任艷超，武建新

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

棱管法蘭自動(dòng)焊接機(jī)用于棱管與法蘭對(duì)接的焊接，其中焊槍又是棱管法蘭焊接機(jī)的重要組成部分。焊槍運(yùn)動(dòng)在焊接過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，良好的焊槍運(yùn)動(dòng)控制對(duì)焊槍順利完成工作至關(guān)重要。在自動(dòng)半自動(dòng)焊接過(guò)程中，焊槍運(yùn)動(dòng)對(duì)焊縫質(zhì)量的提高與焊接效率的提升有著明顯的促進(jìn)作用。在焊接過(guò)程中，良好的焊槍運(yùn)動(dòng)可以使焊縫的寬度增加，不均勻的焊縫得到改觀，焊縫表面的美觀度和焊縫的金屬力學(xué)性能得到提高［1］。

1 焊槍運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的焊槍運(yùn)動(dòng)的模型選用三角型運(yùn)動(dòng)軌跡，在焊槍運(yùn)動(dòng)時(shí)，主軸一直運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)焊槍停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)。焊槍運(yùn)行軌跡如圖1所示，其中L為運(yùn)動(dòng)擺幅，T為運(yùn)動(dòng)周期時(shí)間。

圖1 焊槍運(yùn)行軌跡

運(yùn)動(dòng)控制是對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)果的控制，運(yùn)動(dòng)控制卡就是一種能實(shí)現(xiàn)這種功能的智能控制裝置。本文使用GALIL公司生產(chǎn)的DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)控制焊槍運(yùn)動(dòng)的擺幅、擺頻以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的停滯時(shí)間等參數(shù)［2］。DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡具有8路輸入與輸出、編碼器反饋、步進(jìn)電機(jī)指令、通信以及自動(dòng)PID調(diào)節(jié)等功能，使用時(shí)需要插入到計(jì)算機(jī)的PCI總線。

1.1 焊槍運(yùn)動(dòng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊槍的最終運(yùn)動(dòng)是利用驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)來(lái)完成，DMC－1842的作用是根據(jù)預(yù)先計(jì)算的運(yùn)動(dòng)位置程序控制驅(qū)動(dòng)器，然后驅(qū)動(dòng)器控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)的相對(duì)編碼器再把運(yùn)動(dòng)結(jié)果值返回到伺服驅(qū)動(dòng)器，如此就構(gòu)成了半閉環(huán)控制系統(tǒng)。設(shè)置驅(qū)動(dòng)器面板的各種選項(xiàng)完成PID算法器自動(dòng)控制運(yùn)算［3］。半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)焊接對(duì)焊槍運(yùn)動(dòng)裝置要求響應(yīng)迅速、位置準(zhǔn)確的原則選擇小慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)；根據(jù)焊槍運(yùn)動(dòng)裝置的慣量、動(dòng)力大小的要求選擇交流電動(dòng)機(jī)功率為400W。

1.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡使用計(jì)算機(jī)的PCI接口與PC機(jī)通信，PCI是當(dāng)前計(jì)算機(jī)中應(yīng)用最多的一種通信接口，市場(chǎng)上的大部分計(jì)算機(jī)主板都帶有這種接口。DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡與計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI通信后，還需要利用與DMC－1842配套的端子板與驅(qū)動(dòng)器鏈接。從某種意義上說(shuō)，端子板的性能在很大程度上決定了DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡性能的發(fā)揮。與DMC－1842相配合的端子板的型號(hào)是ICM－1900ID。ICM－1900ID端子板與驅(qū)動(dòng)器之間的通信電路構(gòu)成如圖3所示 。其中，17為地線，可以減少信號(hào)干擾；31～36為驅(qū)動(dòng)器的編碼器向接口板輸出的位置反饋線路；27，12，28，13為端子板向驅(qū)動(dòng)器輸入的位置信號(hào)；7，23為驅(qū)動(dòng)器的伺服使能信號(hào)。

伺服驅(qū)動(dòng)器有3種運(yùn)行控制模式：位置控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式和速度控制模式，本次設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置要求比較高，對(duì)響應(yīng)速度與實(shí)時(shí)性要求不高，所以用伺服器的位置控制模式。DMC－1842控制運(yùn)動(dòng)時(shí)以脈沖的頻率控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以脈沖的總個(gè)數(shù)控制運(yùn)轉(zhuǎn)的角度。

圖3 端子板與驅(qū)動(dòng)器通信電路圖

1.3 焊接控制過(guò)程與焊槍結(jié)構(gòu)

焊接時(shí)，使棱管處于水平位置，焊槍在棱管上方的最大垂直距離為焊接的起始點(diǎn)即焊接原點(diǎn)。當(dāng)DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡給電的一瞬間，通過(guò)＃AUTO字段程序的作用使焊槍運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)，系統(tǒng)回原點(diǎn)動(dòng)作由回原點(diǎn)程序控制。之后作為開(kāi)始焊接開(kāi)關(guān)的輸入通道1接通，焊槍向棱管運(yùn)動(dòng)。在與焊槍水平的位置處設(shè)置了一個(gè)二線制的接近開(kāi)關(guān)作為極限開(kāi)關(guān)使用，此二線開(kāi)關(guān)選用常開(kāi)高電平輸入有效，在接近開(kāi)關(guān)與棱管距離達(dá)到接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離時(shí)，執(zhí)行＃LIMSWI中的程序。焊機(jī)的焊槍處于棱管任一平面的中間位置時(shí)，在焊槍中開(kāi)始送絲與輸出CO2保護(hù)氣體，由于本次設(shè)計(jì)的是棱管法蘭自動(dòng)焊接，因此棱管在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其表面的點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離是不一樣的，所以焊槍在焊接時(shí)不但要有往復(fù)運(yùn)動(dòng)還要有伴隨往復(fù)運(yùn)動(dòng)的上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)棱管的任一棱處在水平中心位置時(shí)，焊槍焊接時(shí)的焊頭與旋轉(zhuǎn)中心的距離最大；當(dāng)棱管的任一平面處在水平位置時(shí)，焊槍焊接時(shí)的焊頭與旋轉(zhuǎn)中心的距離最小。為滿足上述焊槍機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，設(shè)計(jì)的焊槍機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2 控制系統(tǒng)參數(shù)選擇

在自動(dòng)焊接過(guò)程中主軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度、送絲速度、焊槍的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng)速度，都是自動(dòng)焊接時(shí)的主要參數(shù)［4］。根據(jù)實(shí)驗(yàn)以及大量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，不同的焊絲用不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)才能達(dá)到良好的焊接效果。對(duì)于Φ1.0mm的焊絲，采用的焊接速度為300mm／min～400mm／min，擺幅為8mm，擺頻合理范圍在88次／min～12次／min時(shí)，焊接金屬飛濺最小，焊接質(zhì)量最好。當(dāng)六棱管的半徑為200mm時(shí)，棱管旋轉(zhuǎn)的最大距離差如圖5所示。

在確定了控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、送絲速度、焊槍的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)后，根據(jù)具體參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。GalilTools是DMC－1842的配套軟件，可以在安裝有微軟操作系統(tǒng)的個(gè)人電腦上運(yùn)行，通過(guò)PCI總線和DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行通信，本系統(tǒng)通過(guò)GalilTools對(duì)所寫(xiě)的程序進(jìn)行調(diào)試與測(cè)試。

圖4 焊槍機(jī)構(gòu)示意圖

圖5 棱管旋轉(zhuǎn)的最大距離差

＃AUTO標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡在一開(kāi)始上電時(shí)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行的自啟動(dòng)子程序，本次設(shè)計(jì)把需要預(yù)先處理的電機(jī)工作方式，電機(jī)平滑處理，PID算法中的比例增益KP、積分常數(shù)KI、微分常數(shù)KD以及原點(diǎn)復(fù)位等程序放在自啟動(dòng)子程序中。＃START標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)運(yùn)行中所進(jìn)行的動(dòng)作，本文把控制運(yùn)動(dòng)的程序放到此標(biāo)識(shí)符中。＃LIMSWI標(biāo)識(shí)符表示中斷發(fā)生時(shí)將要執(zhí)行的中斷子程序。本文使用接近開(kāi)關(guān)中斷，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)接近棱管時(shí)程序跳轉(zhuǎn)到＃LIMSWI程序段，執(zhí)行＃LIMSWI中的程序。在DMC－1842運(yùn)動(dòng)程序中以＃AUTO標(biāo)號(hào)開(kāi)始的程序會(huì)被自動(dòng)執(zhí)行，通過(guò)BP把程序保存在控制器的非易失存儲(chǔ)器中，在上電或復(fù)位時(shí)程序會(huì)被自動(dòng)執(zhí)行。此次自動(dòng)焊接的具體程序如下：

3 結(jié)語(yǔ)

本文以伺服電動(dòng)機(jī)為控制位置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)充分利用DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡在運(yùn)動(dòng)控制方面的優(yōu)勢(shì)，提出了一種全新的自動(dòng)焊接控制方法。該控制方法的特點(diǎn)是以DMC－1842運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，用端子板與伺服驅(qū)動(dòng)器聯(lián)接來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便。運(yùn)用DMC－1842自帶的軟件省去了用單片機(jī)、PLC做控制時(shí)自行設(shè)計(jì)軟件的過(guò)程，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，并且系統(tǒng)更穩(wěn)定高效，能夠很好地滿足現(xiàn)代焊接對(duì)焊槍運(yùn)動(dòng)的要求。

［1］ 譚蓉.全位置自動(dòng)焊焊槍移動(dòng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.焊接技術(shù)，2001（12）：32－33.

［2］ 付松玲，孫建青，馬曉君.PLC控制的焊槍運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制［J］.山東機(jī)械，2002（4）：23－24.

［3］ 曹俊芳，蔣立培，孫亞玲.管道全位置焊接機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)研制［J］.電焊機(jī)，2006（12）：11－12.

［4］ 王侯庭，劉書(shū)成，嵇德才，等.高速運(yùn)動(dòng)焊絲CO2焊接法［J］.焊接通訊，1981（8）：7－9.