电弧增材制造数控机床电气控制与策略

马 驰，燕昱昊，李常龙，刘永红，闫中政

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）

近年来，增材制造（additive manufacturing，AM）由于在结构轻巧性、零件外形自由性、材料高利用性及功能梯度材料的可制造性上的独特优势得到了广泛应用[1]。不同于昂贵的激光、电子束增材，电弧增材制造 （wire and arc additive manufacturing，WAAM）由于使用电弧作为热源、丝材作为原材料，具有高堆积速率、高材料利用率、低费用及具有制造大型构件等优势，具有可大规模推广的潜力[2]。

通常，电弧增材制造可使用熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊或等离子弧焊过程所产生的电弧作为能量源，焊丝或其他丝材作为原材料，使用六轴机械手或CNC机床作为运动平台。过程中电弧加热丝材形成金属熔滴，熔滴按照预设轨迹沿路径滴落进熔池中凝固，层层堆积成所设计的零件。除了上述常见的三种热源，冷金属过渡焊接是熔化极气体保护焊的变种，由于较低的热输入，在电弧增材制造领域受到广泛关注[3]。

当前，电弧增材制造研究重点关注如何提高增材制造成形件的机械性能与外形精度。Bermingham等[4]在电弧增材制造过程中，通过添加晶粒细化元素和成核颗粒，探究热和成分敏感性因素如何影响钛合金部件中柱状晶到等轴晶的转化，结果表明成核颗粒比晶粒细化元素更加有效。Rodrigues等[5]在制备低合金钢零件时，通过将直径为1~2μm的SiC颗粒涂抹在每层焊道上，获得晶粒细化与机械强度显著增强的零件。马驰等[6]探究了原位气体冷却技术对于低碳钢零件的影响，结果表明原位气体冷却显著降低了电弧增材制造过程中的热积累，避免了晶粒的粗大及机械性能的恶化。Zhang等[7]在电弧增材制造过程中使用振动平台制备高强铝合金零件，结果表明振动显著降低了平均晶粒尺寸，铝合金零件气孔率从6.66%降至1.52%。马驰等[8]探究了振动冲击锻轧技术对于低碳钢零件的影响，发现低碳钢的平均晶粒尺寸从9.6μm降至6.4μm，晶粒细化显著增强了机械强度。

然而，当前电弧增材制造数控机床电气控制与策略少有人研究。Karunakaran等[9]研究了在铣床上加装电弧增材设备，进而实现增减材一体化；然而，其电气控制部分仅涉及改动单个继电器用于焊机起弧和熄弧控制，电流、电压、送气与送丝均不能由数控系统控制，只能在焊机面板上设置。基于CNC机床改造的电弧增材制造设备较少有人关注，尤其是其电气控制与策略部分，大部分是由厂家开发以控制数字焊机，其电气控制与策略一般较为简单。

本文基于老旧三轴数控铣床，从焊炬安装、机床电气隔离、丝杠导轨防护及机床控制器与数字焊机的通讯等方面进行老旧机床改造。其中，机床控制器与数字焊机的通讯是本文研究核心，通过重新设计电气控制，基于PMAC Clipper多轴运动控制卡、S7-200 Smart PLC与交换机，完成了电弧增材制造机床改造并通过试验验证设计的可靠性。

1 电弧增材制造数控电气设备构成与安装

所用铣床的数控系统为实验室基于PMAC Clipper卡及对应配套的轴扩展卡（DTC-8B）与I/O板（ACC-34AA）搭建的，可实现三轴联动铣削，电源为具有数字通讯功能的YD-500GP5HNW数字MIG焊机，具有脉冲模式、双脉冲模式及混合脉冲模式，预留模拟通讯、数字通讯及外接端子台控制。焊机自带冷却水箱与循环系统，可对焊炬进行持续冷却，提高电弧增材制造的持续作业能力。

对于数控机床与焊机通讯，分别进行了模拟量控制与RS485通讯。由于PMAC Clipper卡和数控机床预留的通讯接口不足，且焊机起弧与熄弧有时序要求，使用PMAC Clipper卡在控制伺服电机联动插补运动时难以同时完成对于焊机的时序控制，因而另选用西门子S7-200 Smart PLC用于焊机的专用控制器，实现RS485通讯、模拟量控制及开关量控制。原有数控机床的计算机无法同时与PMAC Clipper卡、S7-200 Smart PLC进行通讯，使用交换机组建局域网满足数控机床计算机同时访问PMAC Clipper卡、S7-200 Smart PLC的需求，同时交换机所预留其他网口可用于未来扩展其他网口设备。此外，为了实时监测电弧增材制造过程中的电流与电压变化，使用NI-9239电压采集模块及CDAQ-9189机箱，完成数据采集与记录。图1是电弧增材制造数控机床电气设备系统构成框图。

图1 机床电气设备构成

在电弧增材制造过程中，由于频繁的起弧与熄弧将导致较大的电流，对于机床数控电子设备存在干扰或损坏的风险，因而构成电弧的回路需要与机床基座相互电气隔离，以保证机床的安全。如图2所示，为便于安装基板和其他设备，本研究设计了带有螺纹孔矩阵与T形槽的铸钢工作台，中间通过厚度15 mm的环氧树脂绝缘板隔开以达到电气隔离的目的，并用聚四氟乙烯套筒包裹螺栓，以达到彻底的电气隔离。此外，由于环氧树脂绝缘板隔热，可保护机床导轨与丝杠免受电弧增材制造过程中高温的影响。

图2 机床电气隔离与机械设备安装

焊机的焊炬通过特殊设计的夹具安装于机床主轴护套上，特殊的滑槽设计便于调整位置，使其垂直于机床工作台。在电弧增材制造过程中，不匹配的工艺参数将导致飞溅，为了保护丝杠与导轨，上表面带有金属保护片的导轨防护罩替代了原先的柔性风琴式纤维防护罩，可抵抗飞溅。

2 电弧增材制造机床电气控制逻辑

2.1 前提要求

对于S7-200 Smart PLC与数字焊机，本文分别进行了RS485通讯及模拟量控制。首先，数控机床与焊机设备起弧、熄弧之间有严格的时序要求。针对当前所改造数控铣床电气设备特点，本文对于一些控制逻辑重新划分，YD500GP5HNW数字焊机的焊接工艺有无收弧焊接、有收弧焊接、点焊及有初期收弧焊接四种，其中后三种适应于手工焊接，利于减轻劳动强度，却不适用于数控机床的紧急停机，因而推荐采用第一种无收弧焊接模式。

电弧增材制造数控机床未运行运动程序时，焊机常用的操作为送丝、送气、设置提前/滞后送气时间、设置起弧电流/电压/时间、正常电流/电压、熄弧电流/电压/时间等。而在电弧增材制造数控机床运行运动程序时，当执行到起弧代码时能够控制焊机正常起弧，起弧成功后继续运行否则程序暂停，当执行到熄弧代码时能够控制焊机正常熄弧。期间，能够按照设置的起弧、正常段、熄弧段的电流/电压/时间运行。

2.2 PMAC Clipper卡控制逻辑

PMAC Clipper卡执行下载到卡内的PLC程序与运动程序，在运行运动程序时，需要设计特殊的代码实现起弧与熄弧控制，本文设计了M11与M12代码，相应的运行动作见表1。M11代码用于起弧，并暂停当前运动程序所在行，直至接收到起弧成功信号后，运动程序继续运行，该控制逻辑用于最大限度保证稳定起弧；M12代码用于熄弧，并暂停当前所运行的程序行，直至起弧成功信号消失后继续运行程序，该控制逻辑用于最大限度保证稳定熄弧。此外，当运行M11代码、焊机成功起弧后，一旦中途检测不到起弧成功信号，PMAC Clipper卡默认断弧，此时会默认执行暂停指令，直至电弧恢复或是人为退出程序，该控制逻辑可最大程度保护设备与人员安全。

表1 M11起弧与M12熄弧的控制代码实现

M11与M12共用PMAC Clipper卡IO板上的一个I/O口，用高低电平控制起弧与熄弧过程；起弧成功信号占用另一个I/O口，用于接收来自焊机的起弧成功信号。此外，为了设备安全，本研究添加了焊接使能控制功能，由操作面板上新增按键控制是否焊接使能，当PMAC Clipper卡处于焊接禁用状态时，运行M11/M12代码不会执行起弧/熄弧与暂停命令，该状态可用于测试运动轨迹是否正确；当PMAC Clipper卡处于焊接使能状态时，运行M11/M12代码将按照原有的功能执行起弧/熄弧；该功能需占用IO板上两个I/O口，一个用于接收按键的电平信号，另一个用于向焊机侧输出焊接使能信号。因此，PMAC Clipper卡IO板上至少需有2个空余输入口、2个空余输出口，才能实现上述控制策略。

PMAC Clipper卡仅负责数控机床自身PLC程序运行、运动程序运行、焊接使能信号、焊机起弧/熄弧信号发送与起弧成功信号接收，不处理任何的送丝、送气、电流电压设置等任务，简化了PMAC Clipper卡的控制逻辑，同时减轻了对原数控机床PMACClipper卡IO板资源的要求，降低了对原数控系统的改动量。

PMAC Clipper卡需使用开关量与S7-200 Smart PLC进行通讯，包含PMAC Clipper卡发送给S7-200 Smart PLC焊接使能信号与起弧/熄弧的信号，S7-200 Smart PLC发送给PMACClipper卡的起弧成功信号。此外，PMAC Clipper卡通过交换机与数控机床计算机通讯，接收来自于数控机床计算机的命令及运动程序，同时反馈当前数控机床的运行代码、主轴位置、主轴速度及I/O口状态等信息。

2.3 S7-200 Smart PLC控制逻辑

S7-200 Smart PLC用于响应处理所有关于YD500GP5HNW数字焊机的事件，包含：送丝、送气、焊接使能、起弧/熄弧、起弧成功、紧急停止、电压设置、电流设置等功能。这些功能按照输入输出可分为几种类型：

（1）S7-200 Smart PLC输入信号：①来自于操作面板的送丝、送气按键信号；②来自于PMAC Clipper的焊接使能信号以及起弧/熄弧信号；③来自于数控机床计算机的电压电流等参数；④来自于焊机的起弧成功信号。

（2）S7-200 Smart PLC输出信号：①焊接使能指示灯信号；②发送给PMAC Clipper卡的起弧成功信号；③起弧成功指示灯信号；④数字焊机的紧急停止信号；⑤数字焊机的起弧/熄弧信号；⑥数字焊机的送丝、送气信号；⑦两路模拟量信号用于控制数字焊机的焊接电压与电流。

（3）S7-200 Smart PLC数字通讯：①通过交换机与数控机床计算机通讯（Modbus TCP）；②通过RS485与数字焊机通讯，如图3所示。

图3 S7-200 Smart输入输出与通讯示意图

此外，电弧增材制造过程中，起弧/熄弧过程有严格的时序要求。S7-200 Smart PLC在焊接使能状态下，接收到PMAC Clipper卡起弧信号，需要先执行设定时间的提前送气指令；之后开始起弧，按照起弧电压电流运行设置起弧时间；当接收到熄弧信号，焊接电压电流按照熄弧电压电流变化并运行设置的熄弧时间，熄弧；之后按照设置的滞后送气时间持续送气，直至停止送气。整个过程有严格的时序控制，并且之间的间隔与电压电流大小可由数控机床计算机上位机完成设置，如图4所示。

图4 电弧增材制造过程时序图

针对电压电流设置，还研究了模拟量控制与RS485通讯这两种情况。为了保证设备安全，即使RS485通讯能通过专机协议实现传送送气、送丝、起弧/熄弧及起弧成功信息，这些控制依旧使用S7-200 Smart PLC开关量进行控制，保证可靠性与低故障率。下面将从模拟量控制和RS485通讯进行详细介绍（模拟量与RS485都进行了硬件连接）。

（1）S7-200 Smart与数字焊机模拟量控制

模拟量控制使用S7-200 Smart PLC模拟量输出模块SM AQ04输出两路0~10 V的电压信号，该电压信号与焊机内部实际焊接电压电流存在线性关系，通过该电压信号即可设置焊机实际焊接电压和焊接电流，其他的送气、送丝、起弧/熄弧、起弧成功及紧急停止通过S7-200 Smart PLC开关量控制。此外，通过定时器的组合实现了上述时序控制，如图5所示。

图5 焊机端子台接线与部分梯形图

（2）S7-200 Smart与数字焊机RS485通讯

由于YD500GP5HNW焊机支持RS485通讯（S7-200 Smart PLC为主机，焊机为从机），并且其通讯协议为特别开发，并不是Modbus之类标准协议，无法使用S7-200 Smart PLC中的标准通讯协议模块。因此，本研究针对专机通讯协议在S7-200 Smart PLC中使用梯形图、中断及数据块设计了对应的通讯块，如表2所示。不同命令除了帧头一致，其余基本上不相同，无法通过设置通用通讯数据帧模板覆盖所有焊机命令，因而所有焊机命令都需要单独设置对应的通讯数据帧模板以实现相应命令。不同于模拟量控制，RS485通讯可以设置焊机内部所有的菜单，包含电流、电压、P菜单命令、丝径材质设置、脉冲微调、焊接动作等。本文在数据块中共设置了22条通讯数据帧模板，用于设置焊机。

表2 焊机通讯协议典型通讯数据帧

通过在S7-200 Smart PLC的数据块中设置通讯数据帧模板，并在符号表中设置指向不同通讯数据帧模板中需要更改数值地址的变量，通过操作变量改变通讯数据帧中的设定值，重新填写异或校验值，之后发送给焊机即可完成操作。需要指出的是，该过程核心是数据块中的通讯数据帧模板，但实际还使用XMT发送、RCV接收及对应的中断，此外还包括繁琐的数据转化处理和异或校验。

2.4 数控机床计算机上位机控制逻辑

数控机床计算机作为整个电弧增材制造数控机床电气设备的上位机，需同时完成数控机床运动控制与焊机控制，核心是与各设备的通讯、数据下载及设备状态显示监控。数控机床计算机界面使用Qt编写，共两个线程，包含主显示线程与通讯线程，主显示线程用于输入运动程序、电参数设置及运动、电参数的状态显示，通讯线程包含与PMAC Clipper卡、S7-200 Smart PLC的通讯。

2.5 电流电压采集系统设计

本文基于CDAQ-9189机箱和NI-9239电压输入采集卡设计了焊接电压电流采集系统，使用高反应速度的霍尔电流传感器采集焊接电流。对于焊接电压，本研究基于HCNR201线性光耦设计了双通道电压采集模块，可将0~100 V经过线性变化和光耦隔离成0~5 V，并具备高响应速度，如图6所示。

图6 双通道电压采集模块

3 试验验证

低碳钢和铝镁合金的电弧增材制造的试验结果见图7。低碳钢所用焊丝为直径1.2 mm的ER50-6，基板为Q235B钢板，保护气为95%的Ar和5%的CO2混合气，流量15 L/min，电流125 A，电压19 V，焊接速度7 mm/s，使用RS485通讯打印45层。铝镁合金所用焊丝为直径1.2 mm的ER5356，基板为5052铝合金板，保护气为Ar，流量15 L/min，电流150 A，电压24 V，焊接速度10 mm/s，采用双脉冲模式，固定层间冷却时间50 s，使用模拟量控制打印60层。

图7 零件打印

图8是在铝镁合金零件堆积期间，电流电压采集系统所采集到的焊接电压电流，可见电压与电流的波形准确而清晰。

图8 铝镁合金堆积期间对应双脉冲电流与电压波形

4 结论

本文将老旧数控铣床改造为电弧增材制造机床，系统研究了基于PMAC Clipper卡、S7-200 Smart PLC、交换机及计算机的电气控制，得到以下结论：

（1）设计了具有保护功能的M11起弧与M12熄弧代码，得到了较好的实际效果。

（2）S7-200 Smart与焊机间使用模拟量控制较为简单、精度略低，易实现与维护；S7-200 Smart与焊机间使用RS485通讯，技术复杂、精度很高，可设置焊机内部参数较多，程序可维护性较差。

（3）使用RS485通讯和模拟量控制分别制备了外观良好的低碳钢零件和铝镁合金零件，均满足使用要求，使用基于HCNR201双通道电压采集模块反应迅速、隔离效果好，所采集波形准确而清晰。