马鞍形焊缝焊接控制系统设计

薛良豪，魏 敏，杨 涛，卢永鑫

(石河子大学机械电气工程学院,新疆维吾尔自治区 石河子 832000)

0 引言

随着“一带一路”国家战略的稳步推进，沿线城市和国家的基础建设在不断扩大的同时，工业中压力容器的需求量也在逐步增加[1-2]。而在压力容器的生产制造中，经常会遇到筒体与接管的焊接问题，有时一个压力容器需要焊接数十个甚至数百个接管[3-4]。工程中将这种筒体与接管正交所形成的相贯线曲线称为三维标准马鞍形空间曲线[5-6]。

本文针对大型压力容器的马鞍形焊缝焊接特点，提出了一种马鞍形焊缝焊接设备，以及一种基于可编辑逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)和触摸屏的马鞍形焊缝焊接系统的控制方式。

整个系统机械结构简单、操作方便、自动化程度高、焊接效率高，在锅炉、压力容器、管道工程、核电等行业中具有巨大的市场前景[7]。

1 龙门式马鞍形焊缝焊接机器人

目前，针对大型压力容器的马鞍形焊缝焊接，由于其筒体和接管的管径大、自身重、运动需要较大的动力等突出问题，使得一些适用于小管径的相贯线焊接设备不能很好地应用到大型压力容器的焊接工作中。而从国外引进的先进焊接设备存在成本高、后期维修困难等问题。因此，针对此类型的马鞍形焊缝，大部分企业仍采用传统的手工焊进行焊接。手工焊不仅劳动强度大、效率低，而且对工人的技术水平要求高，焊后一致性也较差[8-10]。

针对手工焊接遇到的难题，本文设计了一种基于龙门式大型压力容器的马鞍形焊缝焊接机器人。整套机器包括龙门架升降机构、焊枪上下提升机构、机身水平移动机构、机身回转机构和焊枪夹持机构。

龙门架升降机构能够实现机身的上下移动，机身水平移动机构能够实现机身水平方向的移动。在龙门架升降机构和机身水平移动机构的相互配合下，能将通过三爪卡盘夹紧的接管移动到压力容器筒体的正上方。

焊枪夹持机构前端安装有焊枪，通过机身回转机构实现马鞍形焊缝水平面的圆周运动。

焊枪上下提升机构可实现马鞍形焊缝的落差运动，在两个机构的作用下完成马鞍形焊缝的焊接。

2 焊接机器人控制系统原理及构成

马鞍形焊缝焊接机器人控制系统由上位机触摸屏、下位机PLC、悬臂控制箱、伺服电机、伺服驱动器、交流电机、调速器等构成。

控制系统总体结构如图1所示。

图1 控制系统总体结构图

PLC作为主控制器，利用其多路脉冲输出功能，通过输出脉冲给驱动器，控制各执行机构的电机，实现多轴联动，完成马鞍形焊缝的焊接工作。本系统使用伺服驱动器驱动伺服电机，并要求PLC能产生高平率的脉冲。本控制系统采用维控科技LX3VE-3624MT-A型号的运动PLC。该PLC采用24 V直流电供电，60点输入/输出占用点数。其中，输入点数36点、输出点数24点；具有4路高速脉冲输出功能，最高可输出200 kHz的高速脉冲，可以进行4轴同步定位控制(2轴同时启动的简易线性插补)；结合线性插补、2轴间的圆弧插补以及连续轨迹控制，可轻松实现平滑的定位控制。

高速脉冲输出包括脉冲串输出(pulse train output,PTO)和脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)。前者输出一串脉冲(占空比50%)，使用户可以控制脉冲的周期和个数；后者可以输出连续的、占空比可调制的脉冲串，使用户可以控制脉冲的周期和脉宽。脉冲波形分别输入驱动器后，电机将接收到的脉冲信号转变成相应的角位移和角速度，实现马鞍形焊缝的自动焊接。

在进行焊接工作前，首先将编写好的马鞍形焊缝插补程序上传到PLC中，然后在触摸屏的人机界面内输入相应的焊接工艺参数。上位机触摸屏通过算法分析提取出焊枪摆在空间中的运行轨迹，并根据空间曲线计算相应各轴的运动脉冲和速度；将各种运动参数预先存储在PLC的指定存储区内，并以文档的形式保存。

在控制程序开始运行时，PLC进入扫描周期。PLC按用户编辑的运动控制程序顺序执行操作，当检测到满足脉冲输出条件或遇到驱动电机指令时，会到预定好的地址提取脉冲及速度的操作数，供程序使用。

触摸屏软件设计主要由操作按钮画面、焊接工艺参数数值输入画面等部分组成。本系统采用型号为LEVI102EL的触摸屏，使用 USB 快速上下载已经编辑好的程序，同时可与PLC之间通过RS-485或RS-422串口进行通信。触摸屏人机界面的设计采用维控中文组态软件LEViStudio进行编辑，利用软件中提供的各种属性的元件开关进行人机界面的编辑。编辑时，可与PLC的程序软件地址一一对应。

3 马鞍形焊缝轨迹的插补分析

由空间曲线马鞍形焊缝的几何特征可以看出，三维空间曲线马鞍形焊缝可以分解成两个二维平面插补算法来拟合。

对空间曲线马鞍形焊缝在XOY平面内的正投影，采用平面圆弧插补方法。Z轴方向上的马鞍形焊缝落差通过该曲线与Z轴的空间几何关系来实现插补运算。

马鞍形焊缝参考示意图如图2所示。

图2 马鞍形焊缝参考示意图

由控制系统硬件原理可知，在整个伺服系统中，伺服驱动器将控制脉冲信号传输给伺服电机后，伺服电机将脉冲信号转变成相应的角位移和角速度，以控制相应执行机构带动焊枪完成马鞍形焊缝的焊接。

伺服控制系统位置反馈如图3所示。

图3 伺服控制系统位置反馈图

将角度插补运动定义程序导入PLC控制器中。控制器通过将脉冲信号传输给伺服驱动器，控制伺服电机完成相应的算法动作。在焊枪回转运动和上下运动的共同作用下，可实现马鞍形焊缝的插补运动，完成焊枪的焊接工作。

取脉冲上升沿辅助继电器M100在焊接机器人焊接准备程序中表示紧急停止，辅助继电器M101表示自动启动，辅助继电器M102表示插补启动，辅助继电器M101在焊接机器人自动启动程序中表示自动启动。

4 马鞍形焊缝焊接试验

根据焊接工艺要求，选取合适的压力容器进行马鞍形焊缝的焊接试验。试验过程中，三爪气动卡盘通过将接管夹紧与筒体上的马鞍形焊缝进行定位。定位完成后，按下卡盘卡紧控制按钮，即可完成焊接前的定位工作。然后，按下自动焊接按钮。焊枪会在未起弧的条件下自动走一圈马鞍形焊缝的焊接轨迹，以验证马鞍形焊缝轨迹的准确性。验证无误后，按下焊接准备和自动焊接按钮，焊枪正式进入焊接工作，并按照刚刚行走的轨迹进行焊接。

焊接机器人现场运行表明，焊枪能够按照预设的焊接轨迹对焊缝进行焊接，整套控制系统运行稳定、可靠性高、操作方便，焊接效果理想。

本次试验选取的焊接试验参数如表1所示。其中，焊接方法为CO2气体保护焊。

表1 焊接试验参数

5 结束语

本文研究的基于龙门架式的马鞍形焊缝焊接机器人，是一种在筒体和接管相对固定的情况下，在插补算法的基础上，由机械、电气、PLC 和触摸屏等元件构成的复杂的机电一体化工业装备。

在充分利用了PLC 控制的灵活性以及触摸屏在可视化方面的便捷性基础上，设计了一种基于PLC和触摸屏的马鞍形焊缝焊接控制系统。该系统满足了不同规格工件的马鞍形焊缝焊接需求，实现了大型压力容器马鞍形焊缝的自动化焊接，降低了工人的劳动强度，提高了企业的生产效率。