基于S7-300的自動焊接系統研究

高 強

（天津渤海職業技術學院，天津 300402）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，焊接自動化技術在工業生產中被廣泛地應用。相關資料表明：目前，全世界正在從事各種行業工作的100多萬臺機器人中，焊接機器人的比例已經達到45%以上[1]。焊接機器人不但充分發揮了自動化生產高度穩定的工作特性，保證批量生產的產品質量穩定，而且把操作工人從惡劣的勞動環境解放出來，降低了勞動強度，提高了生產效率，國際上已有許多國家逐漸重視機器人在焊接過程中的作用。早在20世紀70年代，日本就已經將點焊機器人引進工業生產線。隨后，弧焊機器人的使用開始有了明顯的增加[2]。20世紀80年代，機器人技術的研制得到了我國有關部門的高度重視，國家投入了大量資金對工業機器人主構架、驅動、測量、傳感等成套技術進行了技術攻關。1985年哈爾濱工業大學成功研制我國第一臺HY-l型焊接機器人，2000年國家863計劃“機器人應用工程及其產業化開發”項目在長春通過了驗收。從此標志我國在工業機器人研發技術和生產應用上完全具備了獨立的研發、生產能力，充分說明我國工業機器人自主設計、制造技術和實際應用的整體水平已經躋身國際先進行列[3]。

作為焊接技術的控制系統，目前多采用PC機、DSP、及 PLC作為控制的核心，而SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，能適用于自動化工程中的各種應用場合，尤其在生產制造工程中的應用。模塊化、無風扇結構、易于分布式的配置以及易于掌握等特點，使得S7-300在焊接自動化領域中實現各種控制任務時，成為一種既經濟又切合實際的解決方案[4]。

1 基于S7-300的自動焊接系統的控制結構

系統主要由S7-300PLC、焊槍、焊接平臺、激光傳感器、觸摸屏等組成，系統在結構上是分布式的，采用模塊化控制。工作時，激光傳感器采集焊槍的位置信息,通過PLC的輸入模塊傳遞給CPU，通過系統設定的控制系統，分配系統指令，協調焊槍的工作。其結構組成如圖1所示。

圖1 焊接系統的控制結構

PLC的CPU是焊接機器人的核心部分，它的主要作用是根據現場焊接環境和激光傳感器檢測的信息，產生焊接參數，確定焊接機器人的各項控制參數，并把這些控制參數傳遞給系統的控制系統，通過觸摸屏或相應的按鈕控制焊接機器人的各項動作，并通過分析各種反饋信息對各個子系統進行實時監控和故障診斷。激光傳感器將檢測的焊槍對焊縫偏差，通過PLC的輸入模塊傳遞給CPU,CPU采用模糊PID分段產生糾正偏差控制信號?？刂葡到y根據信號發出指令,控制焊槍步進電機動作,進行焊縫的糾偏,從而達到對運動平臺和焊槍實時控制。

2 自動焊接系統的硬件組成

焊接機器人在工作過程中, PLC組成的系統通過對激光傳感器檢測信息，分析反饋，產生指令，有效控制焊接平臺和焊槍的精確運動；從而實現對空間焊縫的自動實時跟蹤,并實現焊接參數的在線調整、焊縫質量的實時控制。因此，系統要求處理器具有較強的運算能力、較短的運行周期及高度可靠的性能[3]。西門子公司的SIMATIC S7系列的CPU315-2DP能夠實現高速計算能力,并且系統集成有專門控制步進電機的程序，不但能完成現代控制理論或智能控制理論的一些復雜算法,而且簡化了硬件結構和體積,提高了系統可靠性。本文以CPU315-2DP為核心控制器,負責整個控制過程中信息的運算和處理,其整個控制過程的硬件組成部分如圖2所示。

圖2 系統的硬件組成

觸摸屏采用西門子TP 177B型，TP 177B支持位圖，圖標、背景圖畫和矢量圖形對象?？墒褂冒魣D和趨勢圖，具有斷電保護功能，可很好的滿足系統的需要。

激光傳感器采用美國MTI MicrotrakII “高速”激光位移量測系統，分辨率：0.1μm 高速取樣頻率：40KHZ，MicrotrakII是采用三角量測技術來進行位移、距離、振動及厚度檢測的精密量測系統。它不受表面物體材質、 顏色及發射光源的影響，應用范圍極廣，可以很好的滿足了本系統的需要。

3 系統的軟件組成

基于S7-300的自動化焊接系統的軟件設計以STEP-7和WinCC flexible為主，通過PC機編寫完程序后，通過RS232串口或者USB接口把程序下載到觸摸屏及PLC中，通過控制面板上的按鍵可以對焊槍進行自如的控制，而觸摸屏實時的數據和圖像及報警系統使得操作者更加清楚工作臺及焊槍的位置，使得控制更加的直觀和方便。研究開發的DQGC-I型自動焊接機如圖3所示。

圖3 DQGC-I型自動焊接機

4 結論

本文提出了基于S7-300的自動焊接系統，并據此研究開發了DQGC（電氣工程）-I型自動焊接機，該機采用激光器、激光電源、內循環冷卻系統、控制系統、數控系統、工作臺一體化設計,具有性能可靠、結構緊湊、外形美觀、操作方便、占地面積小等特點。通過觸摸式操作面板選擇激光輸出的功率、頻率和脈寬等參數。具有誤操作和超溫自動保護功能。能夠較好的完成 各種焊接工作 ，可焊接圖形包括:點、直線、圓、圓弧、方形及不規則圖形等。具有反應速度快，誤差較小等特點，較好的完成了實際工作的需要。

[1] 陳家本.日本發展造船焊接機器人的歷程和主要種類[J].焊接研究與發展,1997,6(1):22-23.

[2] 林尚揚.我國焊接生產現狀與焊接技術的發展[J].船舶工程,2005,27(z):15-24.

[3] 曹建樹,薛龍,李衛清.基于DSP的焊縫自動跟蹤控制系統設計[J].中國機械工程,2005,16(9): 767-768.

[4] 廖長初.可編程控制器應用技術[M].重慶:重慶大學出版社,1999:35.