基于PLC的三光束光內送絲伺服控制系統

魯健，傅戈雁

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

激光熔覆成形(laser cladding forming，LCF)是一種隨著大功率激光器的發展而形成的一種新型致密金屬零件成形技術。LCF根據送料方式不同，可以分為送粉式激光熔覆和送絲式激光熔覆[1]。現有送絲技術，主要用于焊接，大多采用步進電機送絲，送絲精度不高，與熔覆裝置呈分立式結構，送絲系統和熔覆系統無法集成，送絲穩定性差，步進電機在低速時易出現低頻振動現象。這種由步進電機工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利；另一方面，步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600r/min。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速(一般為2000r/min或3000r/min)以內，都能輸出額定轉矩。在額定轉速以上為恒功率輸出，步進電機無法滿足高精度的送絲速度控制，很容易加大熔覆的失敗率，以至于不能正常進行表面熔覆[2]。故本文研發一種基于松下PLC的伺服控制系統，可編程控制器PLC型號為FP-X-C38A(Tr型)，可實現送絲速度穩定及工藝參數實時反饋控制的功能。

1 送絲系統的總體設計

送絲系統分為送絲機構和送絲機兩部分組成[3]。該系統設計目的在于提供一種送絲機及激光溶覆裝置，通過PLC與伺服電機的閉環控制，送絲機既能有效、精細調控、校直絲材，保障了絲材傳輸的穩定性，同時可以實現不同規格絲材的有效傳輸，提高了絲材傳輸多樣性，保證了高精度的熔覆層形狀和尺寸精度。圖1為該三光束激光熔覆系統立體結構圖。

圖1 三光束光內送絲系統

本文利用倍福控制模塊提供電壓信號，通過PLC，使用其高速計數器和脈沖輸出功能，控制送絲速度。伺服電機、驅動器的型號分別為MSMF012L1D2M、MADLT15SF。驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，可實現送絲速度穩定及工藝參數實時反饋控制。系統框圖如圖2所示。

圖2 送絲控制系統框圖

2 硬件系統設計

2.1 硬件電路接線

控制系統的硬件設計核心為FP-X-Tr型PLC，結合伺服驅動中的位置控制模式，通過上位控制器輸入的模擬速度指令來進行送絲速度控制[4]。硬件設計包括PLC輸入輸出電路設計，驅動器位置控制模式電路設計。圖3為PLC電路設計部分，圖4為位置控制模式部分接線圖。

圖3 PLC電路設計圖

圖4 位置控制部分接線圖

圖3(a)中X0-X3為PLC電源及輸入配線端子，控制單元X0-X3在一般輸入時響應時間在135μs以下，在高速計數器、脈沖捕捉、中斷輸入時響應時間在5μs以下，選取X0端口接外部24V電源，COM端口接外部0V電源。圖3(b)中Y0-Y3為輸出端子，連接驅動電路編碼器端口，如圖4所示。Y0接4口脈沖PULS1與PULS2，控制脈沖信號輸出，實現脈沖控制；Y1接3口SIGN1與SIGN2，控制脈沖信號正反方向，實現伺服電機的正反轉。1與2為位置指令脈沖信號。

2.2 伺服電機轉速與送絲速度比例設計

送絲過程首先經過倍福控制模塊給出電壓信號，經過程序轉換，最終形成脈沖信號送入驅動器，通過驅動器來控制脈沖信號與伺服電機轉速配比。驅動器面板顯示出伺服電機轉速，經減速器、送絲主動輪輸送絲材，得出送絲速度。送絲位置關系示意圖如圖5所示。

1—絲盤；2—絲材；3—送絲主動輪。圖5 送絲位置示意圖

試驗選取倍福控制模塊作為電壓輸入信號，電壓可輸出范圍在0～10V，通過A/D數字模擬信號轉換，在驅動器設定面板參數時設定轉換比例得到驅動器最大輸出脈沖Pmax為100000p/s，輸出脈沖與轉數存在線性轉換關系，設定線性轉換比例K為2000p/r，即驅動器輸出2000脈沖，伺服電機轉動1圈，最終得出伺服電機轉速N1與輸出脈沖P關系如下：

(1)

由式(1)所得出的伺服電機轉速N1(單位：r/min)需經過減速器減速達到試驗送絲機設計要求，設定減速器與伺服電機轉速傳動比為i，所得主動輪轉速為N2(單位：r/min)，則：

(2)

主動輪設計直徑為d(單位：mm)，得到送絲速度(單位：mm/min)

V=πdN2

(3)

由式(1)-式(3)帶入，得：

(4)

3 PLC軟件設計

3.1 軟件總體設計

當執行送絲機程序時，一般分為手動送絲和自動送絲兩個過程。一般先切換到手動送絲模式，按下開關，啟動伺服電機，進行送絲的相關參數調整，檢測絲材與噴頭、三光束光斑之間的位置間隙耦合情況、絲材的正常運行情況等。當所有參數調整到最佳后，啟動自動送絲模式，輸入熔覆工藝所需要的速度值，即倍福模塊相應的模擬信號值，此時執行程序時，已經處在最佳送絲狀態，無需再對其進行調整，達到本文設計送絲系統的初步目標，進而進行相應的熔覆成形試驗。系統的程序流程圖如圖6所示。

圖6 送絲系統程序流程圖

3.2 控制程序設計

按照上述控制流程方案，部分軟件梯形圖如圖7所示。當系統處于自動送絲模式下，送絲機控制部分實現送絲速度的恒變速運行，送絲速度保持不變；設定模擬量在0～10V，輸入模擬量數值X放入WX2中，從WX2中讀取數字轉換值默認保存在DT0中，其中轉換范圍在K0～K4000，選取脈沖0～100000Hz，經過線性比例轉換，輸出需要的伺服電機轉速，實現絲材的恒變速控制[5]。

圖7 PLC梯形圖

4 試驗結果與分析

本試驗材料包含基板與熔覆材料。為保證基板與熔覆材料能夠充分、快速、穩定地結合，基板采用304不銹鋼，熔覆材料選取了TIG氣保護焊用鍍銅焊絲，絲徑為0.8mm。根據課題組對光內送絲工藝參數的研究，本試驗選取一組良好的工藝參數進行對比試驗，設定離焦量為-2mm、激光功率為1300W、掃描速度為20.5mm/s、送絲速度為4mm/s，設計成形長度為5cm的單道，對比未采用三光束光內送絲系統成形的單道[6]，具體形貌圖如圖8所示。

圖8 單道形貌圖

從圖8分析可知，圖8(a)中未采用本文送絲系統，送絲過程不夠穩定，絲材接觸基板時，絲速受絲材剛性與外界阻力干擾，無法保持恒速進入熔池，故絲材進入熔池時，無法保持穩定，熔融不充分，出現跳絲、熔滴滴落等現象，單道整體形貌很差；圖8(b)中采用本文送絲系統，實現PLC對伺服電機的恒速送絲控制，整條熔道保持連續，表面平整，無明顯質量差異，未出現熔道斷裂不間斷或熔滴滴落等現象。實驗表明：通過基于PLC的三光束光內送絲伺服控制系統，送絲速度穩定性得到有效改善，成形過程趨于穩定。

5 結語

1) 通過硬件設計，利用位置控制模式，采用脈沖控制，大大提高了熔覆過程的穩定性。

2) 通過PLC軟件設計，編寫送絲控制系統程序，實現PLC對伺服電機的恒速送絲控制，無送絲滯后現象。

3) 設計驗證對比試驗，熔覆成形5cm長的單道，通過形貌對比分析，結果表明：利用本文光內送絲伺服控制系統，提高了送絲過程與熔覆成形過程的穩定性與精確度。