基于PLC的焊接機器人自動控制系統的設計

王 艷，郝 亮，金 月，劉曉蘭

(哈爾濱華德學院，哈爾濱 150025)

1 焊接機器人自動控制系統結構

控制器：使用PLC控制器，通過調整PID進行回路控制。運行原理是通過對輸出信號的處理，實現偏差信號的轉換，根據接收的指令發出執行指令信息，使系統完成操作動作。被控單元：由控制器控制，是接收操作指令的模塊。執行操作模塊：當控制器發出指令，被控單元接收指令后，控制機械手臂完成指令操作。測試環節：使用傳感器對數據進行測量。自動控制系統需要持續發送信息，對此類信息使用傳感器測量，利用變換回路，將信息進行轉換，滿足控制系統對數據的需要。比較環節：主要用于信號比對，計算信號偏差，比對信號為系統檢測數據和系統信號。

2 系統硬件設計

PLC控制器選型：PLC是整個系統的中樞神經，是控制焊接機器人操作行為的模塊，設計采用西門子公司生產的S7-200型控制器，具有可編程、使用場合多、體積小的優勢，檢測和監測性能較好。

位置傳感器設計：其主要用于工件位置、焊鉗運動位置、焊接平臺位置的檢測，根據檢測對象選擇不同類型的位置傳感器。工件和焊接平臺檢測：選擇南京凱基特電氣生產制造的KJT-FJ18GW型耐高溫光電傳感器，使用壽命較長、可靠性較高，使用全金屬封裝，可耐120℃的高溫。焊接平臺移動檢測：使用BC40S型光電編碼器。

控制開關設計：主要控制自動系統的開啟和關閉，具備轉換、啟動、關閉、暫停、復位等功能。

上位機設計：負責控制系統的軟件部分，用于人機交互，借助通信網絡對PLC進行監測。使用北京亞控科技公司研發的監控軟件組態王6.60sp1，其最大特點是基于標準的工業計算機軟硬件平臺構建的集成系統，性能和自動化表現良好。

焊接平臺設計：焊接平臺和PLC控制器之間，使用變頻器連接。變頻器控制著焊接平臺的移動，在組態王軟件中，輸入焊接平臺的移動速度，通過PLC控制變頻器對焊接平臺進行驅動。本系統使用的是西門子MM440變頻器，可實現更高的動態響應，在不編碼的情況下，也可實現焊接平臺的移動。

伺服電機設計：焊接機器人雙機械手臂的控制，是由控制器發出指令，由伺服電機完成機械手臂的操作行為，機械手臂操作與人工焊接操作有些類似，可以橫向和縱向移動，所以要在伺服驅動系統中設置兩個電機。本系統使用的是西門子6SL3210-5FE10-8UA0型伺服電機，具有高動態性能，可實現機械手臂的高精度定位。

焊接控制設計：焊接控制對象是焊鉗，使用開關控制，針對焊接環節進行設置，主要是焊鉗起弧、焊接和收弧。

3 系統控制界面設計

控制界面可以參考組態王界面進行設計。登陸界面，操作人員輸入用戶名和密碼可登錄主界面，主界面設置了各個功能模塊對焊接機器人進行控制。自動焊接模塊，操作人員點擊進入后，開始控制焊接機器人的焊接操作。此模塊中，設置了啟動、暫停、關閉按鈕，點擊啟動按鈕，系統自動檢測工件位置，確定工件安裝是否準確，確認無誤后，操作人員按下焊接按鈕，伺服電機啟動，控制機器人手臂進行工件焊接。焊接過程中，需要調整工件，可按下暫停或關閉按鈕，停止焊接操作。機器人焊接有時需要人工介入，對系統進行調試。控制頁面中設置了手動調試選項，點擊后進入手動調試頁面。該頁面的主要功能是機器人手臂調試、焊接平臺調試，選擇調試選項后，可進行手臂和平臺調試。參數設定頁面，主要設置機器人手臂的焊接參數，可設置焊接速度，起弧和收弧時間。

4 軟件系統設計

4.1 轉換圖分析

基于PLC焊接機器人的自動控制屬于順序控制，包括九個流程，使用S0.0～S1.0表示，如圖1所示，每個流程代表機器人焊接的一個環節。其中，I0.5是限位開關，I1.1是上限位開關，I1.0代表下限位開關，是控制機械手臂的開關，打開開關后，機械手臂縱向運動，I0.6是右限位開關，I0.7是左限位開關，控制機械手臂橫向運動，I1.3控制焊接平臺的兩端限位。M0.0是標志位，M0.1是開機標識，M0.2是起弧時間，M0.3是收弧時間。

4.2 自動順序控制模塊運行原理

進入軟件自動控制模塊，按下焊接按鈕后，自動控制系統開始運行。進入流程S0.0后，沿著X軸方向，機械手臂開始橫向運動，激發I0.6開關，進入流程S0.1，沿著Y軸方向，機械手臂開始縱向運動。機械手臂到位后，I1.0下限位開關為1，焊槍進行起弧操作，進入焊接狀態，當達到M0.2起弧時間要求后，進入S0.3。焊接平臺接到信號后，開始移動，進行工件焊接。焊接結束后，進入S0.4，焊接平臺停止運行，焊槍開始收弧操作。當收弧時間M0.3結束后，開始S0.5操作，機械手臂開始收回操作，沿著Y軸反向運動，當到達I1.1上限位開關后，開始S0.6操作。機械手臂開始回收操作，沿著X軸方向運動，到達I0.7左限位開關后，進入S1.0。系統完成機器人焊接操作后，平臺處于停止狀態，等待下一個焊接指令。

5 系統的調試和安裝

系統設計好后，需要進行安裝和調試。在實驗室開展系統調試，進行焊接操作，通過對焊接槽型工件的評估，得到以下數據：自動控制系統的定位精度為±0.3 mm，焊接速度是±0.7 mm/s。使用自動系統通過伺服電機控制機械手臂橫向、縱向移動，進行復位測試，獲取機械手臂的定位精度，利用控制器輸出機械手臂運行參數。使用控制系統，通過變頻器控制焊接平臺，調整變頻器輸出頻率，保證焊接定位的準確性，及焊接速度的精確度，測試數據結果如表1。

表1 測試數據結果Tab.1 Results of testing data