界面如圖。

5 結語

在完成了軟硬件設計后，進行了PLC及觸摸屏界面的調試，證明了基于PLC與觸摸屏的激光自動焊接機控制系統的運行正常、可靠性能好，具有很高的實用價值。解決了當前焊接中傳統焊接無法解決的難題，提高焊接效率及精度，節約了人力成本，為以后“成套性”激光焊接設備的發展提供了依據。

參考文獻：

[1]林尚楊.我國焊接生產現狀與焊接技術的發展[J].船舶工程，2005（S1）.

[2]家永平.波峰焊接技術的應用[J].航天制造技術，2004（03）.

[3]佟欣.激光焊接的特性及應用領域[J].焊接技術，2000，29（03）：11-12.

[4]戴琨.基于PLC的薄板激光焊接控制系統[J].焊接，2015（10）：60-63.endprint