基于PLC焊接擺動(dòng)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王　信，呂　濤，鄒文昊，高鵬遠(yuǎn)，黃俊強(qiáng)

（1.北京石油化工學(xué)院，北京102617；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

基于PLC焊接擺動(dòng)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王信1，呂濤1，鄒文昊1，高鵬遠(yuǎn)2，黃俊強(qiáng)1

（1.北京石油化工學(xué)院，北京102617；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

針對(duì)焊接過(guò)程中焊槍擺動(dòng)的需要，設(shè)計(jì)了一套以PLC為控制核心，觸摸屏為人機(jī)交互模塊，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的焊炬擺動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)FPWIN GR對(duì)PLC編程來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接擺動(dòng)器所設(shè)計(jì)的各種功能，滿足焊接過(guò)程中焊槍擺動(dòng)的需要。

PLC；觸摸屏；焊接擺動(dòng)器

0　前言

隨著焊接技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)焊接構(gòu)件的焊接精度、質(zhì)量和速度的要求也越來(lái)越高[1]，焊槍的控制從原來(lái)的手動(dòng)控制變?yōu)楝F(xiàn)在的半自動(dòng)、全自動(dòng)控制。在這些自動(dòng)、半自動(dòng)焊接中，采用各種擺動(dòng)器來(lái)滿足焊接工藝要求。焊接擺動(dòng)器控制系統(tǒng)因此也各種各樣。其控制板從開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本低、系統(tǒng)維護(hù)困難的各類單片機(jī)發(fā)展到應(yīng)用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）、PLC(可編程控制器)等更具優(yōu)勢(shì)的控制元件。本研究設(shè)計(jì)了一種基于PLC與觸摸屏的焊接擺動(dòng)器控制系統(tǒng)，可編程控制器功能強(qiáng)大、可靠性高、容易使用，通過(guò)與步進(jìn)電機(jī)及觸摸屏的結(jié)合，使得用戶輸入焊接參數(shù)更加方便快捷，提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。

1　系統(tǒng)組成

1.1硬件組成

焊接擺動(dòng)器一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常采用凸輪連桿傳動(dòng)和絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)兩種方式[2]。凸輪連桿傳動(dòng)為鐘擺式，因其擺動(dòng)速度非線性且擺動(dòng)幅度不能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中局限性太大，不能滿足現(xiàn)代焊接的各種技術(shù)要求。因此本研究擺動(dòng)器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，驅(qū)動(dòng)元件選用步進(jìn)電機(jī)。

控制系統(tǒng)的核心主控制單元采用松下FPORC32T可編程控制器，其人機(jī)交互界面采用松下GT02觸摸屏，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用MOONS公司的SR3-MINI。FPOR系列PLC是松下公司最新推出的小型可編程控制器，具有超高速運(yùn)算處理、定位功能充實(shí)、大容量程序數(shù)據(jù)內(nèi)存、I/O口外設(shè)連接充裕等優(yōu)點(diǎn)，并滿足焊接擺動(dòng)器控制實(shí)時(shí)性要求。而且體積小，布線簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，外接線路簡(jiǎn)單，很好地滿足了焊接工程的需要。焊接擺動(dòng)器系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1　焊接擺動(dòng)器系統(tǒng)硬件框圖Fig.1System hardware framework of welding oscillator

1.2系統(tǒng)工作過(guò)程

系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)觸摸屏將參數(shù)直接輸入給PLC，PLC將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，并將脈沖信號(hào)傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收進(jìn)給脈沖，通過(guò)脈沖混合電路將其混合為正向或負(fù)向脈沖進(jìn)給信號(hào)，通過(guò)加減速脈沖分配電路將信號(hào)合成為單一方向的進(jìn)給脈沖，然后通過(guò)加減速電路、環(huán)形分配器、功率放大器將信號(hào)送至步進(jìn)電機(jī)繞組。步進(jìn)電機(jī)接收信號(hào)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制焊槍的擺動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程如圖2所示。

圖2　電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程Fig.2Motor-driven flow chart

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊接擺動(dòng)器的另一部分為控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由松下FPOR系列PLC和松下GT02觸摸屏組成。觸摸屏用于焊接參數(shù)的輸入與焊接過(guò)程中焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)，PLC則將觸摸屏輸入的焊接參數(shù)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖周期。PLC輸出兩路脈沖來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，輸出一路控制步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)，輸出一路控制擺動(dòng)幅度，另輸出三路控制電機(jī)在左右邊界、焊縫中心的停留時(shí)間。

2.1擺動(dòng)模式設(shè)計(jì)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，脈沖頻率決定了電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，改變繞組的通電順序可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向[3-4]。

焊槍完成引弧后，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，焊槍向右擺動(dòng)，焊槍擺動(dòng)指定擺動(dòng)幅度，焊槍達(dá)到焊縫右邊界。步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)焊接工藝要求保持右邊界停留時(shí)間。右邊界停留時(shí)間結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，焊槍向左擺動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)至設(shè)定的角度后，焊槍達(dá)到焊縫中心。步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)焊接工藝要求保持中心停留時(shí)間。中心停留時(shí)間結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，焊槍向左擺動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)至設(shè)定的角度后，焊槍達(dá)到焊縫左邊界。步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)焊接工藝要求保持左邊界停留時(shí)間。左邊界停留時(shí)間結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)，焊槍向右擺動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)至設(shè)定的角度后，焊槍達(dá)到焊縫中心。步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)焊接工藝要求保持中心停留時(shí)間。中心停留時(shí)間后，重復(fù)上述步驟。

通過(guò)控制電機(jī)在左右邊界及焊縫中心的停留時(shí)間，可獲得8種擺動(dòng)模式，具體如圖3所示。其中L表示左邊界駐留，M表示焊縫中心駐留，R表示右邊界駐留，0表示不駐留。

2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1電路設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路主要圍繞PLC來(lái)構(gòu)成，硬件電路主要由輸入電路和輸出電路組成。

輸入部分電路是由各種數(shù)字量模塊、人機(jī)交互界面模塊、上位機(jī)編程模塊、電源模塊所組成的最基本的外圍電路。本研究中電源模塊選擇新星廠家出產(chǎn)的H100S24V開(kāi)關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)高電平轉(zhuǎn)低電平的穩(wěn)定輸出。觸摸屏5 V電壓來(lái)自PLC COM口，無(wú)需外接電壓轉(zhuǎn)換。輸出部分電路主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路、電機(jī)模塊電路等組成。步進(jìn)電機(jī)接收的驅(qū)動(dòng)脈沖（CP）信號(hào)和方向控制（DIR）信號(hào)。PLC的輸出引腳Y4連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器STEP端，此端作為脈沖輸入端，PLC的輸出引腳Y5連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DIR端，此端作為方向控制端。控制系統(tǒng)的各項(xiàng)硬件選好型后，控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能通過(guò)PLC與觸摸屏編程實(shí)現(xiàn)，PLC編程采用梯形圖編程，簡(jiǎn)單方便，易于修改，快捷明了。觸摸屏程序采用松下自帶組態(tài)軟件編寫(xiě)，主要進(jìn)行畫(huà)面編制與地址配給。整體電路只需要解決電壓與通訊問(wèn)題即可運(yùn)作，部分電氣電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3　八種擺動(dòng)模式Fig.3Eight kinds of swing mode

圖4　部分電氣電路設(shè)計(jì)Fig.4Part of the electrical circuit design

2.2.2焊接輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)

焊接參數(shù)通過(guò)觸摸屏輸入，設(shè)計(jì)參數(shù)為：擺動(dòng)速度0～100 mm/min，擺動(dòng)幅度±39 mm，左中右停止時(shí)間0～5 s。觸摸屏界面通過(guò)GTWIN軟件編寫(xiě)，該軟件提供了各種屬性的元件開(kāi)關(guān)，編輯時(shí)與PLC程序中的元件地址相對(duì)應(yīng)。聯(lián)合PLC編程，預(yù)設(shè)5組參數(shù)和8種擺動(dòng)模式，每組參數(shù)包含擺動(dòng)幅度、左中右三點(diǎn)停止時(shí)間及擺動(dòng)速度。通過(guò)觸摸屏選擇調(diào)用預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)即可準(zhǔn)確高效的控制焊槍擺動(dòng)，同時(shí)也可以通過(guò)觸摸屏自定義各項(xiàng)參數(shù)在擺動(dòng)極限范圍內(nèi)獲得無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。部分觸摸屏畫(huà)面如圖5所示。

2.3程序流程圖設(shè)計(jì)

基于需要實(shí)現(xiàn)的功能，控制系統(tǒng)的核心部分即為控制程序，流程框圖如圖6所示。

圖5　部分觸摸屏界面Fig.5Part of the touch screen picture

圖6　程序設(shè)計(jì)流程框圖Fig.6Programming flowchart

采用梯形圖編寫(xiě)程序，松下PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序通過(guò)FPWIN GR編程所得。

3　結(jié)論

基于PLC與觸摸屏進(jìn)行焊接擺動(dòng)器的設(shè)計(jì)，該焊接擺動(dòng)器具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、人機(jī)界面操作方便高效，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，前景良好。

[1]郭祖魁.擺動(dòng)電弧焊縫跟蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2009，39（04）：36-38.

[2]蔣爽，姚河清，錢(qián)麗娜，等.基于DSP的焊接擺動(dòng)器研制[J].電焊機(jī)，2009,39（10）：78-80.

[3]張文明，焦萬(wàn)才，張蓉，等.焊接擺動(dòng)器PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2003，33（03）：25-27.

[4]孫建忠.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

Design of control system of welding oscillator based on PLC

WANG Xin1，LV Tao1，ZOU Wenhao1，GAO Pengyuan2，HUANG Junqiang1
（1.BeijingInstitute ofPetrochemical Technology，Beijing102617，China；2.BeijingUniversityofChemical Technology，Beijing100029，China）

In order to meet the needs of welding gun oscillation,a welding gun oscillation control system is designed,and its control core is PLC，human-computer interaction module is touch screen and driving element is two-phase hybrid stepper motor.Through the FPWIN GR for PLC programming，this system can achieve the various functions of the welding oscillator and meet the needs of welding gun oscillation during welding process.

PLC；touch screen；welding oscillator

TG435

A

1001－2303（2015）11－0046-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.09

2015-03-10

王信（1990—），男，湖北黃岡人，在讀碩士，主要從事數(shù)值仿真研究與PLC編程的研究。