双焊枪自动焊接机控制系统设计

刘江涛，弋景刚

（河北农业大学 机电工程学院，保定 071001）

0 引言

T型管散热器是一种节能、高效和成本低的新型散热器，其有横、竖管件相贯焊接而成，立管间距小，又带有铝翼障碍，焊接空间很小，不允许焊渣飞溅，焊接难度大。目前，国内散热器T型多立管相贯线壁障连续焊接多采用人工焊接，存在不易保证焊接质量和生产效率低等缺点。对于T型管相贯线的焊接，国内曾有单位研制了基于机械结构的自动焊接机，该焊接机自动化程度较低，焊接质量低，不能实现T型多立管相贯线壁障连续焊接[1]。从国外引进的弧焊机器人多采用示教编程模式，需要控制焊枪在离线状态下沿预定的焊缝曲线轨迹走一遍，把焊接轨迹和相关参数记录到控制器中；当被焊件尺寸发生改变时需要另外示教；机器人发生故障时，需要国外生产厂家指导，维修不方便。基于此，设计了双焊枪自动焊接机控制系统。

1 机械结构设计

散热器T型管相贯线的模型如图1所示，它是散热器横管和立管两圆柱面正交所形成的相贯性，是一条三维空间曲线，又被称为马鞍曲线[2]。

在实际散热器T型管相贯线的焊接中，加工对象往往不是一条相贯线或一个管子，而是一排管子的连续焊接，而且在立管上还有用来加大散热面积的涨铝，大大限制了焊枪移动范围，加大了T型管相贯线自动化焊接难度。

图1 散热器T型管相贯线模型

图2 双焊枪自动焊接机机械本体结构

针对这种特殊的应用需求，设计了如图2所示的双焊枪自动焊接机机械本体结构。该焊接机采用双焊枪同时焊接的方式对散热器T型管相贯线进行连续焊接。机械本体由五个轴组成，分别是控制工件输送台移动的X轴，控制焊枪进给运动的Y轴，控制焊枪垂直移动的Z轴，以及分别控制双焊枪摆动的R1轴和R2轴。其中R1轴和R2轴电机由6K4运动控制器的电机驱动口发出的同一组脉冲驱动，保证了双枪摆动的同步性，提高了焊接精度。

2 控制系统设计

2.1 控制系统硬件

硬件系统主要由IPC，6K4多轴运动控制器、交流伺服系统、步进驱动系统、MIG数字焊机，MCS-51单片机及、限位开关、位置传感器等组成，如图3所示。工控机、MCS-51单片机和6K4多轴运动控制器共同构成了一主二从式的多处理器结构。上位机采用工业控制机（IPC），下位机采用6K4多轴运动控制器和MCS-51单片机并行控制模式。

图3 控制系统硬件结构图

以IPC为控制中心，通过RS485接口与MCS-51单片机通讯，对控制面板上的各种按钮，指示灯进行控制，完成对各轴伺服系统上电、状态显示、伺服系统报警等功能；通过工业以太网接口与6K4运动控制器通讯，完成对各轴伺服系统运动轨迹规划、伺服状态实时读取等功能。

用户通过上位机IPC进行相关参数设定，如横管直径、立管直径、插补速度、插补周期、相对原点、焊接电压、焊接电流等，还可以进行运动路径规划、任务指定等工作；同时通过RS485接口和MCS-51单片机通讯，读取控制面板上开关控制信号，生成相应运动控制方案。此外，根据用户通过人机界面输入的控制参数，用6000运动语言生成相应运动控制程序，利用工业以太网接口将该程序下载到6K4运动控制器程序存储器中，供控制系统自动运行时实时调用。6K4运动控制器根据上位机的命令发送指令给各轴伺服驱动系统，驱动各轴电机按一定规律动作，完成T型管相贯线自动焊接。

控制系统X轴，Y轴和Z轴采用交流伺服系统，R1轴和R2轴采用混合式步进电机和步进电机细分驱动器组成开环控制系统。

2.2 控制系统软件

控制系统软件由上位机IPC管理模块、通讯模块、下位机控制模块组成。上位机IPC是整个控制系统的后台管理模块，完成一些实时性不强和多任务协调等方面的工作。利用基于可视化的VB语言编程设计上位机应用程序，开发了双焊枪自动焊接机人机控制界面，上位机应用程序主界面如图4所示。控制系统工作时，用户只需在人机控制界面输入相应参数就能自动完成焊接任务。在系统运行发生异常时，操作人员可以通过人机界面上或控制面板上的按钮，使系统各轴伺服系统忽略当前运动控制指令而紧急制动，同时运动程序也暂停运行，人为解除紧急制动命令后，运动程序从紧急制动时刻开始继续执行，自动焊接机控制系统软件结构如图5所示。

2.3 状态监控子系统

状态监控子系统由后台PLC程序、6K4运动控制器I/O口转接板、电机编码器等组成。能够对双焊枪自动焊接机各轴伺服系统运行位置、运行状态等进行监控。用户还可以通过6K4运动控制器的后台PLC程序和控制面板上的波段开关设置各轴运动速度。为完成T型管相贯线焊接，在机械本体上安装了测量工件运动位置的光纤传感器。

3 实际焊接效果分析

图 4 上位机应用程序主界面

图5 自动焊接机控制系统软件结构图

本控制系统采用双焊枪实现T型管散热器自动焊接，焊接强度高，承压能力强，焊接过程平滑。双焊枪自动焊接的起始点和终点易漏气，水中2MPa压力下测试没有发现气泡，不漏气，满足T型管散热器要求。T型管散热器实际焊接效果如

图6所示。

图6 实际焊接效果图

4 结论

基于工控机（IPC）和多轴运动控制器（6K4）设计了双焊枪自动焊接机控制系统，利用VB编制了操作简单、交互性较好的人机界面。实际焊接和测压试验表明：该系统焊接过程平滑，焊接精度高、不漏气，能满足T型管散热器焊接要求。

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