一種鋼家具自動焊機控制系統的設計

摘要：針對鋼家具生產企業產品的結構焊接自動化程度低的問題，設計開發了鋼家具自動焊機控制系統。系統采用雷塞公司的SMC6490獨立控制器為硬件平臺，設計的控制系統具有良好的人機界面、示教功能等功能，能有效地提高焊接效率。

關鍵詞：控制系統 焊接 設計

1 概述

鋼家具因其結構簡約時尚，近年來受到廣大消費者的喜愛，市場需求量大。鋼家具是由薄壁管材為焊接而成，除個別簡單工序使用專用的半自動焊機外，手工焊接依然是行業生產的主流。手工焊接難以保證焊接質量，進而在一定程度上阻礙生產率的提高。近年來隨著計算機技術和自動化控制技術的飛速發展，自動焊接技術在焊接領域中的應用已受到廣泛的重視。本項目為某大型鋼家具生產企業設計一種基于雷賽公司SMC6490獨立控制器的新型的自動焊機控制系統，以滿足新型材料和復雜焊接機構，提高生產效率、生產質量，并且最大程度地降低工人的勞動強度。

2 控制系統功能

本新型自動焊機控制系統結合伺服電機與液壓氣動元件，結構簡單、人性化操作。具有以下功能：

①具有良好的人機控制界面，以編輯焊接加工程序、控制機器運行、顯示機器運行狀態，人機互動性好。

②具有示教功能，同時配置示教手輪，以實現復雜的焊接運動軌跡的編輯和控制各運動部件按照需要完成既定的裝夾、焊接等動作。

③為了確保焊接位置精確性和焊接速度的準確性，系統必須對焊槍驅動電機進行可靠控制。

新型自動焊機除了具備上述功能外，在車間現場進行生產時，實時性強、可靠性高、操作簡單等特點也是該控制系統軟件必須具備的。另外，系統還提供了各部件手動控制功能，進而使得使用更加方便，而且便于調試。綜上所述，自動焊機控制系統所具有的功能如下圖1：

■

圖1 控制系統功能

3 控制系統的結構特點

控制系統分為硬件和軟件兩部分。

3.1 硬件的機構特點

該系統的控制器平臺具有最高5MHz脈沖頻率、四軸直線插補、兩軸圓弧插補、連續曲線插補、S形曲線速度控制等功能，同時，可對4個步進或伺服電機進行控制。基于嵌入式處理器和FPGA的硬件結構，為了確保系統的高性能運動，以及控制的精度性和穩定性，通過硬件實現插補算法、脈沖方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點及限位等信號的檢測處理。

該系統提供了豐富的接口，除了4個電機控制端口外，還有I/O接口和通訊接口：雙路高精度DA輸出，雙路 PWM控制輸出，16路隔離輸入口，8路隔離輸出口，其中有兩路電流增強輸出，通過接口擴展可以擴展更多IO接口；一個10/100M網絡接口、兩個RS232，可通過網絡或 RS232直接與PC機通信；同時還可以通過RS232與文本屏、觸摸屏等設備連接，作為輸入輸出界面。

3.2 軟件的機構特點

如圖2所示，該系統由5個模塊構成，每個模塊具備不同的功能，進而使得系統軟件實現了結構化和模塊化。

■

圖2 系統軟件機構圖

①硬件測試模塊：硬件測試主要用于裝機調試或故障排除過程中，以幫助確認各軸運動功能，各軸的專用IO和系統的所有通用IO的狀態測試和監控。如對外部設備包括氣動系統、焊槍頭開關量等進行模擬測試。

②參數設定模塊：通過參數設定界面可以對速度、工件零點、限位補償、示教設置、廠商設置、焊接設置等參數進行設定。

③文件參數模塊：可以通過此模塊對文件的多個具體的項目進行設置，如：循環加工的次數、加工間隔時間等。

④文件管理模塊：對已有的文件進行復制、刪除等操作。

⑤編輯文件模塊：顯示當前文件的程序行數，以及對具體教導的焊接文件進行編輯，此功能主要用于針對某個產品的焊接教導。

4 電機驅動控制

結合系統設計需求，自動焊機主要運動控制是對焊槍的位置精確控制，因采用伺服電機作為執行電機。對伺服電機控制中，采用伺服控制系統的位置控制方式，其工作原理是：自動焊機控制系統通過給相應的伺服驅動器發命令的方式完成對焊槍位置的控制。

本系統對伺服電機的控制是通過脈沖控制方式完成的。所謂脈沖控制方式就是由上位機發送一個方向電平和脈沖對伺服電機運轉進行控制，其運轉方向由方向電平決定，電機轉動角度由脈沖數量決定，電機轉速由脈沖頻率決定。在控制中，脈沖方式實現起來比較容易，而且穩定性較高。

5 自動焊機系統的焊接過程

自動焊機主要用于鋼家具的焊接，所用直徑為0.8～1.0mm的焊絲，一般采用混和氣體（CO2 +Ar）保護焊，焊接過程如圖3所示：

■

圖3 自動焊機系統焊接過程

6 結論

設計開發的鋼家具自動焊機控制系統，用戶可以簡單設定焊接參數及教導復雜結構的鋼家具焊接工件，整個系統易學易懂，運行穩定。此系統控制的自動焊機降低了焊接工人的勞動強度，提高了工作效率，保證了焊接質量的穩定性，在一定程度上實現了鋼家具結構件焊接的自動化，保證了焊接質量的穩定性。

參考文獻：

[1]潘際鑾.焊接手冊.北京：機械工業出版社，1993.

[2]王建兵.數控焊接機的研制開發[D].合肥：合肥工業大學，2006.

[3]唐仲文.機電一體化手冊.北京：機械工業出版社，1994.

作者簡介：

陳浩齊（1984-），男，廣東番禺人，江門職業技術學院助教，碩士，研究方向：機械制造及其自動化。