激光焊機(jī)焊接對(duì)中伺服控制系統(tǒng)

董 硯，孟慶江，王 睿

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

激光焊機(jī)焊接對(duì)中伺服控制系統(tǒng)

董 硯，孟慶江，王 睿

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

介紹了薄板生產(chǎn)線LW21L激光焊機(jī)對(duì)中伺服系統(tǒng)的工藝及其控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用西門(mén)子公司S7-400和PROFIBUS-3DP通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了激光焊在連續(xù)薄板生產(chǎn)線過(guò)程中的自動(dòng)控制，提出了一種對(duì)中伺服控制方法，即自動(dòng)定位控制。焊機(jī)中還用到了相對(duì)位置定位控制和絕對(duì)位置定位控制，相對(duì)位置定位控制主要應(yīng)用于維護(hù)模式中，絕對(duì)位置定位控制主要應(yīng)用于自動(dòng)和半自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)執(zhí)行焊接過(guò)程中，有效克服了激光焊機(jī)在焊接對(duì)中過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，大大提高了激光焊機(jī)的焊接準(zhǔn)確度。該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了焊接的自動(dòng)化及故障處理功能。

激光焊機(jī)；對(duì)中；PLC；控制系統(tǒng)

0 前言

薄板生產(chǎn)線激光焊機(jī)是一個(gè)集機(jī)械、電氣、液壓、光學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制等多個(gè)學(xué)科技術(shù)相互交融的復(fù)雜系統(tǒng)，可滿足連續(xù)涂鍍線、連續(xù)退火線、重卷線、檢查線、彩涂線等場(chǎng)合對(duì)高質(zhì)量鋼帶焊接的需要。

激光焊接是激光加工技術(shù)的重要應(yīng)用之一，激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率、高速度的焊接方法，受到人們的關(guān)注。其中激光焊機(jī)對(duì)中系統(tǒng)的精確度決定了焊縫質(zhì)量的優(yōu)劣。目前，國(guó)內(nèi)激光焊接技術(shù)逐步成熟，已從實(shí)驗(yàn)室逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，包括汽車(chē)、鋼鐵、航空航天、電子工業(yè)和塑料等領(lǐng)域[1]。

該對(duì)中系統(tǒng)采用以西門(mén)子公司S7-400為核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光焊接的智能精確控制，從而提高了生產(chǎn)效率。

1 對(duì)中系統(tǒng)工藝流程

研究激光焊機(jī)焊接對(duì)中工藝，首先要了解整個(gè)焊接工藝流程，由于焊接過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的控制過(guò)程，對(duì)控制流程的要求極為嚴(yán)格，完成一個(gè)完整的焊接過(guò)程應(yīng)遵循主時(shí)序圖。其中主要包括帶頭準(zhǔn)備、帶尾準(zhǔn)備、帶鋼調(diào)整、焊接準(zhǔn)備、完成焊接。

在帶頭帶尾準(zhǔn)備過(guò)程中，包括主夾夾緊，磁尺測(cè)量確定中心線，活套抬起，完成帶鋼中心線的調(diào)整，即完成一次初步對(duì)中，其作用是使兩帶鋼中心基本在一直線上，便于下一步精細(xì)調(diào)整。

在帶鋼調(diào)整過(guò)程中，包括工作側(cè)帶鋼和驅(qū)動(dòng)側(cè)帶鋼這兩個(gè)方向的間隙調(diào)整，以及平行于鋼板方向鋼板中心層的對(duì)齊和垂直鋼板方向帶鋼的調(diào)整，目的是使兩帶鋼在水平方向和垂直方向都在同一平面上，使得焊接更加精準(zhǔn)。

激光焊接對(duì)中包括帶頭對(duì)中、帶尾對(duì)中等，對(duì)中工藝流程與焊接過(guò)程的各個(gè)工藝流程密切相關(guān)，而且與硬件結(jié)構(gòu)包括人機(jī)界面、PIOFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、PLC、觸摸屏控制操作臺(tái)等多個(gè)子系統(tǒng)有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程，為了更好地研究對(duì)中系統(tǒng)，下面以帶頭對(duì)中為例，說(shuō)明其工藝流程，如圖1所示。

圖1 帶頭對(duì)中流程

其中1號(hào)和2號(hào)夾具表示靠近中心夾具的兩個(gè)夾具，檢測(cè)頭1和2表示位于帶鋼兩側(cè)的兩個(gè)磁尺，作用是測(cè)量帶鋼邊緣到中心線的距離，參考位置為生產(chǎn)線中心線，圖1中參考位置計(jì)算是按照下面公式來(lái)完成：設(shè)帶鋼一個(gè)邊緣距離參考位中心線的距離為d1，另一個(gè)邊緣距離參考位中心線距離為d2，則帶鋼中心線距離參考位中心線為

然后利用伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿調(diào)整帶鋼中心線到參考中心線距離，移動(dòng)距離為(d1+d2)／2。

2 對(duì)中伺服控制方法

以激光焊機(jī)的出口對(duì)中為例，分析焊機(jī)的伺服控制方法。

焊機(jī)的對(duì)中系統(tǒng)由位置檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)夾鉗、移動(dòng)框架組成，如圖2所示。移動(dòng)框架A、B分別由伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B控制，使其相對(duì)于帶鋼中心線做垂直運(yùn)動(dòng)，A1、A2、B1、B2是線性絕對(duì)值編碼器的位置檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)開(kāi)始檢測(cè)的時(shí)候由氣缸帶動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)向帶鋼方向運(yùn)動(dòng)，直到突出的檢測(cè)點(diǎn)接觸到帶鋼，此時(shí)線性編碼器輸出的數(shù)值就是帶鋼邊緣的位置信號(hào)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)夾鉗負(fù)責(zé)固定加緊帶鋼，在框架移動(dòng)的時(shí)候帶動(dòng)帶鋼運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都會(huì)跟隨帶鋼運(yùn)動(dòng)，將當(dāng)前帶鋼位置即時(shí)反饋給PLC。

圖2 出口對(duì)中系統(tǒng)

在焊機(jī)進(jìn)行對(duì)中的時(shí)候，首先檢測(cè)帶鋼的實(shí)際位置，由于編碼器反饋的數(shù)值是一個(gè)雙整數(shù)，并且每一個(gè)單位為10 μ m，在進(jìn)入PLC后要先對(duì)其進(jìn)行整型，進(jìn)行位置比較，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，虛框部分是檢測(cè)時(shí)帶鋼中心線與實(shí)際中線的偏移量，線性編碼器輸出量在PLC內(nèi)部由雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，此時(shí)每個(gè)單位的距離是10 μ m，考慮到設(shè)備在安裝的過(guò)程中，有可能安裝位置不對(duì)稱，會(huì)引起中心線的偏移，所以，對(duì)中心線位置進(jìn)行了補(bǔ)償，之后將兩個(gè)線性編碼器檢測(cè)到數(shù)值相減再除以2，得到了帶鋼中心線的偏移量，附加到編碼器反饋的當(dāng)前位置中，此時(shí)調(diào)整好信號(hào)極性(根據(jù)線性編碼器反饋量減法關(guān)系)，將計(jì)算好的位置傳送給變頻器，附加給定反映的是當(dāng)前帶鋼的偏移量，隨著電機(jī)的調(diào)整將會(huì)逐漸減少，直到為零，此時(shí)編碼器反饋的位置即是電機(jī)調(diào)整好的位置，這就完成了對(duì)中過(guò)程。

上面所述是焊機(jī)的對(duì)中自動(dòng)定位控制，焊機(jī)中還用到了相對(duì)位置定位控制和絕對(duì)位置定位控制，相對(duì)位置定位控制主要應(yīng)用于維護(hù)模式中，作用是微調(diào)設(shè)備位置，如表1所示。

表1 運(yùn)行程序段表

在圖3中序號(hào)為1的程序段就是相對(duì)定位程序段，當(dāng)運(yùn)行此程序段的時(shí)候，設(shè)備位置在相對(duì)的位置上移動(dòng)10個(gè)單位，方向由設(shè)定的正負(fù)值來(lái)選擇，而絕對(duì)位置定位控制主要應(yīng)用于自動(dòng)和半自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行焊接過(guò)程中，例如在自動(dòng)模式下進(jìn)行到帶尾剪切，焊機(jī)的出口對(duì)中和出口夾鉗動(dòng)作已經(jīng)完成，焊機(jī)進(jìn)入到剪切階段，此時(shí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)光梁的進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成剪切，在這個(gè)過(guò)程中，光梁帶動(dòng)剪切頭快速移動(dòng)到帶鋼的邊緣位置，完成了剪切的準(zhǔn)備工作后再以剪切速度開(kāi)始剪切，其中位置等參數(shù)由人機(jī)界面設(shè)置PLC運(yùn)算后生成，這一系列動(dòng)作就是絕對(duì)位置定位控制，如圖4所示。

圖4 絕對(duì)位置定位控制

絕對(duì)定位控制所用到的程序段只需要設(shè)置移動(dòng)方向和速度，其他都由PLC控制。在圖4中，控制面板或PLC內(nèi)部允許一項(xiàng)動(dòng)作開(kāi)始后，在PLC內(nèi)部開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算，首先將目標(biāo)值與當(dāng)前的位置進(jìn)行比較，得出需要運(yùn)行的方向及距離，然后選擇相應(yīng)的程序段號(hào)碼傳送給變頻器；在速度方面，以百分比的形式來(lái)進(jìn)行傳送，對(duì)應(yīng)著變頻器的控制字倍率一項(xiàng)，100%的速度對(duì)應(yīng)程序段中設(shè)置的速度值，用速度倍率與程序段的速度相乘就得到了當(dāng)前需要運(yùn)行的速度；在變頻器內(nèi)部的位置限制功能可以防止在運(yùn)行時(shí)頂?shù)浇K端而造成設(shè)備損壞；最后由變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出到電機(jī)來(lái)拖動(dòng)設(shè)備動(dòng)作，直到目標(biāo)值與實(shí)際值相同，絕對(duì)位置定位過(guò)程結(jié)束[2]。

3 系統(tǒng)硬件組成

焊機(jī)對(duì)中伺服控制系統(tǒng)采用西門(mén)子公司S7-400作為控制器，焊機(jī)對(duì)中伺服控制系統(tǒng)是由焊機(jī)PLC、SIMODRIVE 611U控制器和伺服電機(jī)等共同組成的伺服控制系統(tǒng)，其中611U控制器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)本地的位置或者速度閉環(huán)控制，同時(shí)與PLC之間進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的高速傳遞，因此，PLC與611U控制器之間的數(shù)據(jù)傳遞構(gòu)成了電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的核心，其傳輸形式有非循環(huán)傳輸和循環(huán)傳輸兩種，前者用于對(duì)611U控制器進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置，后者用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控611U控制器的動(dòng)態(tài)[3]。

PLC控制器采用CPU414-3DP可編程控制器，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，編程人員根據(jù)工藝和控制要求運(yùn)用相應(yīng)的CFC、GRAPH等高級(jí)編程語(yǔ)言，在PLC開(kāi)發(fā)軟件STEP7 MANAGER V5.4上編制相應(yīng)的程序，通過(guò)PC／MPI適配器和RS-232通信電纜下載到PLC中，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。通信系統(tǒng)采用PROFIBUS-3DP通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，一條是連接上位機(jī)用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的WINCC的通信DP，一條是連接著七個(gè)變頻器來(lái)控制14臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)架、焊機(jī)、壓輪等在x、y、z三個(gè)方向移動(dòng)的DP；第三條是連接有8個(gè)ET200分布式I／O從站和8個(gè)利用磁致伸縮原理用于鋼板中心線對(duì)中的磁尺的DP，如圖5所示。

4 故障處理

激光焊機(jī)所在的薄板生產(chǎn)線規(guī)模龐大，設(shè)備復(fù)雜，工藝流程緊湊，一旦發(fā)生故障將會(huì)造成系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，技術(shù)人員需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)查詢Step7程序來(lái)排查故障，對(duì)生產(chǎn)造成很大影響。因此薄板生產(chǎn)線對(duì)中系統(tǒng)設(shè)有故障報(bào)警功能，故障報(bào)警在S7-400PLC上通過(guò)step7語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)通過(guò)I／O模塊傳遞給PLC，當(dāng)激光焊機(jī)發(fā)生故障時(shí)，程序會(huì)對(duì)當(dāng)前設(shè)備情況進(jìn)行綜合分析，找出故障發(fā)生點(diǎn)并產(chǎn)生故障代碼，通過(guò)以太網(wǎng)傳送給人機(jī)界面工作站的設(shè)備實(shí)時(shí)故障報(bào)警管理程序，在人機(jī)界面上得到故障代碼值，查詢故障信息庫(kù)，提取庫(kù)中代碼對(duì)應(yīng)的故障信息說(shuō)明，并在人機(jī)界面底部發(fā)出警報(bào)，在圖形界面上彈出窗口顯示[4]。

圖5 激光焊機(jī)對(duì)中控制系統(tǒng)組成

5 結(jié)論

隨著激光焊接技術(shù)日趨成熟，國(guó)內(nèi)新建的幾條高技術(shù)生產(chǎn)線基本都采用了激光焊機(jī)，如首鋼順義冷軋生產(chǎn)線、邯鋼五機(jī)架冷軋生產(chǎn)線等，都實(shí)現(xiàn)了焊接對(duì)中的自動(dòng)控制[5]。通過(guò)對(duì)激光焊機(jī)的進(jìn)一步分析與研究，掌握激光焊機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，為研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光焊機(jī)提供了必要的技術(shù)條件。

[1]杭世聰，肖榮詩(shī).論大功率激光焊接的研究及應(yīng)用[J].電焊機(jī)，1991，21(1)：12-14.

[2]蔣力培.焊接機(jī)器人自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究[J].電焊機(jī)，2009，39(1)：39-44.

[3]辛立明.基于PLC的激光拼焊生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008[出版日期不詳].

[4]董 硯，潘洪瑞，王 睿，等.基于PLC的閃光焊機(jī)控制系統(tǒng)[J].冶金自動(dòng)化，2009[出版日期不詳].

[5]蘇冬艷.唐鋼冷軋廠一期酸洗線自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2006(12)：27-28.

Welding centering servo-control system of laser welder

DONG Yan，MENG Qing-jiang，WANG Rui
(Hebei University of Technology，School of control science and Engineering，Tianjin 300130，China)

Technological process of servo system and control system for LW21L type laser welder in Cold rolled sheet production line are introduced in this paper.The system is structured of S7-400 and PROFIBUS-3DP communication mode，achieving automatic control through the cold rolled continuous sheet production line，a method of servo control is presented，called automatic positioning control.Welder also used the relative position and absolute location in the positioning control，relative position of the positioning control is mainly used in maintaining mode，the absolute position of positioning control is mainly used in automatic and semi-automatic control system，it may automatically perform the welding process，and effectively overcome the laser welder error where generated in the welding process，the accuracy of the laser welder is greatly improved.The automation and fault treatment function of welding process are realized in the system.

laser welder；centering；PLC；control system

TG456.7

A

1001-2303(2011)09-0030-04

2011-03-24

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(07212114D)

董 硯(1973—)，女，黑龍江望奎人，副教授，博士，主要從事焊接過(guò)程控制與現(xiàn)代傳動(dòng)技術(shù)的研究。