散热器管板焊接控制系统研究*

李银华 赵 凡 黄军垒

(①郑州轻工业学院电气信息工程学院，河南 郑州 450002;②郑州斯倍思机电有限公司，河南 郑州 450001)

家用采暖散热器是将热量传导到室内的一种终端设备。它的生产与加工主要由人工焊接完成，存在着工艺落后、劳动强度大，招工难、生产效率低，成本高、能耗高、焊接质量不稳定等问题，难以满足生产过程对焊接精度与质量的要求［1］。目前焊接自动化装备以及焊接机器人已经成为世界各国重点发展的重要装备，实现智能化的焊接自动化已经成为我国工业现代化发展的必然要求［2］。因此，焊接自动化技术对于提高接头品质、保证系统稳定性、提高生产效率具有很重要的意义。

针对家用散热器的管板焊接现状、特点和技术要求，采用高精度滚珠丝杠的三维机械装置、软PLC 技术、伺服系统及现场总线技术，开发了一种工业生产线用的三轴联动全自动氩弧焊接设备，利用基于椭圆离心角变化的插补算法满足控制系统对实时性的要求，实现焊接工件复杂曲线的焊缝焊接，满足家用散热器现场焊接生产需求。

1 散热器焊接技术要求

散热器焊接，包括管板焊接与管管焊接。管板焊接通用的几种方法:手工氩弧焊、焊条电弧焊、脉冲自动氩弧焊［3］。脉冲自动氩弧焊，焊接过程稳定性好、高效率为目前管板焊接的主流发展方向［4］。在焊接过程中要求焊接的线速度基本一致，具有良好的动态性能，不会出现因材料受热不均匀等因素产生焊穿、熔合不良、未焊透、焊缝不连续等焊接缺陷，使得加工柔性、焊接精度、焊接质量等都显著提高。具体的技术指标如下:

(1)适应于异性薄壁钢管散热器端口封头焊接，也可针对不同的工件修改程序应用于其他焊接领域。

(2)可焊接不锈钢、铜、钛及其合金。

(3)电弧柔和稳定，焊缝宽度一致，缺陷少，焊接质量高。

(4)输入电压:三相交流380±10%V 50 Hz。

(5)焊接深度:0.08～2.5 mm。

(6)工作台行程:1500 mm×800 mm×400 mm。

(7)定位精度:0.05 mm。

(8)焊接速度:0～1800 mm/min。

散热器的管板焊接轨迹为若干个并排的椭圆，如图1 所示。

2 系统方案及硬件设计

2.1 系统方案

散热器焊接技术要求和实际工作环境状况，采用工控机+软PLC+EtherCAT 总线+伺服驱动器+伺服电动机构成焊接设备控制系统。工业控制计算机通过TwinCAT NCI/CNC 接口将用户命令转换成数控指令，经EtherCAT 总线发出脉冲给伺服驱动器，由伺服电动机带动工作台作平面三维运动。焊枪装到三坐标数控专用焊接设备上，由焊接设备控制焊接轨迹。TwinCAT NCI/CNC 安装在工业控制计算机上，与三坐标数控专用焊接设备相连接。控制系统组成图如图2所示。系统根据不同焊接材料设置相应的焊接电流，可实现椭圆曲线焊缝焊接。EtherCAT 总线可达到100 MB/s的传输速率，具有分布时钟技术，可保证设备间实时性和协同性。

2.2 硬件设计

系统运行过程中，焊件固定不动，焊枪移动，控制焊接轨迹。硬件结构图如图3 所示。采用安装了TwinCAT 软件的研华工控机作为主控制器，实现PLC功能。伺服系统采用施耐德伺服驱动器与伺服电动机构成，将电动机反馈量传递给主控制器，推算出焊枪的实际位移，确保伺服控制系统稳定性。送丝机选用步进电动机。倍幅功能模块选择基本输入模块EL1008、输出模块EL2008、EtherCAT 模块EK1110、步进驱动模块KL2541、模拟量输入模块KL3042、末端模块EL9011、步进驱动模块KL2541 等。X 轴与Y 轴负责焊枪的左右前后移动，Z 轴负责焊枪的上升与下降，三轴结合实现焊枪的曲线运动。

3 焊接插补算法

系统控制的核心问题就是如何控制焊枪移动，使焊枪能够按照要求的焊缝轨迹运行。依据散热器管板焊接轨迹特点，要实时提供无限接近圆弧直线来实现椭圆轨迹的焊接，需要研究适合椭圆曲线的插补算法。系统选择适用于椭圆圆弧的插补算法，以实现快速、简便、并能达到一定的精度为主要目标［5］。依据椭圆参数方程，坚持可控步长实时插补算法的设计理念［6］，给出了一种变离心角实时插补算法。该算法不需事先设定插补过程中的步长值，且可保持焊接过程中线速度恒定。

设椭圆的参数方程为:

式中:a 为长轴半径，b 为短轴半径，θ 为长轴(或短轴)所对应曲率圆半径旋转角，称为椭圆离心角。图4 中∠AOD 为点C 离心角。椭圆圆心角ψ 是指椭圆上点与焦点连线与X 轴所形成的角，图4 中∠COD 为点C的圆心角。离心角θ 和圆心角ψ 之间满足关系式:

设椭圆上任意点为M(xi，yi)、N(xi+1，yi+1)，M、N点对应离心角为θi、θi+1，椭圆上点M 到焦点O 距离OM 为点M 对应的曲率圆半径Ri，则OM=Ri，且有

插补步长ΔL 与插补周期T、线速度v 三者满足关系式ΔL=v×T。若插补周期一定，系统确定了线速度，则插补步长ΔL 亦可确定。而线速度v 是X 轴方向速度vx与Y 轴方向速度vy合成值，3 个量之间满足三角函数关系［7］:

在焊接过程中，随着插补轨迹从M 点移动到N点，离心角由θi变为θi+1，离心角增量Δθ 可表示为:

在具体插补中，若插补周期T 很小，且ΔL≪R，则有如下关系［8］:

因此，知道第i 个插补点M 的坐标(xi，yi)，便可根据式(5)与式(6)得出第i+1 个插补点N 的离心角θi+1。从M 点到N 点的横纵坐标的增量Δxi+1、Δyi+1的求解公式为:

根据式(7)和式(1)，由椭圆第i 个插补点的坐标(xi，yi)即可得出第i+1 个插补点N 的坐标(xi+1，yi+1)及相应坐标轴进给量Δxi+1、Δyi+1。各轴的进给量与进给速度满足关系式为:

由此推算出各轴的进给速度。插补过程实质就是控制伺服电动机的速度和进给量，使其能够按照给定的速度和位移来进行移动，用有限条无限接近圆弧的直线段代替圆弧，实现椭圆轨迹的焊接。插补原理图如图5 所示。

插补过程如何结束，需进行终点判别。对于椭圆插补来讲，当第i+1 个插补点的坐标与起始点坐标一样，便说明此焊孔焊接结束。或者可以在插补过程中将每一次的离心角变化量Δθi叠加，毎插补一次，叠加一次。最后得到叠加后θ 为360°，即表示插补结束。

4 软件设计

软件设计是整个控制系统核心，根据工件的焊接图形和工艺要求，确定系统控制方式和控制参数。利用模块化设计思想和结构化程序设计方案，使之具有良好的模块性、可修改性及可移植性。按照功能可以划分为主控模块、用户界面模块、伺服系统控制模块、插补算法模块等功能模块。系统选用TwinCAT 软件平台，完成对施耐德驱动器的配置与程序设计。所有的硬件设备都可以通过TwinCAT System Manager 扫描到硬件配置中，与TwinCAT PLC Control 里编写的软件程序进行链接，实现系统控制。TwinCAT PLC Control具有如下功能:①遵循IEC61131-3 标准，支持所有IEC61131-3 编程语言;②具有丰富的控制模块，支持多种PID 算法;③支持用户自己的控制算法;④提供仿真运行，并可在线编译修改;⑤支持远程修改程序［9］。软件设计总架构如图6 所示。

具体的程序设计分为4 个部分:主函数和3 个子函数(双轴耦合子函数、使能复位子函数、移动子函数)。MAIN 采用ST 编程，实现对焊机的主控制，并可调用子函数。子函数采用SFC 语言，按照顺序调用功能块，实现相应功能。主函数与子函数采用不同的语言编写，提高程序可读性。双轴耦合子函数实现的是主从轴耦合。使能复位子函数实现各坐标轴移动前的准备，使能阶段，复位及停止功能的实现及速度、位置等命令的给定。移动子函数包含单轴运动及多轴联动的启动及参数设定命令。这些功能实现需要相应的功能库TcMC.lib 完成。插补算法模块控制流程图如图7 所示。

5 系统调试

TwinCAT 自带有电子示波器Scope View。只要将需显示的数据链接到示波器，并开始记录，就可在系统运行过程中，通过Scope View 界面实时观察到位置、速度、加速度、力矩、跟随误差等参数［10］，还可以直观观测到伺服电动机主从轴的合成轨迹，即实际焊枪运动轨迹。在调试过程中，根据实际运行曲线，选择对各轴运动的实时补偿，使得焊枪严格按照焊接轨迹运行。焊接轨迹完成图如图8 所示。从图中可以看出，基于离心角的插补算法运用到控制系统中，可以实现插补速度与具体轨迹的协调控制，使得插补过程更加平滑流畅，可以实现对椭圆焊缝焊接。

6 结语

基于工控机+软PLC+EtherCAT 总线+伺服驱动构成的控制系统，可实现对散热器管板的焊接，利用椭圆焊缝的变离心角插补算法，能有效控制焊枪运动轨迹，具有计算简单，精度高的特点。实验结果表明:该系统运行稳定、可靠，性能良好，实现了焊接速度与焊接轨迹的协调控制，提高焊接的精度和质量。

［1］刘家发，朱宪宝.储罐横焊缝自动焊接装置的研制［J］.电焊机，2006，36(12):56-59.

［2］黄政艳.焊接设备技术现状及发展趋势［J］.广西轻工业，2011(5):31-32.

［3］Kruger J，Marya S K.On recent trends in orbital TIG welding of tubes［J］.International Journal for the Joining of Materials，1994，6(1):27-32.

［4］刘永平.全位置深孔管板焊机机构设计及运动仿真［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.

［5］龙春国，史耀耀.基于OpenGL 五轴联动数控机床仿真的插补算法及软件实现方法研究［J］.机械科学与技术，2003，22(11):183-185.

［6］霍孟友，王新刚，尹萍.自动焊接相贯线接缝的实时插补控制算法与仿真［J］.焊接学报，2006，27(11):37-40.

［7］杨帆，廖知，肖贝，等.改进插补算法在数控雕刻系统中的应用［J］.华中科技大学学报，2011，39(2):27-31.

［8］朱国力，段正澄，黄胜，等.基于圆心角分割的椭圆插补算法研究［J］.机械工业自动化，1996，18(1):41-43.

［9］德国倍福电气有限公司.TwinCAT PLC 编程手册［M］.北京:德国倍福电气有限公司北京代表处，2005.

［10］BCGZ Lizzy Chen.TwinCAT NC PTP 实用教程［M］.广州:BECKHOFF 中国运动控制中心，2014.