双臂数控焊接机床控制系统设计*

胡孔元，朱华炳

(合肥工业大学a.工业培训中心;b.机械与汽车工程学院，合肥 230009)

0 引言

汽车后桥轴端法兰焊接质量的好坏关系到汽车行车的安全性和汽车的整车性能。传统的手工焊接、单工位焊接机器人或者半自动CO2保护焊焊接质量难以保证，且生产效率低下，劳动强度大，焊接自动化生产是必然趋势［1］。本文针对国内某公司汽车后桥轴端法兰焊接生产过程中存在的工人劳动强度大和生产率低等问题，设计一种双臂数控焊接机床控制系统。利用S7-200PLC、触摸屏、编码器、伺服电机及驱动器等搭建控制系统，提出一种触摸屏和PLC 基于串行通信的位置和摆动伺服控制方法，实现后桥法兰焊接的自动化、信息化和柔性化。

1 系统总体设计

双臂数控焊接机床用于汽车后桥两端法兰焊接。本道工序前法兰与桥壳已经点焊固定，焊接要求:①法兰两侧焊接;②焊臂摆动;③焊接有始末点(非闭环)。双臂数控焊接机床如图1 所示。本机床机构运动功能有:①焊臂水平移动:伺服电机经减速器驱动丝杠运动副。②焊臂升降:伺服电机经减速器驱动螺杆运动副。③焊枪伸缩:气动。④焊枪摆动:伺服电机经减速器驱动。⑤后桥轴向夹紧与放松:气动。⑥主轴旋转:变频电机经减速器驱动。⑦定位测头伸缩:气动。

图1 双臂数控焊接机床示意图

根据本次焊接工序的要求和保证焊接质量，结合机床机构功能，控制系统设计采用触摸屏为上位机，S7-200 晶体管输出型PLC 为下位机，通过串口通信的方式实现监控［2-3］。系统具备手动控制、自动控制、信息显示和参数编辑等功能。

(1)手动控制:①实现机床机构运动功能;②点焊;③运动轴回零;④停止;⑤位置保存，保存焊枪处于两工位(四焊接位置)时Z轴(水平)、X轴(上下)和A轴(旋转)的位置信息。

(2)自动控制:①运行，按程序先同时焊接后桥两端法兰外侧后内测(两工位处位置信息已手动保存);②停止，故障自动停止、紧急停止、手动停止。

(3)信息显示:①数据显示，运动轴位置、焊枪角度值、摆宽、摆速、主轴转速、工件计数等;②消息显示，两工位参数保存情况、故障报警信息(伺服报警、主轴报警、气压报警等)、限位报警信息;③气动机构状态显示(焊臂伸缩、测头伸缩、工件夹松);④状态指示灯(运行、故障、急停)。

(4)参数编辑:①位置值、角度值调整;②摆宽、摆速调整;③主轴转速调整;④焊接始末点调整等。

2 控制系统硬件设计

机床控制系统硬件结构如图2 所示。系统控制电路分为强电部分和弱电部分。强电部分采用熔断器、交流接触器、变压器等给交流伺服电机及驱动器、主轴变频电机及变频器、主轴冷却电机、开关控制电源等提供220V 电源。弱电部分以PLC 为核心，包括中间继电器控制电路、气阀控制电路、传感器接线电路、主轴变频控制电路、平移和升降伺服电机控制电路、摆动伺服电机控制电路等;另外，有平移和升降伺服电机编码器接线电路、摆动伺服电机编码器接线电路［4-6］。控制系统电路的核心在于主轴变频控制和伺服控制。

2.1 主轴变频控制电路设计

主轴变频电路按外部操作模式和闭环控制方式(主轴末端装有增量式旋转编码器)设计。速度指令电压由PLC 模拟量输出提供，主轴使能信号由PLC 控制继电器实现，连接外部制动电阻，继电器报警信号输出至PLCI/O 输入端。

2.2 伺服控制电路设计

根据PLC、伺服电机及驱动器的特点和不同伺服机构的控制要求来设计伺服控制电路。

(1)在运行停止时，相比于平移和升降，摆动位置具有不定性。平移和升降伺服控制电路按位置控制模式和开环控制方式(驱动器编码器无反馈信号至PLC)设计。摆动伺服控制电路按位置控制模式和闭环控制方式(驱动器编码器有反馈信号至PLC)设计。

(2)由于所用驱动器的控制信号是低电平有效，而S7-200 晶体管输出型PLC 输出的是高电平，设计电平转化电路［7］。

(3)由于PLC 的CPU 只配有两个高速脉冲输出点，而本系统需要控制六台伺服电机，利用PLC 六个普通I/O 输出点设计脉冲通道选择电路［8］。

(4)由于驱动器编码器信号经长线驱动器输出是差动信号，而PLC 高速计数点输入的是单端信号，设计差分信号转单端信号电路。

图2 机床控制系统硬件结构图

3 控制系统软件设计

系统软件设计包括触摸屏端画面设计、PLC 端程序设计和伺服驱动器和变频器相关参数设定［9］。软件模式包括手动、自动和编辑。模式选择通过触摸屏按钮实现。机床控制系统软件程序设计流程图如图3 所示，其中，左右侧焊臂自动运行时同步。在运行程序中，还完成与消息显示和参数编辑等相关程序设计［10-12］。另外，手动程序还设计了点焊、主轴转、夹紧、放松等程序;自动程序还设计停止、急停等程序。

3.1 触摸屏端画面设计

触摸屏端设计自动、平移、升降、摆动、伸缩、测头、编辑共7 个画面。通过画面切换按钮实现切换。

(1)自动界面:显示工位参数保存，故障报警、限位报警、测头伸缩、焊枪伸缩、焊枪开/关、工件夹紧/松开等信息。设置启动、停止、急停、夹紧、松开、主轴转、点焊等按钮。

(2)平移界面:显示限位报警、第一工位平移距离、第二工位平移距离信息。设置左/右选择、正/反向选择、回零、运行、停止等按钮。

(3)升降界面:显示限位报警、第一工位升降距离、第二工位升降距离等信息。设置左/右选择、正/反向选择、回零、运行、停止等按钮。

(4)伸缩界面:显示焊枪伸缩信息。设置左/右选择、正/反向选择按钮。

(5)摆动界面:显示工位保存、编码器返回值等信息。设置摆宽、摆速编辑框。设置左/右选择、正/反向选择、运行、停止、保存、开摆、停摆等按钮。

(6)测头界面:显示焊枪伸缩信息。设置左/右选择、正/反向选择按钮。

(7)编辑界面:显示主轴转速、左侧第一工位平移距离、左侧第一工位升降高度、左侧第一工位摆动中心、左侧第二工位平移距离、左侧第二工位升降高度、左侧第二工位摆动中心、右侧第一工位平移距离、右侧第一工位升降高度、右侧第一工位摆动中心、右侧第二工位平移距离、右侧第二工位升降高度、右侧第二工位摆动中心、第一工位焊缝起点、第一工位焊缝终点、第二工位焊缝起点、第二工位焊缝终点等信息。

3.2 PLC 端程序设计

根据机床控制系统软件设计流程图，程序设计使用一些PLC 基本指令、功能指令和程序控制指令外，还使用输出脉冲指令、高数计数器指令和顺控继电器指令［13-14］。其中，关键程序为定位和摆动控制程序。

定位控制考虑其特点:①机床是适应后桥不同种类的要求，应缩短工位一平移距离;②测头和焊臂相对位置固定;③法兰尺寸一定。

定位控制程序关键部分的设计思想为:①利用PTO 完成中断程序实现运动距离控制;②利用手动摆动控制顺序保存两工位位置(Z轴、X轴和A轴)信息;③以测头为基准控制焊枪水平方向准确定位;④以X轴零点(两处)为基准控制焊枪垂直方向准确定位;⑤根据伺服编码器反馈信号特点，使用高数计数器模式9 控制焊枪摆动方向准确定位。

摆动控制程序设计思想为:利用PTO 完成中断程序，起始脉冲数减半，实现以摆动中心为原点摆动。

另外，设定断电数据保持区，避免每次系统开启后都要进行回零操作和有关参数设定［15］。

4 结束语

本文设计了一种用于汽车后桥轴端法兰焊接的双臂数控焊接机床控制系统。搭建由触摸屏和S7-200PLC 基于串口通信的伺服定位和摆动控制系统，提出了基于PLC 的六台伺服控制方法，设置了各种异常情况安全保护措施，实现了手动控制、自动控制、信息显示和参数编辑等功能。所有控制具有精度高、可靠性好、响应速度快等特点。系统运行安全可靠，自动化程度高，操作简单、维护方便等特点。该控制系统集成了生产加工、自动控制和生产管理，具有较高的市场应用价值。

图3 机床控制系统软件设计流程图

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