三軸多焊縫變電站接地扁鋼自動(dòng)焊接系統(tǒng)

朱建春，胡國(guó)飛，張高超，曹杰勇，王冠華

（江西省送變電工程有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

焊接自動(dòng)化主要表現(xiàn)為焊接過(guò)程中控制系統(tǒng)的智能化、焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化及一體化．焊接自動(dòng)化系統(tǒng)不僅能降低勞動(dòng)力成本，而且能夠提高生產(chǎn)效率、保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性[1-2]，自20世紀(jì)90年代后，我國(guó)焊接界把實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化作為戰(zhàn)略目標(biāo)，因此自動(dòng)焊接逐步取代手工焊接成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

圖1 變電站接地扁鋼焊接的不同形式

基于位置反饋的伺服系統(tǒng)經(jīng)常用于焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[3-5]，在這類(lèi)系統(tǒng)中一般都采用單片機(jī)或PLC對(duì)焊槍的位置、焊槍運(yùn)行的速度及傾角進(jìn)行檢測(cè)，并將這些檢測(cè)量和控制量進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，以確定當(dāng)前焊槍是否處于期望的位置。如鄒焱飚等[6-7]設(shè)計(jì)了直角坐標(biāo)焊接機(jī)械手，通過(guò)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手對(duì)待焊工件的三軸移動(dòng)焊接，但文中對(duì)系統(tǒng)的焊接流程介紹略顯單薄；徐鵬[8-10]等在系統(tǒng)中運(yùn)用視覺(jué)位置檢測(cè)方法，研究了攝像機(jī)模型的建立和圖像處理技術(shù)，但對(duì)視覺(jué)處理部分的介紹不夠詳細(xì)；葉建雄等[11]采用超聲波傳感器檢測(cè)焊縫的形狀，利用運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了描述，但對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的控制實(shí)現(xiàn)方法介紹較少。

由于變電站接地扁鋼焊接時(shí)，存在著焊縫搭接形式多，同時(shí)需要對(duì)搭接的多條邊進(jìn)行焊接，如圖1所示是其中的二種典型搭接，箭頭所指為焊縫所在，很明顯，無(wú)論是哪種形式，都不可能一次性焊完，中間存在著重新尋找起焊點(diǎn)的問(wèn)題，此時(shí)焊槍必須要提起且移動(dòng)到新的焊接點(diǎn)。這些特點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)接地扁鋼的焊接自動(dòng)化帶來(lái)挑戰(zhàn)，到目前為止，接地扁鋼的焊接工作均由人工完成。

針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了圖2所示的三軸變電站接地扁鋼自動(dòng)焊接系統(tǒng)。整體上是一臺(tái)架在寬幅萬(wàn)向輪上的可移動(dòng)焊接平臺(tái)，平臺(tái)上有特制的不粘型底板，在底板上安裝有快壓型壓力鉗，借助可活動(dòng)擋塊的幫助，可將需要焊接的二條扁鋼按所需的搭接形式進(jìn)行固定；焊槍固定在三維運(yùn)動(dòng)軸上的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，從而獲得至少四維的空間自由度，可以完成不連續(xù)焊縫，甚至是不同面的焊縫的焊接任務(wù)。所有的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均由PLC進(jìn)行控制，同時(shí)借助CCD攝像機(jī)的協(xié)助，在焊接前獲取焊縫的坐標(biāo)信息，通過(guò)空間曲線的擬合，從而完成自動(dòng)焊接任務(wù)。

圖2 變電站接地扁鋼自動(dòng)焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 自動(dòng)焊接系統(tǒng)的構(gòu)成

變電站扁鋼自動(dòng)焊接系統(tǒng)主要由傳感子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)、焊接子系統(tǒng)和可編程邏輯控制器PLC四部分構(gòu)成，系統(tǒng)各組成部分既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)模塊協(xié)同工作。系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖3所示。

各部分的功能介紹如下。

可編程邏輯控制器：在系統(tǒng)中處于中心地位，是控制系統(tǒng)的核心，包括大量的輸入和輸出元件。首先可以接收光電位置傳感器送來(lái)的位置信號(hào)，確保各軸運(yùn)行在安全區(qū)域；其次可以通過(guò)MODBUS協(xié)議和圖像采集系統(tǒng)通信，獲取當(dāng)前的焊縫信息，并據(jù)此規(guī)劃焊接路徑；此外，在輸出控制方面，可以啟動(dòng)及停止焊接系統(tǒng)的送絲機(jī)構(gòu)，完成軌跡規(guī)劃中的插補(bǔ)運(yùn)算，并實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，通過(guò)脈沖頻率和脈沖數(shù)量多少的不同，實(shí)現(xiàn)各軸間不同速度、不同運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度間的匹配，從而使焊槍能夠準(zhǔn)確地沿著焊縫運(yùn)行。為便于人工介入，PLC還能實(shí)時(shí)響應(yīng)操作人員的手動(dòng)控制按鈕的操作，如緊急停止，手動(dòng)和自動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變等。程序設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低直接關(guān)系到系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱和使用方便與否。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

傳感子系統(tǒng)：除光電式位置傳感器外，CCD傳感器在本系統(tǒng)中用于提供實(shí)時(shí)的焊縫信息，其通過(guò)圖像處理算法分析提取焊縫邊緣，獲得焊縫位置信息后將轉(zhuǎn)換后的焊縫坐標(biāo)值傳入PLC。視覺(jué)圖像坐標(biāo)和PLC所在的運(yùn)動(dòng)控制坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換是其中重要的工作，像素坐標(biāo) p′(u,v)變換為對(duì)應(yīng)的三維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)p(X,Y,Z)的數(shù)學(xué)關(guān)系如下[12]。

式中 ax=f∕dx， ay=f∕dy，M1由 ax、 ay、 u0、 v0四個(gè)參數(shù)決定，由攝像機(jī)的內(nèi)部硬件屬性決定這四個(gè)參數(shù)的大小，所以稱(chēng)為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)。M2為攝像機(jī)外部參數(shù)，表示攝像機(jī)在世界坐標(biāo)系中的位姿變換。

運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)：此部分由圖2的三維滾珠絲桿構(gòu)成，再加上用于焊槍旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。所有這些機(jī)構(gòu)均由高精度帶位置反饋的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的分辨率設(shè)為20 000脈沖∕轉(zhuǎn)，所用三維絲桿X、Y、Z的節(jié)距為20 mm，所以一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量為1μm。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器與PLC的接線方法特別需要注意，因?yàn)楦咚佥敵鯬LC所用的晶體管分為PNP和NPN二類(lèi)，它們與驅(qū)動(dòng)器的連接方式是不同的。實(shí)際所用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為86BYGH，PLC為支持4路高速脈沖輸出且具有運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)功能的XDM型，它們之間采用圖4所示的共陰極接法。

焊接子系統(tǒng)：為方便在工地使用，采用具有一元化參數(shù)設(shè)置的單相焊接電源，內(nèi)置式送絲機(jī)可縮小其尺寸，同時(shí)可以提供氣保焊、氬弧焊和手工焊等多種工作方式，增加使用的靈活性。焊機(jī)受PLC控制完成送絲、起焊和止焊等工作，焊接熔池的深度、飛濺的大小均連續(xù)可調(diào)。

2 焊接系統(tǒng)工作流程

首先由CCD傳感器獲取焊縫信息，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后通過(guò)485總線將相關(guān)坐標(biāo)傳給PLC，控制器據(jù)此進(jìn)行路徑規(guī)劃并控制各電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)X、Y和Z軸的電機(jī)協(xié)同動(dòng)作，使焊槍移至焊接起點(diǎn)并始終沿著提取的焊縫軌跡運(yùn)動(dòng)。工作流程如圖5。

圖4 PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的接線

圖5 多焊縫扁鋼自動(dòng)焊接工作流程圖

3 總結(jié)

本文以可編程邏輯控制器為核心，結(jié)合圖像傳感器和滾珠絲桿構(gòu)建了一套三軸變電站多焊縫扁鋼自動(dòng)焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同搭接形式下的扁鋼固定和多焊縫連續(xù)程序控制自動(dòng)焊接的功能，進(jìn)行了焊接測(cè)試，取得了良好的效果。正式投入使用后，可以顯著降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高接地扁鋼的焊接質(zhì)量以及焊接效率。