基于PLC控制的回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統

張忠科，于 洋，王希靖，2

（1.蘭州理工大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 甘肅有色金屬新材料國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050）

基于PLC控制的回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統

張忠科1，于 洋1，王希靖1，2

（1.蘭州理工大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 甘肅有色金屬新材料國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050）

回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統根據其點焊工藝，采用軟硬件相結合的方式進行系統設計。通過設計針肩分離式攪拌頭解決機構問題，給出了攪拌頭的設計形式，同時采用PLC、HMI、伺服電機和電流傳感器等主要器件，介紹了電氣原理、程序流程、PLC主要程序指令和HMI操作界面。通過PLC與伺服電機的閉環控制技術，以及PLC與MHI實時通訊技術實現了對該系統方便、可靠、精密的控制。目前，該系統已成功獲得生產和科研應用，運行結果表明該系統運行穩定、可靠，效果良好。

FSSW；無匙孔；PLC；HMI；伺服系統

0 前言

攪拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）是英國焊接研究所（TWI）于1991年發明的一種固相連接技術，主要運用于鋁、鎂、銅、鈦等及其合金的有色金屬連接中。FSW原理是使攪拌頭相對工件旋轉，通過軸肩對工件表面摩擦產熱，同時攪拌針對工件內部進行攪動，使其達到熱塑性狀態，在焊縫處形成機械冶金結合，從而實現工件的穩定可靠連接。該技術相比傳統的焊接方法具有接頭質量高、焊接變形小、殘余應力小、焊接過程綠色和無污染等優點，廣泛用于航空航天、船舶和交通運輸等領域[1-3]。

攪拌摩擦點焊（friction stir spot welding，FSSW）是基于FSW技術發展而來的一種以點接頭為主要形式的焊接方法。隨著FSSW設備和工藝的相繼發展，逐漸形成了有匙孔攪拌摩擦點焊和無匙孔攪拌摩擦點焊。其中，有匙孔攪拌摩擦點焊包括傳統攪拌摩擦點焊（conventional friction stir spot welding）和行走攪拌摩擦點焊（walking friction stir spot welding），無匙孔攪拌摩擦點焊包括回抽式攪拌摩擦點焊（back-pumping friction stir spot welding）和回填式攪拌摩擦點焊（back-filling friction stir spot welding）[4-6]。相比于有匙孔攪拌摩擦點焊，無匙孔攪拌摩擦點焊接頭消除了焊件表面因攪拌針而存留下來的空洞缺陷，既美化外觀，又增強接頭力學性能。由于FSW易于實現自動化生產，所以攪拌摩擦點焊是取代鉚接技術的發展趨勢[7-8]。

針對回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊工藝流程，本研究采用可編程控制器（PLC）、觸摸屏（HMI）、變頻器、伺服驅動和交流伺服電機等主要控制器件和精密執行元件，設計并實現了回抽式攪拌摩擦點焊系統控制，提高了無匙孔攪拌摩擦點焊的生產效率和精度，保證了生產過程的可靠性。

1 機構及工作原理

回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統采用PLC作為主要控制器件，采用交流伺服電機和普通三相異步電機作為執行元件，控制機構在x和z方向同步運動，采用接近開關做系統原點定位。回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統的關鍵機構是針肩分離式攪拌頭，針肩分離式攪拌頭示意如圖1所示。該攪拌頭通過攪拌針和軸肩的相對獨立z向運動，來控制攪拌針的伸出和回抽，從而通過攪拌針的攪拌實現對試件內部的連接，同時通過攪拌針的回抽實現對針尾留置空洞的填補。

回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統的工作原理如圖2所示。首先攪拌針和軸肩保持相對靜止并下降（見圖2a），直到軸肩碰到工件表面并壓入一定的下壓量，停留一定時間進行攪拌摩擦點焊（見圖2b），試件焊好后，攪拌針回抽至與軸肩平齊，同時攪拌頭向前行走一定短距離（見圖2c），直到攪拌針回抽完畢，攪拌針和軸肩一并上升到一定安全高度（見圖2d），隨后攪拌針伸出，軸肩復位（見圖2e），攪拌頭回歸原點，焊接結束（見圖2f）。

圖1 針肩分離式攪拌頭示意

圖2 回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統的工作原理

2 系統硬件設計

以PLC為控制核心的回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊控制系統框圖如圖3所示，其中控制系統采用OMRON CP1H-XA40DT-D型號PLC，KRS系列AASD-30A型號的伺服驅動和交流伺服電機，E2000系列的矢量控制變頻器和三相交流異步電機，威綸公司的TK6100i觸摸屏和上位機與PLC之間實現通訊，以及霍爾交流變送器（輸出0～5 V），按鈕和接近開關。系統分別通過上位機的CX-Programming軟件和EasyBuilder8000軟件對PLC和HMI進行編程，從而實現PLC和HMI的系統控制和實時通訊。PLC接收電流傳感器、接近開關和按鈕的輸入信號，實時控制伺服驅動和變頻器，從而間接控制伺服電機和異步交流電機執行機構，其中通過大功率交流異步電機控制攪拌頭的旋轉，由變頻器的輸入頻率調節電機轉速，由伺服電機控制攪拌針的伸出和回抽動作以及x軸和z軸動作。同時，通過伺服電機的編碼器和電流傳感器實現焊接過程的閉環控制。

圖3 控制系統框圖

主控電路PLC與伺服驅動的接線原理如圖4所示。系統采用“脈沖+方向”方式控制伺服電機，伺服驅動采用集電極開路輸入接口方式，其中伺服驅動的PV端接DC 24 V電源，100.00為PLC的高速脈沖輸出端口，向伺服驅動的PP-端口發送指定脈沖數，PD-端口由100.01輸出口控制電機方向，通過101.00和101.01輸出口向伺服驅動發送使能（SON）和復位（RES）信號。伺服編碼器的A、B和Z相差分信號通過26LS32芯片轉換后輸送到PLC的0.06、0.07和0.01高速計數口中，通過閉環電路實現對脈沖的精準控制和原點定位，同時通過按鈕和接近開關對PLC進行外部手動控制和輔助定位。電流傳感器的模擬量信號通過PLC的內置A/D轉換模塊轉換為數字量信號，進而實時監控旋轉電機的電流，通過終止攪拌頭下降防止因攪拌頭下壓量過大而導致的軸肩與工件表面的摩擦過熱現象。

圖4 主控電路PLC與伺服驅動的接線原理

3 系統軟件設計

3.1 程序流程

回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統控制程序流程如圖5所示。系統采用手/自動兩種方式控制焊接過程。在自動程序中，結合邏輯條件判斷和并行控制方式執行程序指令。當啟動自動按鈕后，攪拌頭和工作臺回到原點等待焊接，此時攪拌頭旋轉，待達到焊接轉速后，軸肩下降與工件表面摩擦產熱。到達指定位置，軸肩停止下降，否則繼續下降，若此時旋轉電機工作電流超過設定值，則說明軸肩與工件表面摩擦產熱已達到焊接要求，此時亦停止軸肩下降。待焊接完成后，攪拌針開始回抽，同時工作臺緩慢前進。攪拌針回抽完畢后，攪拌頭停止旋轉并返回原點，攪拌針伸出，工作臺移動輸送焊接工件，點焊工作結束。

3.2 PLC程序設計

圖5 程序流程

回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統的控制程序以伺服電機驅動和模擬量輸入指令為主，通過上位機的CX-Programming軟件對PLC編程。針對攪拌針伺服電機（參數：2 500脈沖/r，2 mm/r）的控制，首先輸入攪拌針的伸出長度L和回抽時間T的參數至D100和D130，則對應的脈沖和頻率為1 250· L和1 250/T，然后通過四則運算指令計算PLC相對應的高速脈沖口發送的脈沖和頻率，如圖6所示。伺服電機脈沖控制程序如圖7所示，當發送攪拌針回抽指令（I1.02閉合）時，PULS和SPED指令分別向伺服驅動發送脈沖和頻率，PRV同時采集脈沖數據。

圖6 四則運算程序

圖7 伺服電機脈沖控制程序

通過電流傳感器采集的連續模擬信號，經過PLC內置AD轉換模塊轉換為離散數字信號。首先在PLC模擬量量程通道內設置傳感器0～5 V的量程，PLC開始采集電流信號存儲在200通道內，當發送軸肩下降指令（I1.04閉合）時，實際電流值與預設電流值進行比較，超過預設值時，大于標志位P_GT置位，軸肩停止下降，其程序指令如圖8所示。同時，PLC將采集的數字量經過SCL指令轉換為工程量，即實際電流值，程序指令如圖9所示。

3.3 HMI程序設計

回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統采用HMI對程序進行控制和監控，通過上位機的EasyBuilder8000軟件對HMI進行編程。圖10為該系統的工作控制界面，其中有手/自動控制方式，針對不同的控制模式，有不同的動作命令按鈕。通過點擊屏幕上的“參數界面”按鈕，進入如圖11所示的系統參數設定界面，該界面可以設置x、z軸和攪拌針的移動距離和移動時間參數，以及旋轉電機的設定電流值，同時配有量程為30 A的電流表，可以實時監控旋轉電機電流。

圖8 模擬量量程與數值比較程序

圖9 顯示工程量程序

圖10 工作控制界面

4 結論

針對回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊工藝，設計了基于PLC控制回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統。利用針肩分離式攪拌頭實現回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊工藝，并采用PLC和伺服電機聯合控制實現了點焊工藝的快速精確運動。通過PLC與HMI的實時通訊技術，方便了系統操作和監控。該回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統具有操作簡單、運行可靠等優點，已成功獲得生產和科研應用，運行結果表明該系統運行穩定、可靠，效果良好。

圖11 參數設定界面

[1]王希靖，王小龍，張忠科，等.6082-T6鋁合金回填式攪拌摩擦點焊接頭的性能[J].蘭州理工大學學報，2015，41（1）：21-24.

[2]王希靖，阿榮，郭瑞杰.LY12鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝研究[J].蘭州理工大學學報，2004，30（4）:12-14.

[3]張忠科，胥春龍，于洋.鋁鋼異種材料攪拌摩擦搭接焊接工藝[J].電焊機，2016，46（10）：14-18.

[4]張忠科，于洋，胥春龍，等.鋁合金無匙孔攪拌摩擦點焊焊縫的腐蝕行為[J].蘭州理工大學學報，2016，42（5）：23-28.

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Study on back-pumping keyhole-free friction stir spot welding system based on PLC control

ZHANG Zhongke1，YU Yang1，WANG Xijing1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Lanzhou Univ.of Tech.，Lanzhou Univ.of Tech.，Lanzhou 730050，China；2.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou Univ.of Tech.，Lanzhou 730050，China）

According to the spot welding process of back-pumping keyhole-free friction stir spot welding system，this system is designed by the combination of software and hardware.The design form of stir tool of pin and shoulder separation are presented by solving mechanical problem.At the same time，the electrical schematic diagram，the program flow chart，PLC main program instructions and HMI operation interface are given by using major components of PLC，HMI，servo motor and current sensors.It is convenient，reliable and precise to achieve system control through the closed-loop control technology of PLC and servo motor，as well as real-time communication technology between PLC and MHI.This system has been successfully used in production and scientific research.And the results show that the system is stable and reliable.

FSSW；keyhole-free；PLC；HMI；servo system

TG439.8

A

1001－2303（2017）05－0038-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.08

2017-04-19

國家自然科學基金資助項目（2014GS03264）

張忠科（1978—），男，副教授，博士，主要從事主要從事焊接設備及其自動化、新型連接技術等方面研究工作，E-mail：zhangzke@lut.cn。

本文參考文獻引用格式：張忠科，于洋，王希靖.基于PLC控制的回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統[J].電焊機，2017，47（05）：38-42.