雙臂數(shù)控焊接機床控制系統(tǒng)設(shè)計*

胡孔元，朱華炳

(合肥工業(yè)大學(xué)a.工業(yè)培訓(xùn)中心;b.機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

汽車后橋軸端法蘭焊接質(zhì)量的好壞關(guān)系到汽車行車的安全性和汽車的整車性能。傳統(tǒng)的手工焊接、單工位焊接機器人或者半自動CO2保護焊焊接質(zhì)量難以保證，且生產(chǎn)效率低下，勞動強度大，焊接自動化生產(chǎn)是必然趨勢［1］。本文針對國內(nèi)某公司汽車后橋軸端法蘭焊接生產(chǎn)過程中存在的工人勞動強度大和生產(chǎn)率低等問題，設(shè)計一種雙臂數(shù)控焊接機床控制系統(tǒng)。利用S7-200PLC、觸摸屏、編碼器、伺服電機及驅(qū)動器等搭建控制系統(tǒng)，提出一種觸摸屏和PLC 基于串行通信的位置和擺動伺服控制方法，實現(xiàn)后橋法蘭焊接的自動化、信息化和柔性化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

雙臂數(shù)控焊接機床用于汽車后橋兩端法蘭焊接。本道工序前法蘭與橋殼已經(jīng)點焊固定，焊接要求:①法蘭兩側(cè)焊接;②焊臂擺動;③焊接有始末點(非閉環(huán))。雙臂數(shù)控焊接機床如圖1 所示。本機床機構(gòu)運動功能有:①焊臂水平移動:伺服電機經(jīng)減速器驅(qū)動絲杠運動副。②焊臂升降:伺服電機經(jīng)減速器驅(qū)動螺桿運動副。③焊槍伸縮:氣動。④焊槍擺動:伺服電機經(jīng)減速器驅(qū)動。⑤后橋軸向夾緊與放松:氣動。⑥主軸旋轉(zhuǎn):變頻電機經(jīng)減速器驅(qū)動。⑦定位測頭伸縮:氣動。

圖1 雙臂數(shù)控焊接機床示意圖

根據(jù)本次焊接工序的要求和保證焊接質(zhì)量，結(jié)合機床機構(gòu)功能，控制系統(tǒng)設(shè)計采用觸摸屏為上位機，S7-200 晶體管輸出型PLC 為下位機，通過串口通信的方式實現(xiàn)監(jiān)控［2-3］。系統(tǒng)具備手動控制、自動控制、信息顯示和參數(shù)編輯等功能。

(1)手動控制:①實現(xiàn)機床機構(gòu)運動功能;②點焊;③運動軸回零;④停止;⑤位置保存，保存焊槍處于兩工位(四焊接位置)時Z軸(水平)、X軸(上下)和A軸(旋轉(zhuǎn))的位置信息。

(2)自動控制:①運行，按程序先同時焊接后橋兩端法蘭外側(cè)后內(nèi)測(兩工位處位置信息已手動保存);②停止，故障自動停止、緊急停止、手動停止。

(3)信息顯示:①數(shù)據(jù)顯示，運動軸位置、焊槍角度值、擺寬、擺速、主軸轉(zhuǎn)速、工件計數(shù)等;②消息顯示，兩工位參數(shù)保存情況、故障報警信息(伺服報警、主軸報警、氣壓報警等)、限位報警信息;③氣動機構(gòu)狀態(tài)顯示(焊臂伸縮、測頭伸縮、工件夾松);④狀態(tài)指示燈(運行、故障、急停)。

(4)參數(shù)編輯:①位置值、角度值調(diào)整;②擺寬、擺速調(diào)整;③主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整;④焊接始末點調(diào)整等。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

機床控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)控制電路分為強電部分和弱電部分。強電部分采用熔斷器、交流接觸器、變壓器等給交流伺服電機及驅(qū)動器、主軸變頻電機及變頻器、主軸冷卻電機、開關(guān)控制電源等提供220V 電源。弱電部分以PLC 為核心，包括中間繼電器控制電路、氣閥控制電路、傳感器接線電路、主軸變頻控制電路、平移和升降伺服電機控制電路、擺動伺服電機控制電路等;另外，有平移和升降伺服電機編碼器接線電路、擺動伺服電機編碼器接線電路［4-6］。控制系統(tǒng)電路的核心在于主軸變頻控制和伺服控制。

2.1 主軸變頻控制電路設(shè)計

主軸變頻電路按外部操作模式和閉環(huán)控制方式(主軸末端裝有增量式旋轉(zhuǎn)編碼器)設(shè)計。速度指令電壓由PLC 模擬量輸出提供，主軸使能信號由PLC 控制繼電器實現(xiàn)，連接外部制動電阻，繼電器報警信號輸出至PLCI/O 輸入端。

2.2 伺服控制電路設(shè)計

根據(jù)PLC、伺服電機及驅(qū)動器的特點和不同伺服機構(gòu)的控制要求來設(shè)計伺服控制電路。

(1)在運行停止時，相比于平移和升降，擺動位置具有不定性。平移和升降伺服控制電路按位置控制模式和開環(huán)控制方式(驅(qū)動器編碼器無反饋信號至PLC)設(shè)計。擺動伺服控制電路按位置控制模式和閉環(huán)控制方式(驅(qū)動器編碼器有反饋信號至PLC)設(shè)計。

(2)由于所用驅(qū)動器的控制信號是低電平有效，而S7-200 晶體管輸出型PLC 輸出的是高電平，設(shè)計電平轉(zhuǎn)化電路［7］。

(3)由于PLC 的CPU 只配有兩個高速脈沖輸出點，而本系統(tǒng)需要控制六臺伺服電機，利用PLC 六個普通I/O 輸出點設(shè)計脈沖通道選擇電路［8］。

(4)由于驅(qū)動器編碼器信號經(jīng)長線驅(qū)動器輸出是差動信號，而PLC 高速計數(shù)點輸入的是單端信號，設(shè)計差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路。

圖2 機床控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括觸摸屏端畫面設(shè)計、PLC 端程序設(shè)計和伺服驅(qū)動器和變頻器相關(guān)參數(shù)設(shè)定［9］。軟件模式包括手動、自動和編輯。模式選擇通過觸摸屏按鈕實現(xiàn)。機床控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計流程圖如圖3 所示，其中，左右側(cè)焊臂自動運行時同步。在運行程序中，還完成與消息顯示和參數(shù)編輯等相關(guān)程序設(shè)計［10-12］。另外，手動程序還設(shè)計了點焊、主軸轉(zhuǎn)、夾緊、放松等程序;自動程序還設(shè)計停止、急停等程序。

3.1 觸摸屏端畫面設(shè)計

觸摸屏端設(shè)計自動、平移、升降、擺動、伸縮、測頭、編輯共7 個畫面。通過畫面切換按鈕實現(xiàn)切換。

(1)自動界面:顯示工位參數(shù)保存，故障報警、限位報警、測頭伸縮、焊槍伸縮、焊槍開/關(guān)、工件夾緊/松開等信息。設(shè)置啟動、停止、急停、夾緊、松開、主軸轉(zhuǎn)、點焊等按鈕。

(2)平移界面:顯示限位報警、第一工位平移距離、第二工位平移距離信息。設(shè)置左/右選擇、正/反向選擇、回零、運行、停止等按鈕。

(3)升降界面:顯示限位報警、第一工位升降距離、第二工位升降距離等信息。設(shè)置左/右選擇、正/反向選擇、回零、運行、停止等按鈕。

(4)伸縮界面:顯示焊槍伸縮信息。設(shè)置左/右選擇、正/反向選擇按鈕。

(5)擺動界面:顯示工位保存、編碼器返回值等信息。設(shè)置擺寬、擺速編輯框。設(shè)置左/右選擇、正/反向選擇、運行、停止、保存、開擺、停擺等按鈕。

(6)測頭界面:顯示焊槍伸縮信息。設(shè)置左/右選擇、正/反向選擇按鈕。

(7)編輯界面:顯示主軸轉(zhuǎn)速、左側(cè)第一工位平移距離、左側(cè)第一工位升降高度、左側(cè)第一工位擺動中心、左側(cè)第二工位平移距離、左側(cè)第二工位升降高度、左側(cè)第二工位擺動中心、右側(cè)第一工位平移距離、右側(cè)第一工位升降高度、右側(cè)第一工位擺動中心、右側(cè)第二工位平移距離、右側(cè)第二工位升降高度、右側(cè)第二工位擺動中心、第一工位焊縫起點、第一工位焊縫終點、第二工位焊縫起點、第二工位焊縫終點等信息。

3.2 PLC 端程序設(shè)計

根據(jù)機床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖，程序設(shè)計使用一些PLC 基本指令、功能指令和程序控制指令外，還使用輸出脈沖指令、高數(shù)計數(shù)器指令和順控繼電器指令［13-14］。其中，關(guān)鍵程序為定位和擺動控制程序。

定位控制考慮其特點:①機床是適應(yīng)后橋不同種類的要求，應(yīng)縮短工位一平移距離;②測頭和焊臂相對位置固定;③法蘭尺寸一定。

定位控制程序關(guān)鍵部分的設(shè)計思想為:①利用PTO 完成中斷程序?qū)崿F(xiàn)運動距離控制;②利用手動擺動控制順序保存兩工位位置(Z軸、X軸和A軸)信息;③以測頭為基準控制焊槍水平方向準確定位;④以X軸零點(兩處)為基準控制焊槍垂直方向準確定位;⑤根據(jù)伺服編碼器反饋信號特點，使用高數(shù)計數(shù)器模式9 控制焊槍擺動方向準確定位。

擺動控制程序設(shè)計思想為:利用PTO 完成中斷程序，起始脈沖數(shù)減半，實現(xiàn)以擺動中心為原點擺動。

另外，設(shè)定斷電數(shù)據(jù)保持區(qū)，避免每次系統(tǒng)開啟后都要進行回零操作和有關(guān)參數(shù)設(shè)定［15］。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種用于汽車后橋軸端法蘭焊接的雙臂數(shù)控焊接機床控制系統(tǒng)。搭建由觸摸屏和S7-200PLC 基于串口通信的伺服定位和擺動控制系統(tǒng)，提出了基于PLC 的六臺伺服控制方法，設(shè)置了各種異常情況安全保護措施，實現(xiàn)了手動控制、自動控制、信息顯示和參數(shù)編輯等功能。所有控制具有精度高、可靠性好、響應(yīng)速度快等特點。系統(tǒng)運行安全可靠，自動化程度高，操作簡單、維護方便等特點。該控制系統(tǒng)集成了生產(chǎn)加工、自動控制和生產(chǎn)管理，具有較高的市場應(yīng)用價值。

圖3 機床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

［1］朱華炳，余先照，胡孔元，等. 雙工位數(shù)控焊接機床設(shè)計［J］.制造技術(shù)與機床，2012(12):220 -223.

［2］叢明，劉冬，杜宇，等.PLC 伺服控制在太陽能電池組件搬運機械手中的應(yīng)用［J］. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2011(9):66 -69.

［3］吳明亮，汪小兵，余淑榮，等.基于PLC 的伺服驅(qū)動填充系統(tǒng)的設(shè)計［J］.機床與液壓，2011，39(12):89 -91.

［4］高海濤，趙 鋼.LZRL 型凸輪全自動精密套圈冷輾擴機的電氣設(shè)計［J］.軸承，2011 (1):17 -20.

［5］楊湘達，王連吉，李興林，等.有裝球缺口深溝球軸承自動裝球機的研制［J］.軸承，2012 (12):14 -16，20.

［6］柳成，崔楊.基于PLC 和DSP 的全自動液體灌裝機的設(shè)計［J］.機床與液壓，2012，40 (8):1 -3.

［7］李全利. PLC 運動控制技術(shù)應(yīng)用設(shè)計與實踐(西門子)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［8］劉艷華，何高清，祖暄.柔性車削中心上下料機構(gòu)設(shè)計和控制［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2012(7):96-98，102.

［9］張躍明，官文，鄧衛(wèi)平，等.基于PLC 的自動換刀系統(tǒng)研究［J］.機械設(shè)計與制造，2012 (11):69 -71.

［10］李輝，戴怡.基于PLC 的經(jīng)濟型龍門式數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.機床與液壓，2011，39 (12):67 -69，111.

［11］王振超，劉廣瑞，畢竟鍇，等.基于PLC 的切割機運動軌跡控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］. 機床與液壓，2012，40 (2):59-61.

［12］呂振，何武林，姚剛.基于PLC 和交流伺服的單軸控制系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動化，2011，33 (9):99-101，111.

［13］黎冠，祥麗，馬婕，等.基于PLC 的位置閉環(huán)伺服控制在大行程定位中的應(yīng)用［J］. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2012(8):78-80.

［14］王海祥，高峰.基于PLC 及伺服系統(tǒng)的剪板機的控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2012，34(12):115-119.

［15］SIMATIC S7—200 系統(tǒng)手冊［M］.北京:西門子(中國)有限公司，2008.