高 強(qiáng)

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛地應(yīng)用。相關(guān)資料表明：目前，全世界正在從事各種行業(yè)工作的100多萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人中，焊接機(jī)器人的比例已經(jīng)達(dá)到45%以上[1]。焊接機(jī)器人不但充分發(fā)揮了自動(dòng)化生產(chǎn)高度穩(wěn)定的工作特性，保證批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，而且把操作工人從惡劣的勞動(dòng)環(huán)境解放出來(lái)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，國(guó)際上已有許多國(guó)家逐漸重視機(jī)器人在焊接過(guò)程中的作用。早在20世紀(jì)70年代，日本就已經(jīng)將點(diǎn)焊機(jī)器人引進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)線。隨后，弧焊機(jī)器人的使用開始有了明顯的增加[2]。20世紀(jì)80年代，機(jī)器人技術(shù)的研制得到了我國(guó)有關(guān)部門的高度重視，國(guó)家投入了大量資金對(duì)工業(yè)機(jī)器人主構(gòu)架、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量、傳感等成套技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。1985年哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功研制我國(guó)第一臺(tái)HY-l型焊接機(jī)器人，2000年國(guó)家863計(jì)劃“機(jī)器人應(yīng)用工程及其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”項(xiàng)目在長(zhǎng)春通過(guò)了驗(yàn)收。從此標(biāo)志我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人研發(fā)技術(shù)和生產(chǎn)應(yīng)用上完全具備了獨(dú)立的研發(fā)、生產(chǎn)能力，充分說(shuō)明我國(guó)工業(yè)機(jī)器人自主設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用的整體水平已經(jīng)躋身國(guó)際先進(jìn)行列[3]。

作為焊接技術(shù)的控制系統(tǒng)，目前多采用PC機(jī)、DSP、及 PLC作為控制的核心，而SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，能適用于自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，尤其在生產(chǎn)制造工程中的應(yīng)用。模塊化、無(wú)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于分布式的配置以及易于掌握等特點(diǎn)，使得S7-300在焊接自動(dòng)化領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)各種控制任務(wù)時(shí)，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案[4]。

1 基于S7-300的自動(dòng)焊接系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由S7-300PLC、焊槍、焊接平臺(tái)、激光傳感器、觸摸屏等組成，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分布式的，采用模塊化控制。工作時(shí)，激光傳感器采集焊槍的位置信息,通過(guò)PLC的輸入模塊傳遞給CPU，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的控制系統(tǒng)，分配系統(tǒng)指令，協(xié)調(diào)焊槍的工作。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 焊接系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

PLC的CPU是焊接機(jī)器人的核心部分，它的主要作用是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)境和激光傳感器檢測(cè)的信息，產(chǎn)生焊接參數(shù)，確定焊接機(jī)器人的各項(xiàng)控制參數(shù)，并把這些控制參數(shù)傳遞給系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，通過(guò)觸摸屏或相應(yīng)的按鈕控制焊接機(jī)器人的各項(xiàng)動(dòng)作，并通過(guò)分析各種反饋信息對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷。激光傳感器將檢測(cè)的焊槍對(duì)焊縫偏差，通過(guò)PLC的輸入模塊傳遞給CPU,CPU采用模糊PID分段產(chǎn)生糾正偏差控制信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)信號(hào)發(fā)出指令,控制焊槍步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作,進(jìn)行焊縫的糾偏,從而達(dá)到對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和焊槍實(shí)時(shí)控制。

2 自動(dòng)焊接系統(tǒng)的硬件組成

焊接機(jī)器人在工作過(guò)程中, PLC組成的系統(tǒng)通過(guò)對(duì)激光傳感器檢測(cè)信息，分析反饋，產(chǎn)生指令，有效控制焊接平臺(tái)和焊槍的精確運(yùn)動(dòng)；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間焊縫的自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤,并實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的在線調(diào)整、焊縫質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。因此，系統(tǒng)要求處理器具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力、較短的運(yùn)行周期及高度可靠的性能[3]。西門子公司的SIMATIC S7系列的CPU315-2DP能夠?qū)崿F(xiàn)高速計(jì)算能力,并且系統(tǒng)集成有專門控制步進(jìn)電機(jī)的程序，不但能完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理論的一些復(fù)雜算法,而且簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)和體積,提高了系統(tǒng)可靠性。本文以CPU315-2DP為核心控制器,負(fù)責(zé)整個(gè)控制過(guò)程中信息的運(yùn)算和處理,其整個(gè)控制過(guò)程的硬件組成部分如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件組成

觸摸屏采用西門子TP 177B型，TP 177B支持位圖，圖標(biāo)、背景圖畫和矢量圖形對(duì)象。可使用棒圖和趨勢(shì)圖，具有斷電保護(hù)功能，可很好的滿足系統(tǒng)的需要。

激光傳感器采用美國(guó)MTI MicrotrakII “高速”激光位移量測(cè)系統(tǒng)，分辨率：0.1μm 高速取樣頻率：40KHZ，MicrotrakII是采用三角量測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行位移、距離、振動(dòng)及厚度檢測(cè)的精密量測(cè)系統(tǒng)。它不受表面物體材質(zhì)、 顏色及發(fā)射光源的影響，應(yīng)用范圍極廣，可以很好的滿足了本系統(tǒng)的需要。

3 系統(tǒng)的軟件組成

基于S7-300的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以STEP-7和WinCC flexible為主，通過(guò)PC機(jī)編寫完程序后，通過(guò)RS232串口或者USB接口把程序下載到觸摸屏及PLC中，通過(guò)控制面板上的按鍵可以對(duì)焊槍進(jìn)行自如的控制，而觸摸屏實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和圖像及報(bào)警系統(tǒng)使得操作者更加清楚工作臺(tái)及焊槍的位置，使得控制更加的直觀和方便。研究開發(fā)的DQGC-I型自動(dòng)焊接機(jī)如圖3所示。

圖3 DQGC-I型自動(dòng)焊接機(jī)

4 結(jié)論

本文提出了基于S7-300的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，并據(jù)此研究開發(fā)了DQGC（電氣工程）-I型自動(dòng)焊接機(jī)，該機(jī)采用激光器、激光電源、內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、工作臺(tái)一體化設(shè)計(jì),具有性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀、操作方便、占地面積小等特點(diǎn)。通過(guò)觸摸式操作面板選擇激光輸出的功率、頻率和脈寬等參數(shù)。具有誤操作和超溫自動(dòng)保護(hù)功能。能夠較好的完成 各種焊接工作 ，可焊接圖形包括:點(diǎn)、直線、圓、圓弧、方形及不規(guī)則圖形等。具有反應(yīng)速度快，誤差較小等特點(diǎn)，較好的完成了實(shí)際工作的需要。

[1] 陳家本.日本發(fā)展造船焊接機(jī)器人的歷程和主要種類[J].焊接研究與發(fā)展,1997,6(1):22-23.

[2] 林尚揚(yáng).我國(guó)焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與焊接技術(shù)的發(fā)展[J].船舶工程,2005,27(z):15-24.

[3] 曹建樹,薛龍,李衛(wèi)清.基于DSP的焊縫自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2005,16(9): 767-768.

[4] 廖長(zhǎng)初.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1999:35.