雙焊槍自動(dòng)焊接機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 自動(dòng)焊接機(jī)硬件構(gòu)成

　　要完成對(duì)T型管相貫線的焊接，除了要求焊槍具有平動(dòng)功能，即焊槍的端瞄位置在允許的誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤相貫線焊縫外，還要求焊槍具有擺動(dòng)的功能，保證焊槍軸線在焊接過(guò)程中始終與相貫線焊縫的切線方向保持一定角度。同時(shí)，在實(shí)際散熱器T型管相貫線的焊接中，還存在以下問(wèn)題：

　　(1)由于要進(jìn)行多T型管相貫線的連續(xù)焊接，管與管之間的空間有限，單焊槍難以對(duì)T型管相貫線1次完全施焊，而采用分段分時(shí)焊接方式會(huì)由于溫度分布不均產(chǎn)生較大的受熱變形，嚴(yán)重影響工件的質(zhì)量。

　　(2)由于在焊接過(guò)程中又存在鋁翼等障礙，為避免發(fā)生焊槍頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與鋁翼產(chǎn)生干涉，對(duì)焊槍槍頭在垂直平面(XOZ平面)的抬頭度也提出了要求。

　　針對(duì)這些問(wèn)題，在該焊接數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采取了以下措施：

　　(1)采用雙焊槍對(duì)焊的方式。控制兩把焊槍同時(shí)相向運(yùn)動(dòng)，對(duì)相貫線進(jìn)行1次性的完全焊接,每把焊槍只需完成半個(gè)T型管相貫線的焊接。

　　(2)使用6K4多軸運(yùn)動(dòng)控制器的1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口的輸出脈沖控制兩把焊槍同步運(yùn)動(dòng)。實(shí)時(shí)調(diào)整兩把焊槍相對(duì)焊接工作區(qū)域的傾斜角度,以保證良好的焊接質(zhì)量。

　　(3)控制焊槍運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力軸輸出端通過(guò)固定孔為圓弧狀且60°可調(diào)的圓盤(pán)法蘭和焊槍固定在一起，從而使焊槍在Z軸方向上抬頭度在60°范圍內(nèi)可調(diào)，方便用戶(hù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在焊接過(guò)程中避開(kāi)鋁翼障礙。

　　(4)焊接前，對(duì)焊槍頭進(jìn)行調(diào)整，使焊絲端瞄位置（即焊絲軸線的延長(zhǎng)線與工件表面的交點(diǎn),以下簡(jiǎn)稱(chēng)焊槍頭部）其在焊接過(guò)程中始終處在焊槍的回轉(zhuǎn)中心線上。消除在焊接運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因焊槍頭部不在焊槍的回轉(zhuǎn)中心線上所造成的焊接質(zhì)量問(wèn)題。

　　但是在焊槍長(zhǎng)度固定且要進(jìn)行雙焊槍同時(shí)焊接的情況下，一般需要五軸控制器才能實(shí)現(xiàn)。而在本焊接機(jī)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種新型的控制結(jié)構(gòu)：采用了6K4四軸運(yùn)動(dòng)控制器，其中三軸實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 3個(gè)方向上的插補(bǔ)，完成焊接曲線的擬合。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)焊槍在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)擺動(dòng)，利用6K4控制器的1個(gè)輸出軸來(lái)同時(shí)控制兩把焊槍?zhuān)ê笜尶刂撇捎貌竭M(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)），在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，又保證了雙焊槍擺動(dòng)的同步性，提高了焊接精度。

　　該數(shù)控系統(tǒng)采用2級(jí)控制，上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），下位機(jī)采用6K4多軸運(yùn)動(dòng)控制器和MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)并行運(yùn)行的模式。整個(gè)焊接數(shù)控系統(tǒng)由5個(gè)軸組成。機(jī)床坐標(biāo)系的建立如圖1所示，分別是控制工件輸送臺(tái)移動(dòng)的X軸，控制焊槍進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的Y軸，控制焊槍垂直移動(dòng)的Z軸，以及控制雙焊槍擺動(dòng)的C軸。其中C軸細(xì)分為C1軸和C2軸，用來(lái)分別控制2個(gè)焊槍的擺動(dòng)。其硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

　　工控機(jī)選用的是華北工控的型號(hào)為RWS-856A的工控一體化機(jī)。RWS-856A是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的，配置有高性能的控制運(yùn)算平臺(tái)、低功耗的高性能工業(yè)主板、15英寸高亮帶電阻式觸摸面板的液晶顯示屏，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能及人機(jī)交互功能，如可實(shí)現(xiàn)圖形顯示、焊接參數(shù)設(shè)置、在線調(diào)試、數(shù)字焊機(jī)參數(shù)顯示等。

　　控制器選用parker公司生產(chǎn)的6K4四軸運(yùn)動(dòng)控制器。6k4是一個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制器，它能夠控制1~4個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)和伺服器的任意組合。另外，它還提供了8路限位開(kāi)關(guān)（每軸2路）輸入、4路原點(diǎn)開(kāi)關(guān)（每軸1路)輸入、4路通用數(shù)字量輸出接口、8路通用數(shù)字量輸入接口，RS232、RS485和以太網(wǎng)接口RJ45 3種通訊接口以及容量達(dá)300 KB的程序存儲(chǔ)器[4]。在本研究中，使用6K4控制器的1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口同時(shí)驅(qū)動(dòng)2套步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2個(gè)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入端CP、方向信號(hào)輸入端CW分別與控制器的DRIVES端口的脈沖信號(hào)端STEP和方向信號(hào)端DIRECTION相連，在保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),使2個(gè)步進(jìn)電機(jī)在低速情況下具有較高的運(yùn)動(dòng)同步性。

　　動(dòng)力系統(tǒng)選用交流伺服系統(tǒng)（X、Y、Z）和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（C1和C2）。交流伺服系統(tǒng)是由交流伺服放大器、交流伺服電機(jī)和光電編碼器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制精度較高。因此，進(jìn)行T型管相貫線軌跡擬合的X、Y、Z三軸采用安川的交流伺服系統(tǒng)，以確?？臻g曲線的準(zhǔn)確擬合。而旋轉(zhuǎn)軸是為了保證良好的焊接質(zhì)量，為焊接工藝的要求所添加的,它只需控制焊槍在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做位置跟隨運(yùn)動(dòng)。所以控制精度要求不高，又考慮到控制成本的要求，選用了由23H280-01EA型的混合式步進(jìn)電機(jī)和AKS230型的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　傳感器選擇的是KEYENCE公司的光纖傳感器,其主模塊為FS-V31, 纜線NPN輸出,響應(yīng)時(shí)間193 μs~16.7 ms。為了提高焊接效率，焊接過(guò)程采用變速控制方式，并由光纖傳感器檢測(cè)焊接工件的立管邊沿，以確定工件是否到達(dá)焊接工作區(qū)域。在工件沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到焊接工作區(qū)域時(shí)，輸送臺(tái)帶動(dòng)焊接件高速運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)工作區(qū)域，安裝在焊槍座上的光纖傳感器檢測(cè)到焊接工件的立管邊沿時(shí)（即橫管和立管的T型相貫線的起焊點(diǎn)位置），輸送臺(tái)帶動(dòng)焊接件執(zhí)行低速注冊(cè)運(yùn)動(dòng)，以補(bǔ)償傳感器檢測(cè)位置和焊槍頭部位置之間在X軸方向上所存在的位置偏差，確保在焊機(jī)開(kāi)始起弧焊接時(shí)焊槍頭部位于T型相貫線的起焊點(diǎn)位置。

　　焊接電源選用Pulse MIG-350Y/YL型的逆變式脈沖弧焊電源。它是一種使用Ar、CO2或者混合氣體進(jìn)行保護(hù)半自動(dòng)數(shù)字化電焊電源。本系統(tǒng)使用混合氣體進(jìn)行MIG焊接。熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）的主要優(yōu)點(diǎn)是可以方便地進(jìn)行各種位置的焊接，同時(shí)也具有焊接速度較快、熔敷率高等優(yōu)點(diǎn)，因此適合用于自動(dòng)化焊接。另外，該焊接電源提供了RS485通信端口，方便6K4控制器對(duì)其進(jìn)行直接控制，而無(wú)需人工操作。

2 自動(dòng)焊接機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)控制系統(tǒng)軟件主要由三大模塊組成：上位機(jī)IPC管理模塊、通信模塊、下位機(jī)控制模塊。其中，上位機(jī)IPC的應(yīng)用軟件的主要任務(wù)是作為整個(gè)控制系統(tǒng)的后臺(tái)管理模塊，完成一些實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的任務(wù)和一些多任務(wù)協(xié)調(diào)方面的工作。而對(duì)于各軸伺服插補(bǔ)運(yùn)算、位置跟隨、脈沖輸出控制、I/O點(diǎn)的檢測(cè)、系統(tǒng)的順序上電、控制狀態(tài)顯示等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的任務(wù)，則由下位機(jī)6K4四軸運(yùn)動(dòng)控制器和MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成,其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

　　2.1 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)應(yīng)用程序的主要作用是將數(shù)控系統(tǒng)的操作界面展示在屏幕上方便用戶(hù)的操作，這是數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)很重要的一部分。本研究利用Visual Basic 6.0可視化開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)了自動(dòng)焊接機(jī)人機(jī)界面。在數(shù)控系統(tǒng)工作時(shí)，用戶(hù)只需輸入簡(jiǎn)單的幾個(gè)參數(shù)，就可以自動(dòng)完成散熱器T型管相貫線的焊接。這大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。上位機(jī)應(yīng)用程序主界面如圖4所示。

　　經(jīng)過(guò)對(duì)自動(dòng)焊接機(jī)硬件系統(tǒng)和用戶(hù)需求的分析，系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用程序主要包括以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置與顯示、點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫(kù)生成及下載、原點(diǎn)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等模塊。

　　(1)系統(tǒng)初始化：該模塊主要為用戶(hù)提供一個(gè)交互性好的人機(jī)界面。在這個(gè)界面中，用戶(hù)可以方便地進(jìn)行各種操作。數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先運(yùn)行此模塊，完成用戶(hù)登錄、建立上位機(jī)與6K4運(yùn)動(dòng)控制器的連接，對(duì)有關(guān)指示器設(shè)置相應(yīng)的工作狀態(tài)等工作。

　　(2)參數(shù)設(shè)置與顯示：針對(duì)散熱器T型管相貫線數(shù)學(xué)模型的生成及焊接點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫(kù)生成所需的各種參數(shù)，設(shè)置了如下人機(jī)接口：橫管直徑、立管直徑、焊接運(yùn)動(dòng)線速度、插補(bǔ)周期、兩把焊槍的擺角及擺動(dòng)速度。用戶(hù)可以通過(guò)數(shù)字軟鍵盤(pán)和帶觸摸屏的工控一體化機(jī)來(lái)方便地設(shè)置各種參數(shù)。在本模塊中，采用直線插補(bǔ)方法對(duì)焊接曲線進(jìn)行直線段擬合，完成上位機(jī)的對(duì)曲線的粗插補(bǔ)，并生成相應(yīng)的焊接點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫(kù)，將其下載到6K4運(yùn)動(dòng)控制器中，以供運(yùn)動(dòng)程序調(diào)用。另外，在該模塊中，還設(shè)置了焊接電源參數(shù)顯示界面。上位機(jī)系統(tǒng)接收來(lái)自6K4控制器的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、起弧電流等。

　　(3)點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫(kù)生成及下載：在菜單欄中的工具選項(xiàng)下可以打開(kāi)這個(gè)子菜單。點(diǎn)擊生成按鈕，程序會(huì)自動(dòng)生成焊接所需的各軸的焊接點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫(kù)，并在屏幕上顯示出來(lái)。然后點(diǎn)擊下載按鈕，則可將生成的點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫(kù)下載到6K4控制器中，當(dāng)下載完成時(shí)，提示用戶(hù)下載成功，可以返回主界面，完成下一步工作。

　　(4)原點(diǎn)設(shè)置模塊：通過(guò)機(jī)床面板上的手動(dòng)控制按鈕，分別對(duì)Y軸、Z軸、C軸坐標(biāo)位置進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置，使兩把焊槍均到達(dá)焊接起弧位置，并通過(guò)機(jī)床面板上的確定按鈕保存當(dāng)前設(shè)定的焊槍在焊接起弧位置時(shí)各軸的相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)，以方便工件的連續(xù)自動(dòng)焊接。硬件原點(diǎn)按鈕是使焊槍回到由各軸正負(fù)限位開(kāi)關(guān)及原位開(kāi)關(guān)（由接近開(kāi)關(guān)組成）決定的硬件安裝原點(diǎn)位置。

　　(5)系統(tǒng)狀態(tài)顯示：通過(guò)以太網(wǎng)接口，上位機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)API函數(shù)訪問(wèn)6K4運(yùn)動(dòng)控制器，讀取各軸的當(dāng)前坐標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)速度，并在界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

　　2.2 下位機(jī)運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　T型管相貫線的粗插補(bǔ)由上位機(jī)完成，精插補(bǔ)及各軸聯(lián)動(dòng)控制由運(yùn)動(dòng)控制器6K4來(lái)完成。6K系列多軸運(yùn)動(dòng)控制器是建立在Compumotor的6000編程語(yǔ)言可靠平臺(tái)之上的一款高性能多軸控制器,其特點(diǎn)是：電子凸輪，多任務(wù)處理，PLC掃描模式，可編程限位開(kāi)關(guān)（PLS）功能，仿形和教學(xué)模式等。而且6000語(yǔ)言具有與Basic語(yǔ)言相似的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單易用。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，6000語(yǔ)言運(yùn)動(dòng)程序主要功能是調(diào)用焊接點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行焊接曲線的精插補(bǔ)，以完成散熱器T型管相貫線的精確擬合。同時(shí)，控制兩把焊槍在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做位置跟隨運(yùn)動(dòng)，跟隨X軸做相應(yīng)的擺動(dòng)，以實(shí)時(shí)保持焊槍相對(duì)YOZ平面的合理夾角。其中，兩把焊槍是由C軸脈沖來(lái)控制的。其主程序流程圖如圖5所示。

　　本文基于PC機(jī)和6K4運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)了用于散熱器T型管相貫線焊接的自動(dòng)焊接機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，采用了 “PC+多軸控制器”的典型控制結(jié)構(gòu)，并針對(duì)自動(dòng)焊接機(jī)獨(dú)特的雙焊槍結(jié)構(gòu)，提出了一種新型的經(jīng)濟(jì)型控制結(jié)構(gòu)：兩套步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用并聯(lián)方式與6K4運(yùn)動(dòng)控制器的1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口相連，由它發(fā)出的同一組驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)；在軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)用戶(hù)需求及人機(jī)交互的特點(diǎn)，采用Visual Basic 6.0 設(shè)計(jì)了該數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面。實(shí)際運(yùn)行證明，該自動(dòng)焊接機(jī)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，較好地滿(mǎn)足了用戶(hù)的設(shè)計(jì)需求。