馬鞍形焊縫焊接控制系統設計

薛良豪，魏 敏，楊 濤，盧永鑫

(石河子大學機械電氣工程學院,新疆維吾爾自治區 石河子 832000)

0 引言

隨著“一帶一路”國家戰略的穩步推進，沿線城市和國家的基礎建設在不斷擴大的同時，工業中壓力容器的需求量也在逐步增加[1-2]。而在壓力容器的生產制造中，經常會遇到筒體與接管的焊接問題，有時一個壓力容器需要焊接數十個甚至數百個接管[3-4]。工程中將這種筒體與接管正交所形成的相貫線曲線稱為三維標準馬鞍形空間曲線[5-6]。

本文針對大型壓力容器的馬鞍形焊縫焊接特點，提出了一種馬鞍形焊縫焊接設備，以及一種基于可編輯邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)和觸摸屏的馬鞍形焊縫焊接系統的控制方式。

整個系統機械結構簡單、操作方便、自動化程度高、焊接效率高，在鍋爐、壓力容器、管道工程、核電等行業中具有巨大的市場前景[7]。

1 龍門式馬鞍形焊縫焊接機器人

目前，針對大型壓力容器的馬鞍形焊縫焊接，由于其筒體和接管的管徑大、自身重、運動需要較大的動力等突出問題，使得一些適用于小管徑的相貫線焊接設備不能很好地應用到大型壓力容器的焊接工作中。而從國外引進的先進焊接設備存在成本高、后期維修困難等問題。因此，針對此類型的馬鞍形焊縫，大部分企業仍采用傳統的手工焊進行焊接。手工焊不僅勞動強度大、效率低，而且對工人的技術水平要求高，焊后一致性也較差[8-10]。

針對手工焊接遇到的難題，本文設計了一種基于龍門式大型壓力容器的馬鞍形焊縫焊接機器人。整套機器包括龍門架升降機構、焊槍上下提升機構、機身水平移動機構、機身回轉機構和焊槍夾持機構。

龍門架升降機構能夠實現機身的上下移動，機身水平移動機構能夠實現機身水平方向的移動。在龍門架升降機構和機身水平移動機構的相互配合下，能將通過三爪卡盤夾緊的接管移動到壓力容器筒體的正上方。

焊槍夾持機構前端安裝有焊槍，通過機身回轉機構實現馬鞍形焊縫水平面的圓周運動。

焊槍上下提升機構可實現馬鞍形焊縫的落差運動，在兩個機構的作用下完成馬鞍形焊縫的焊接。

2 焊接機器人控制系統原理及構成

馬鞍形焊縫焊接機器人控制系統由上位機觸摸屏、下位機PLC、懸臂控制箱、伺服電機、伺服驅動器、交流電機、調速器等構成。

控制系統總體結構如圖1所示。

圖1 控制系統總體結構圖

PLC作為主控制器，利用其多路脈沖輸出功能，通過輸出脈沖給驅動器，控制各執行機構的電機，實現多軸聯動，完成馬鞍形焊縫的焊接工作。本系統使用伺服驅動器驅動伺服電機，并要求PLC能產生高平率的脈沖。本控制系統采用維控科技LX3VE-3624MT-A型號的運動PLC。該PLC采用24 V直流電供電，60點輸入/輸出占用點數。其中，輸入點數36點、輸出點數24點；具有4路高速脈沖輸出功能，最高可輸出200 kHz的高速脈沖，可以進行4軸同步定位控制(2軸同時啟動的簡易線性插補)；結合線性插補、2軸間的圓弧插補以及連續軌跡控制，可輕松實現平滑的定位控制。

高速脈沖輸出包括脈沖串輸出(pulse train output,PTO)和脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)。前者輸出一串脈沖(占空比50%)，使用戶可以控制脈沖的周期和個數；后者可以輸出連續的、占空比可調制的脈沖串，使用戶可以控制脈沖的周期和脈寬。脈沖波形分別輸入驅動器后，電機將接收到的脈沖信號轉變成相應的角位移和角速度，實現馬鞍形焊縫的自動焊接。

在進行焊接工作前，首先將編寫好的馬鞍形焊縫插補程序上傳到PLC中，然后在觸摸屏的人機界面內輸入相應的焊接工藝參數。上位機觸摸屏通過算法分析提取出焊槍擺在空間中的運行軌跡，并根據空間曲線計算相應各軸的運動脈沖和速度；將各種運動參數預先存儲在PLC的指定存儲區內，并以文檔的形式保存。

在控制程序開始運行時，PLC進入掃描周期。PLC按用戶編輯的運動控制程序順序執行操作，當檢測到滿足脈沖輸出條件或遇到驅動電機指令時，會到預定好的地址提取脈沖及速度的操作數，供程序使用。

觸摸屏軟件設計主要由操作按鈕畫面、焊接工藝參數數值輸入畫面等部分組成。本系統采用型號為LEVI102EL的觸摸屏，使用 USB 快速上下載已經編輯好的程序，同時可與PLC之間通過RS-485或RS-422串口進行通信。觸摸屏人機界面的設計采用維控中文組態軟件LEViStudio進行編輯，利用軟件中提供的各種屬性的元件開關進行人機界面的編輯。編輯時，可與PLC的程序軟件地址一一對應。

3 馬鞍形焊縫軌跡的插補分析

由空間曲線馬鞍形焊縫的幾何特征可以看出，三維空間曲線馬鞍形焊縫可以分解成兩個二維平面插補算法來擬合。

對空間曲線馬鞍形焊縫在XOY平面內的正投影，采用平面圓弧插補方法。Z軸方向上的馬鞍形焊縫落差通過該曲線與Z軸的空間幾何關系來實現插補運算。

馬鞍形焊縫參考示意圖如圖2所示。

圖2 馬鞍形焊縫參考示意圖

由控制系統硬件原理可知，在整個伺服系統中，伺服驅動器將控制脈沖信號傳輸給伺服電機后，伺服電機將脈沖信號轉變成相應的角位移和角速度，以控制相應執行機構帶動焊槍完成馬鞍形焊縫的焊接。

伺服控制系統位置反饋如圖3所示。

圖3 伺服控制系統位置反饋圖

將角度插補運動定義程序導入PLC控制器中。控制器通過將脈沖信號傳輸給伺服驅動器，控制伺服電機完成相應的算法動作。在焊槍回轉運動和上下運動的共同作用下，可實現馬鞍形焊縫的插補運動，完成焊槍的焊接工作。

取脈沖上升沿輔助繼電器M100在焊接機器人焊接準備程序中表示緊急停止，輔助繼電器M101表示自動啟動，輔助繼電器M102表示插補啟動，輔助繼電器M101在焊接機器人自動啟動程序中表示自動啟動。

4 馬鞍形焊縫焊接試驗

根據焊接工藝要求，選取合適的壓力容器進行馬鞍形焊縫的焊接試驗。試驗過程中，三爪氣動卡盤通過將接管夾緊與筒體上的馬鞍形焊縫進行定位。定位完成后，按下卡盤卡緊控制按鈕，即可完成焊接前的定位工作。然后，按下自動焊接按鈕。焊槍會在未起弧的條件下自動走一圈馬鞍形焊縫的焊接軌跡，以驗證馬鞍形焊縫軌跡的準確性。驗證無誤后，按下焊接準備和自動焊接按鈕，焊槍正式進入焊接工作，并按照剛剛行走的軌跡進行焊接。

焊接機器人現場運行表明，焊槍能夠按照預設的焊接軌跡對焊縫進行焊接，整套控制系統運行穩定、可靠性高、操作方便，焊接效果理想。

本次試驗選取的焊接試驗參數如表1所示。其中，焊接方法為CO2氣體保護焊。

表1 焊接試驗參數

5 結束語

本文研究的基于龍門架式的馬鞍形焊縫焊接機器人，是一種在筒體和接管相對固定的情況下，在插補算法的基礎上，由機械、電氣、PLC 和觸摸屏等元件構成的復雜的機電一體化工業裝備。

在充分利用了PLC 控制的靈活性以及觸摸屏在可視化方面的便捷性基礎上，設計了一種基于PLC和觸摸屏的馬鞍形焊縫焊接控制系統。該系統滿足了不同規格工件的馬鞍形焊縫焊接需求，實現了大型壓力容器馬鞍形焊縫的自動化焊接，降低了工人的勞動強度，提高了企業的生產效率。