龍門式激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的研究

□文懷興 □蔡知旺

陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021

1 研究背景

激光加工技術(shù)作為一種熱加工技術(shù)，以加工速度快、質(zhì)量好、熱影響區(qū)小和工作環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)得到工業(yè)界的青睞。激光焊接技術(shù)不斷向汽車、航空、航天、鈑金、模具等精密加工領(lǐng)域擴(kuò)展，與此同時，激光焊接機(jī)正在向高精度、高速、智能化方向發(fā)展[1]。相比于傳統(tǒng)制造工藝，激光焊接不僅減少了模具的數(shù)量，節(jié)省模具的設(shè)計(jì)和制造費(fèi)用，而且大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

目前，由于國內(nèi)技術(shù)儲備不足，近幾年研發(fā)的激光焊接機(jī)加速度不超過12 m/s2，定位精度不超過0.05 mm，軌跡精度及速度平穩(wěn)性差，對焊接質(zhì)量和效率的提升效果不明顯[2]。

2 龍門式激光焊接機(jī)控制技術(shù)要求

龍門式激光焊接機(jī)的主要控制技術(shù)要求如下：采用三軸聯(lián)動控制方式，整個過程需以230 mm/s速度勻速平穩(wěn)焊接，轉(zhuǎn)角半徑不大于2.4 mm，直線及拐角速度波動不超過12 mm/s，直線及拐角靜態(tài)軌跡偏差不大于0.04 mm，X、Y、Z軸方向的定位精度控制在±0.01 mm，焊接產(chǎn)品連續(xù)性與一致性好，焊縫處外觀良好[3]。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 控制器

龍門式激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)一般由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、運(yùn)動控制器或可編程序控制器（PLC）構(gòu)成，常用的控制方案主要有兩種：一種是基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與運(yùn)動控制卡的控制方案，如圖1所示；另一種是基于運(yùn)動控制器或PLC的控制方案[4]，如圖2所示。這兩種方案在焊接控制過程中，無論是通過脈沖給定方式還是通過模擬量給定方式，通常都會遇到控制器運(yùn)算能力、給定或接收分辨率、電磁干擾等原因而造成的脈沖丟失及輸出波形有毛刺等現(xiàn)象，從而影響焊接速度和精度。針對以上兩種方案的不足，筆者提出基于倍福工控機(jī)運(yùn)動控制器的方案，采用以太網(wǎng)控制自動化總線技術(shù)，可以在焊接控制過程中避免以上問題，實(shí)現(xiàn)精確控制，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力。采用總線控制的方式能夠節(jié)約成本和節(jié)省空間，維護(hù)也更加簡單、方便。這一控制方案的結(jié)構(gòu)如圖3所示，倍福工控機(jī)運(yùn)動控制器可以同時控制255個軸，并同時實(shí)現(xiàn)3軸插補(bǔ)，其軟件界面如圖4所示。將工控機(jī)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，是目前工業(yè)自動化領(lǐng)域高端運(yùn)動控制的常用方式[5-6]。

圖1 基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與運(yùn)動控制卡的控制方案

圖2 基于運(yùn)動控制器或PLC的控制方案

圖3 基于倍福工控機(jī)運(yùn)動控制器的監(jiān)控方案

圖4 運(yùn)動控制器軟件界面

3.2 交流伺服系統(tǒng)

交流伺服系統(tǒng)相比直流伺服系統(tǒng)具有穩(wěn)定性與快速性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，目前交流伺服系統(tǒng)普遍應(yīng)用基于永磁電機(jī)動態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制方法，這也是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心控制方法之一[7]。

伺服驅(qū)動器按照控制對象由內(nèi)至外分為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，伺服驅(qū)動器可以相應(yīng)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式、速度控制模式和位置控制模式，如圖5～圖7所示。

圖5 轉(zhuǎn)矩控制模式

圖6 速度控制模式

圖7 位置控制模式

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能數(shù)字信號處理、現(xiàn)場可編程門陣列及現(xiàn)場總線等技術(shù)，使控制更加簡單、方便。

基于交流伺服的優(yōu)點(diǎn)，為激光焊接機(jī)配置了CDHD伺服驅(qū)動器，不僅支持脈沖、模擬量，而且支持以太網(wǎng)控制自動化總線技術(shù)、CANopen總線方式。通過相應(yīng)的調(diào)試軟件，調(diào)試人員可以用軟件自帶的指令語言來調(diào)試直線電機(jī)，如圖8所示。

圖8 伺服驅(qū)動器軟件指令語言

3.3 直線電機(jī)驅(qū)動

普通定位機(jī)構(gòu)通常采用伺服電機(jī)加滾珠絲杠的組合傳動機(jī)構(gòu)，但由于存在反向間隙等因素，定位精度不高，加速度小，一般不超過15 m/s2。龍門式激光焊接機(jī)為了保證焊縫寬度的一致性，實(shí)際應(yīng)用中加速度要求為25 m/s2，因此伺服電機(jī)加滾珠絲杠的組合傳動方式不能滿足實(shí)際工程需求。直線電機(jī)取消了中間傳動環(huán)節(jié)，動態(tài)性能明顯提升。此外，由于采用光柵尺閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)微米級，加之對運(yùn)動部件動態(tài)特性優(yōu)化和對插補(bǔ)控制精細(xì)化，更是能夠?qū)崿F(xiàn)納米級控制。直線電機(jī)驅(qū)動的位移機(jī)構(gòu)在快速響應(yīng)能力和精度等方面相比普通伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)優(yōu)勢較大，而該龍門式激光焊接機(jī)需要較快的響應(yīng)速度和較高的精度，因此選擇直線電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

3.4 直線電機(jī)控制

在與倍福工控機(jī)運(yùn)動控制器進(jìn)行通信之前，需要先調(diào)整驅(qū)動器的參數(shù)，使直線電機(jī)在振動、噪聲、響應(yīng)和精度方面都達(dá)到最佳狀態(tài)，確保整個龍門式激光焊接機(jī)穩(wěn)定、高效工作[8]。在伺服驅(qū)動器位置控制模式下，根據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，手動對驅(qū)動器參數(shù)進(jìn)行更改，如圖9所示[9]。結(jié)合位置控制模式框圖，可以確認(rèn)每個參數(shù)對輸出信號的影響，從而調(diào)整相應(yīng)參數(shù)。在一些特殊應(yīng)用場合，還可以通過軟件查看頻譜圖及傅里葉變換，判斷負(fù)載的振動點(diǎn)，從而對機(jī)械結(jié)構(gòu)部分做相應(yīng)改進(jìn)。

圖9 位置控制模式下伺服驅(qū)動器參數(shù)修改

4 位置跟隨誤差和速度檢測

在實(shí)際工程中，可以通過伺服驅(qū)動器軟件中的示波圖，監(jiān)測當(dāng)前電機(jī)的速度、位置跟隨誤差及指令速度[10]。如圖10所示，可以在右側(cè)顯示欄勾選所需要的電機(jī)性能參數(shù)。

圖10 伺服驅(qū)動器軟件示波圖界面

通過現(xiàn)場軟件監(jiān)測，龍門式激光焊接機(jī)在230 mm/s的速度運(yùn)行時，最大速度波動僅為0.61 mm/s，滿足速度波動要求。通過激光干涉儀檢測，整機(jī)定位精度為0.007 mm，滿足定位精度要求。通過二次元檢測，直線及拐角靜態(tài)軌跡偏差為0.036 mm，滿足靜態(tài)軌跡偏差要求?？梢?，這一該控制方案能夠滿足工程要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)激光焊接機(jī)具體技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種基于倍福工控機(jī)運(yùn)動控制器的控制方案，并介紹了控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件應(yīng)用。這一控制方案相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)具有速度快、精度高、響應(yīng)快速的優(yōu)勢，對激光焊接機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

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