基于S7?300 PLC不规则空间曲线自动焊接系统设计

何龙

摘 要： 针对螺旋形部件焊缝的特点和焊接需求，设计了一套基于S7?300 PLC的不规则空间曲线自动焊接系统。介绍了整个控制系统的系统组成、工作原理及软件算法；在机械臂摆动控制上采用FM354伺服电机定位模块实现高精度定位，在机械臂高度和机械臂长度控制上采用基于PLC?300的闭环比例?积分控制。所设计焊接自动控制系统既保证了控制精度又降低了设计成本。基于设计系统进行焊接试验，试验结果表明：焊接定位精度较高，焊缝平整光滑，试验结果证实了该系统的焊接可行性及可靠性。

关键词： PLC； 空间曲线； 机械臂； 焊接； 定位精度

中图分类号： TN609?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）17?0160?03

Design of automatic welding system for irregular space curve based on S7?300 PLC

HE Long

（Chengdu Aeronautic Polytechnic， Chengdu 610100， China）

Abstract： For the characteristics of welding seam and welding requirements of spiral component， a set of automatic welding system for irregular space curve based on S7?300 PLC was designed. System composition， work principle and software algorithm of the whole control system are introduced. In the control of mechanical arm swing， the high accuracy positioning was achieved by using FM354 servomotor positioning module. The closed loop proportional?integral control based on PLC?300 is adopted by the control of the mechanical arm height and length. The designed automatic welding system can ensure the control precision and reduce the design cost. The welding experiment is conducted based on the system design. The experimental results show that the positioning accuracy of welding is high and the welding seam is smooth， and the feasibility and reliability of the system were proved by test results.

Keywords： PLC； space curve； mechanical arm； welding； positioning accuracy

0 引 言

近年来，随着科技的全面进步，机械臂的设计也得到了突飞猛进的发展[1?2]。新一代焊接设备也均采用较为先进的视觉呈现方法对焊缝进行自动检测和自动跟踪[3?4]，同时采用了更先进的控制算法控制焊接过程以达到较高的精度；然而焊接过程中软硬件设计极其复杂，设备成本较高，很难满足中小型企业的需求[5?6]，因此有必要研究分析自动焊接机降低成本、同时控制较高精度的空间曲线自动焊接。

本文在空间直角坐标系建模，基于西门子S7?300着重考虑焊接过程中焊接接头空间轨迹求解和定位精度，设计了不规则空间曲线自动焊接设备的焊接方案。机械臂轨迹上采用常用定时插补算法，驱动单元上采用伺服电机实现高精度闭环控制。通过焊接系统设计分析然后进行焊接试验，以期为自动焊接发展提供可靠的理论指导。

1 控制系统组成

该系统通过串行口RS 232把S7?300 PLC与示教盒相连接，以接收示教信息；同时示教数据被存储到存储器中，完成焊接示教动作。操作员通过直观的上位机画面观察焊接工作状况，设置焊接机械臂的切向运动速度和轴向送丝速度，修正示教数据并显示故障原因等信息。

采用S7?300 PLC实现下位机数据的采集、计算、存储、故障诊断、输出等功能。其中采用CPU 314C?2 DP作为焊接机控制系统处理器，该处理器集成的特殊功能有：最大频率60 kHz的4通道高速计数器，可测频率最大60 kHz的4通道频率测量，最高输出频率2.5 kHz的4通道脉冲宽度调制输出及1路位置控制和PID闭环控制[7]。外围电路包括FM354伺服电机定位模块及其附属电路，主要完成相关执行器的闭环输出控制，焊接系统简化框图如图1所示。

2 软件系统设计

本系统软件设计采用结构化和模块化设计，主要有初始化、示教程序、轨迹插补计算、相关数据的采集与输出等子程序，每一部分通过许多功能模块构成。

初始化主要用于完成显示器初始化、串行接口初始化、定时器初始化、反馈计数器初始化、FM354模块初始化以及存储器数据清零等。

操作员利用示教盒通过示教程序对机械臂进行编程，使机械臂完成预期的焊接动作，并按顺序存储示教的空间坐标数据。系统软件流程图如图2所示。

3 软件算法设计及定位问题解决方法

该算法采用定时中断方式，每隔时间间隔[T]后中断一次，进行一次插补，同时计算一次逆向运动学，输出一次给定值。为保证焊接过程的平稳（焊接接头不抖动），将时间间隔[T]设置较小，同时由于机械臂机械特性限制了时间间隔[T]的上限值25 ms（40 Hz），显然[T]越小越好，然而计算量的大小又限制了它的下限值，即CPU要在[T]时间里完成一次插补运算、一次直线和圆弧的逆向运动学计算以及两次闭环比例?积分运算。CPU的浮点运算时间是15 μs，总运算时间约为8 ms。这就产生了[T]的下限值。定时器分辨力为10 ms，CPU还要执行输入输出、故障诊断等任务，这里设置[T]值为15 ms。

系统采用FM354伺服电机定位模块控制伺服电机的转矩。通常伺服控制器有三种控制方式，分别为脉冲控制方式、电压控制方式和转矩控制方式。FM354只能使用电压控制方式，所以在焊枪的角度上采用基于电压控制的伺服电机。考虑到摆动电机是基于模拟量控制，在以S7?300 PLC为控制核心的基础上，引入FM354伺服电机定位模块来精确控制摆动电机的角速度，采用这种独立定位模块减轻了主控制器CPU的运算量，降低了PLC扫描的周期，从而在整体上改善了控制精度。系统原理图如图3所示。

为了在保持精度的同时简化硬件复杂度，在焊枪高度和长度上采用基于PLC?300的闭环控制系统。通过编码器精确测量电机的转速，并与给定转速进行PI运算，用PWM脉冲控制伺服电机的转速。系统原理图如图4所示。

4 试验过程及结果分析

为了验证系统的可行性及可靠性，对设计的PLC控制空间曲线焊接系统进行试验，通过对空间T型接头进行激光焊接来检验焊接接头定位精度及机械臂定时插补算法是否能够满足要求。

该试验焊接机械臂及操作试验台如图5所示。

基于西门子S7?300型PLC进行焊接试验，焊接过程中焊接速度设为3 500 mm/min，焊接功率为10 000 W。考虑到焊接收尾效应，在设计焊接轨迹引出段的焊接工艺参数时，降低焊接速率和焊接功率，直至焊接结束。焊接试验结果如图6所示。观察图6焊接结果可以明显看出，该系统很好地完成了空间不规则曲线激光自动焊接，同时焊缝平整光滑，该系统的可行性及可靠性达到了预期结果。

采用激光干涉仪检测焊接过程中机械臂[z]轴精度，验证焊接定位精度及定时插补算法等是否能够满足要求，检测结果如图7所示。图7为焊接过程中[z]轴精度，从图中可以看出定时插补算法的加入使得[z]轴的定位精度达到了0.009 mm，重复精度约为0.005 mm，该组数据表明，所设计系统能够对焊接机械臂各个轴进行高精度的定位控制，插补算法设计完全满足激光焊接定位精度的要求。

5 结 论

本文研究了以S7?300为核心的不规则空间曲线自动焊接系统，该系统具有操作简单、维护方便、易于功能的拓扑与调试等优点。同时，示教盒也提供了一种简单、快捷、准确的焊接示教方案；软件算法上采用了定时插补算法、闭环控制方案以保证定位精度与焊接质量。

对设计的PLC控制空间曲线焊接系统进行试验，分析焊接定位精度及机械臂定时插补算法等能否满足焊接精度。焊接结果表明，该系统完美地完成了空间不规则曲线激光自动焊接，同时焊缝平整光滑，焊接可行性及可靠性达到了预期结果。同时能够对机械臂进行高精度的定位控制，完全满足激光焊接定位精度的要求。

参考文献

[1] 朱加雷，焦向东，罗雨，等.海洋油气管道铺设全自动焊接技术研究现状[J].现代焊接，2013（6）：8?11.

[2] 沙玉章，周国强，彭立.立向角焊缝一次成形自动焊接技术[J].电焊机，2012，42（2）：20?22.

[3] 廖常初.S7?300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4] 王俊恒，高洪明，张广军，等.PLC及触摸屏控制系统在薄壁方管焊接中的设计和应用[J].电焊机，2006，36（12）：16?19.

[5] 张志芳.智能埋弧焊系统中的PLC设计[J].电焊机，2014，44（7）：68?71.

[6] 周世胜.西门子定位模块FM354在数控铣床上的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2001（5）：40?41.

[7] ZENG Huilin， WANG Changjiang， YANG Xuemei， et al. Automatic welding technologies for long?distance pipelines by use of all?position self?shielded flux cored wires [J]. Natural Gas Industry B， 2014， 1（1）： 113?118.