機器人激光制造工作站數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計

李榮，徐富家，李洪偉，徐良，費大奎

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028;2.哈爾濱現(xiàn)代焊接技術(shù)有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

隨著中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，數(shù)控激光切割、焊接成套裝備的需求不斷增加，目前國內(nèi)面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的中高端激光加工成套裝備和集成配套國外產(chǎn)品的技術(shù)還不能滿足行業(yè)需求。開發(fā)應(yīng)用于工程機械、軌道交通、海洋船舶、航空航天、石油化工、汽車等行業(yè)的高功率激光及激光電弧復(fù)合焊接、切割、熔覆、熱處理等裝備，是激光制造發(fā)展方向之一。另外，實現(xiàn)激光制造生產(chǎn)過程自動化、柔性化與智能化已是大勢所趨[1-4]。

目前國內(nèi)外主要采用個人計算機(PC機)、數(shù)字信號處理(DSP)及可編程邏輯控制器(PLC)作為核心控制器設(shè)計激光制造工作站及焊接專機的控制系統(tǒng)。韓維敏[5]基于三菱PLC和現(xiàn)場總線設(shè)計激光焊機的自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)酸洗生產(chǎn)線智能控制。王有偉等人[6]設(shè)計了一種基于三菱PLC控制的導(dǎo)葉修復(fù)自動堆焊裝置。馮寶林等人[7]基于PLC 設(shè)計龍門式自動化焊接專機，較好地解決特種車輛底盤尺寸種類多、焊縫姿態(tài)多、焊點多、焊縫短的難題。PLC適用于自動化工程的各種應(yīng)用場合，尤其在生產(chǎn)制造工程中，基于PLC設(shè)計控制系統(tǒng)是一種既經(jīng)濟又切合實際的解決方案。

文中針對大功率激光制造的應(yīng)用需求，分析了激光制造工藝及工件結(jié)構(gòu)、尺寸、焊縫軌跡等特點，設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)激光焊、激光-CMT復(fù)合焊、激光-MIG/MAG復(fù)合焊、3D打印及熔覆等多種激光制造方法的柔性化自動控制方案。同時,建立激光制造工藝數(shù)據(jù)庫，在實時采集、儲存、修改、導(dǎo)出工藝參數(shù)的同時為企業(yè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，企業(yè)可隨時導(dǎo)出需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，方便掌握工作站運行及生產(chǎn)狀態(tài)，避免工作站成為信息孤島，更好地融合到企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)中，推動企業(yè)向數(shù)字化工廠發(fā)展[8-9]。

1 機器人激光制造工作站控制系統(tǒng)設(shè)計方案

機器人激光制造工作站采用大功率光纖激光器和焊接電源作為熱源，依托高軌式龍門架機器人系統(tǒng)作為行走機構(gòu)。激光器兩路分時輸出，一路連接到激光復(fù)合焊接頭，實現(xiàn)自動焊接功能；另一路連接到激光熔覆頭，送粉器同步送粉，實現(xiàn)激光3D打印及熔覆等功能。

1.1 激光制造工作站組成及系統(tǒng)功能

機器人激光制造工作站有以下主要部件組成：激光器、水冷機、高軌式龍門架機器人系統(tǒng)、焊接電源、激光電弧復(fù)合焊接頭、送粉器、激光熔覆頭、焊縫跟蹤系統(tǒng)、控制柜及操作臺、輔助系統(tǒng)等。高軌式龍門架機器人系統(tǒng)是由龍門架行走機構(gòu)、6軸機器人及變位機組成的11軸聯(lián)動系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)包含穩(wěn)壓電源、煙塵處理系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。整套工作站置于激光安全防護圍欄內(nèi)，圖1為機器人激光制造工作站整體布局效果。

圖1 機器人激光制造工作站整體布局

1.2 激光制造工作站的系統(tǒng)組件功能及控制要素

基于激光制造工作站的組成，為實現(xiàn)配套集成控制，分析被控對象。表1為各部件功能及主要控制元素清單。

表1 部件功能及控制元素清單

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)基于SIMATIC S7-1500 PLC進行設(shè)計，該自動化系統(tǒng)具有高性能、高集成性和故障安全功能。CPU選用1511-1PN，帶PROFINET接口，工作存儲器1.23 MB，位運算的處理時間60 ns[10]，能夠滿足機器人激光制造工作站的控制需求。

分析激光制造的熱源、行走機構(gòu)及輔助部件的接口電路及控制原理，設(shè)計了工作站硬件電路并配線安裝，下位機控制柜內(nèi)包含PLC、斷路器、接觸器、繼電器、電源、接線端子排等，柜內(nèi)強、弱電布線分開且接地良好，能有效抑制干擾。上位機操作臺是整套工作站的“指揮中，安裝工控機、電源開關(guān)和功能按鈕。各集成部件通過現(xiàn)場總線及I/O信號線與控制柜內(nèi)主控制器連接，通過下位機程序?qū)崿F(xiàn)各集成部件的啟停、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、互鎖及聯(lián)動控制等。圖2為控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)，其中輔助系統(tǒng)未在控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)中體現(xiàn)。在TIA Portal軟件中新建項目，將CPU模塊、PM模塊、DI/DO模塊、AI/AO模塊以及通信模塊拖至導(dǎo)軌的插槽中，并將主要集成部件的配置文件(GSD)導(dǎo)入后完成硬件組態(tài)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)各個集成部件之間的相互通信。PLC作為主站與龍門架機器人系統(tǒng)、激光器、焊接電源等從站之間采用PROFIBUS通信，總線最大長度小于200 m，通訊速率為1.5 Mb/s。圖3為控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖3 控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

2.3 編程軟件

下位機軟件編程基于TIA Portal軟件實現(xiàn)，上位機軟件基于WINCC V7.3開發(fā)，兩者通過SIMATIC S7-1200,S7-1500 Channel進行通訊，變量讀取采用循環(huán)讀取的方式，WINCC V7.3可通過絕對尋址和符號尋址訪問S7-1500的變量，通過裝載執(zhí)行器(AS)消息可加載PLC程序報警；兩者配合實現(xiàn)機器人激光制造工作站的可視化控制。

3 系統(tǒng)流程分析及編程

3.1 流程分析及下位機編程

圖4為機器人激光制造工作站運行流程，包括運動執(zhí)行機構(gòu)軌跡調(diào)整、工件定位夾緊、工藝參數(shù)設(shè)定、運行模式選擇等。

圖4 工作流程

對程序中用到的輸入輸出點進行配置，基于系統(tǒng)運行流程分析，設(shè)計邏輯嚴密的梯形圖程序，控制整套系統(tǒng)穩(wěn)定、高效工作。各集成部件單獨編寫FC，DB塊，在主程序OB1中調(diào)用。

3.2 機器人系統(tǒng)編程

多自由度的11軸聯(lián)動機器人系統(tǒng)，能夠很好的滿足三維空間不同焊縫軌跡的變化，所有軸都由數(shù)字化交流伺服電機驅(qū)動，運行高速、精確、穩(wěn)定，本體負載能力60 kg，重復(fù)定位精度小于0.05 mm,x，y軸行走速度0～15 m/min，z軸行走速度0～2 m/min。

基于機器人系統(tǒng)配置軟件完成對外部軸及從站I/O配置，系統(tǒng)工作時，PLC通過外部自動運行接口向機器人控制系統(tǒng)發(fā)送機器人進程的相關(guān)命令，包括運動許可、故障確認、程序開始等，同時機器人控制系統(tǒng)向PLC發(fā)送運行狀態(tài)與故障狀態(tài)等信息。表2為交互的I/O信號。依據(jù)信號時序編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)對機器人系統(tǒng)的控制。

表2 輸入輸出信號表

機器人系統(tǒng)編程包含運動、邏輯及外部自動編程。依據(jù)激光加工工件的焊縫位置和工藝時序在示教編程器上進行運動及邏輯編程；在CELL.SRC中對程序名稱和程序號進行關(guān)聯(lián)完成外部自動編程。

3.3 上位機人機界面設(shè)計

主控制器CPU 1511-1PN通過人機界面提供調(diào)試和信息交互操作，基于WINCC V7.3設(shè)計中文操作的人機界面，包含生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、生產(chǎn)信息管理、參數(shù)設(shè)置、故障提示、數(shù)據(jù)庫管理等主要頁面。輸入用戶名及密碼登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)分配不同級別的數(shù)據(jù)操作權(quán)限。圖5為系統(tǒng)登錄界面。

圖5 系統(tǒng)登錄界面

圖6為生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面，能夠?qū)崟r顯示機器人系統(tǒng)、焊接電源、激光器、送粉器及其它輔助設(shè)備的工作狀態(tài)和工作參數(shù)。生產(chǎn)信息管理界面，用于維護操作人員班次信息和工件信息，工件信息可手動錄入也可以掃描工件二維碼自動識別。圖7為參數(shù)設(shè)置界面，該頁面下可根據(jù)工件類型及編號設(shè)置和存儲機器人系統(tǒng)程序號、激光器程序號或功率值、焊機如送絲速度、弧長修正等參數(shù)。掃描工件二維碼，系統(tǒng)會自動匹配焊接參數(shù)，該參數(shù)可據(jù)工況實時調(diào)整、存儲、調(diào)用。

圖6 生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

故障提示界面，用于提示系統(tǒng)報警點，故障排除方法和日常維護提示。數(shù)據(jù)庫管理界面用于對已采集的工藝參數(shù)進行導(dǎo)出、打印、統(tǒng)計、篩選、分析等數(shù)據(jù)處理操作。控制系統(tǒng)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通可方便企業(yè)隨時導(dǎo)出需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進行生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)進度管理和產(chǎn)品質(zhì)量追溯，推動企業(yè)向數(shù)字化工廠發(fā)展。

4 應(yīng)用情況

模塊化的設(shè)計可根據(jù)用戶不同應(yīng)用需求實現(xiàn)不同的功能，更易于擴展，使得應(yīng)用場合更柔性化。基于此方案的機器人激光制造工作站已在軌道交通、工程機械、海洋船舶等領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備部件激光制造中得到應(yīng)用。圖8為國產(chǎn)第一套軌道車輛大型龍門激光焊接成套裝備。該套設(shè)備應(yīng)用在馬來西亞地鐵線、埃塞俄比亞客車等多條地鐵線的大部件焊接上，自2013年交付使用至今應(yīng)用效果良好。圖9為國內(nèi)首套大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件厚板機器人激光-電弧復(fù)合熱源智能焊接系統(tǒng)，主要用于300～3 600 t履帶起重機大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的自動化及智能化焊接，自2016年交付使用至今。

圖8 國產(chǎn)第一套軌道車輛大型龍門激光焊接成套裝備

圖9 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件厚板機器人激光-電弧復(fù)合熱源智能焊接系統(tǒng)

以上實際應(yīng)用案例證明，該機器人激光制造工作站數(shù)字化控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定且易于維護，能夠顯著提高焊接效率與質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1)針對大功率激光制造的應(yīng)用需求，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種激光制造方法的數(shù)字化控制系統(tǒng)方案。完成硬件電路、通訊架構(gòu)及軟件設(shè)計，實現(xiàn)機器人激光制造工作站的可視化控制。建立激光焊接工藝數(shù)據(jù)庫并提供數(shù)據(jù)接口，與企業(yè)信息管理平臺互聯(lián)互通。

(2)基于該方案設(shè)計的機器人激光制造工作站的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定且易于維護，能夠顯著提高焊接效率與質(zhì)量，改善工人勞動環(huán)境，并已在多個領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備部件激光制造中得到應(yīng)用。