董 硯，孟慶江，王 睿

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

激光焊機焊接對中伺服控制系統(tǒng)

董 硯，孟慶江，王 睿

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

介紹了薄板生產(chǎn)線LW21L激光焊機對中伺服系統(tǒng)的工藝及其控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用西門子公司S7-400和PROFIBUS-3DP通信技術(shù)，實現(xiàn)了激光焊在連續(xù)薄板生產(chǎn)線過程中的自動控制，提出了一種對中伺服控制方法，即自動定位控制。焊機中還用到了相對位置定位控制和絕對位置定位控制，相對位置定位控制主要應(yīng)用于維護模式中，絕對位置定位控制主要應(yīng)用于自動和半自動控制系統(tǒng)的自動執(zhí)行焊接過程中，有效克服了激光焊機在焊接對中過程中產(chǎn)生的誤差，大大提高了激光焊機的焊接準確度。該系統(tǒng)還實現(xiàn)了焊接的自動化及故障處理功能。

激光焊機；對中；PLC；控制系統(tǒng)

0 前言

薄板生產(chǎn)線激光焊機是一個集機械、電氣、液壓、光學(xué)、計算機、控制等多個學(xué)科技術(shù)相互交融的復(fù)雜系統(tǒng)，可滿足連續(xù)涂鍍線、連續(xù)退火線、重卷線、檢查線、彩涂線等場合對高質(zhì)量鋼帶焊接的需要。

激光焊接是激光加工技術(shù)的重要應(yīng)用之一，激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率、高速度的焊接方法，受到人們的關(guān)注。其中激光焊機對中系統(tǒng)的精確度決定了焊縫質(zhì)量的優(yōu)劣。目前，國內(nèi)激光焊接技術(shù)逐步成熟，已從實驗室逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，包括汽車、鋼鐵、航空航天、電子工業(yè)和塑料等領(lǐng)域[1]。

該對中系統(tǒng)采用以西門子公司S7-400為核心的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了激光焊接的智能精確控制，從而提高了生產(chǎn)效率。

1 對中系統(tǒng)工藝流程

研究激光焊機焊接對中工藝，首先要了解整個焊接工藝流程，由于焊接過程是一個復(fù)雜的控制過程，對控制流程的要求極為嚴格，完成一個完整的焊接過程應(yīng)遵循主時序圖。其中主要包括帶頭準備、帶尾準備、帶鋼調(diào)整、焊接準備、完成焊接。

在帶頭帶尾準備過程中，包括主夾夾緊，磁尺測量確定中心線，活套抬起，完成帶鋼中心線的調(diào)整，即完成一次初步對中，其作用是使兩帶鋼中心基本在一直線上，便于下一步精細調(diào)整。

在帶鋼調(diào)整過程中，包括工作側(cè)帶鋼和驅(qū)動側(cè)帶鋼這兩個方向的間隙調(diào)整，以及平行于鋼板方向鋼板中心層的對齊和垂直鋼板方向帶鋼的調(diào)整，目的是使兩帶鋼在水平方向和垂直方向都在同一平面上，使得焊接更加精準。

激光焊接對中包括帶頭對中、帶尾對中等，對中工藝流程與焊接過程的各個工藝流程密切相關(guān)，而且與硬件結(jié)構(gòu)包括人機界面、PIOFIBUS現(xiàn)場總線、PLC、觸摸屏控制操作臺等多個子系統(tǒng)有關(guān)，是一個復(fù)雜的運動控制過程，為了更好地研究對中系統(tǒng)，下面以帶頭對中為例，說明其工藝流程，如圖1所示。

圖1 帶頭對中流程

其中1號和2號夾具表示靠近中心夾具的兩個夾具，檢測頭1和2表示位于帶鋼兩側(cè)的兩個磁尺，作用是測量帶鋼邊緣到中心線的距離，參考位置為生產(chǎn)線中心線，圖1中參考位置計算是按照下面公式來完成：設(shè)帶鋼一個邊緣距離參考位中心線的距離為d1，另一個邊緣距離參考位中心線距離為d2，則帶鋼中心線距離參考位中心線為

然后利用伺服電機帶動絲桿調(diào)整帶鋼中心線到參考中心線距離，移動距離為(d1+d2)／2。

2 對中伺服控制方法

以激光焊機的出口對中為例，分析焊機的伺服控制方法。

焊機的對中系統(tǒng)由位置檢測、旋轉(zhuǎn)夾鉗、移動框架組成，如圖2所示。移動框架A、B分別由伺服電機A和伺服電機B控制，使其相對于帶鋼中心線做垂直運動，A1、A2、B1、B2是線性絕對值編碼器的位置檢測點，當(dāng)開始檢測的時候由氣缸帶動檢測點向帶鋼方向運動，直到突出的檢測點接觸到帶鋼，此時線性編碼器輸出的數(shù)值就是帶鋼邊緣的位置信號，兩個旋轉(zhuǎn)夾鉗負責(zé)固定加緊帶鋼，在框架移動的時候帶動帶鋼運動，同時，每個檢測點都會跟隨帶鋼運動，將當(dāng)前帶鋼位置即時反饋給PLC。

圖2 出口對中系統(tǒng)

在焊機進行對中的時候，首先檢測帶鋼的實際位置，由于編碼器反饋的數(shù)值是一個雙整數(shù)，并且每一個單位為10 μ m，在進入PLC后要先對其進行整型，進行位置比較，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，虛框部分是檢測時帶鋼中心線與實際中線的偏移量，線性編碼器輸出量在PLC內(nèi)部由雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，此時每個單位的距離是10 μ m，考慮到設(shè)備在安裝的過程中，有可能安裝位置不對稱，會引起中心線的偏移，所以，對中心線位置進行了補償，之后將兩個線性編碼器檢測到數(shù)值相減再除以2，得到了帶鋼中心線的偏移量，附加到編碼器反饋的當(dāng)前位置中，此時調(diào)整好信號極性(根據(jù)線性編碼器反饋量減法關(guān)系)，將計算好的位置傳送給變頻器，附加給定反映的是當(dāng)前帶鋼的偏移量，隨著電機的調(diào)整將會逐漸減少，直到為零，此時編碼器反饋的位置即是電機調(diào)整好的位置，這就完成了對中過程。

上面所述是焊機的對中自動定位控制，焊機中還用到了相對位置定位控制和絕對位置定位控制，相對位置定位控制主要應(yīng)用于維護模式中，作用是微調(diào)設(shè)備位置，如表1所示。

表1 運行程序段表

在圖3中序號為1的程序段就是相對定位程序段，當(dāng)運行此程序段的時候，設(shè)備位置在相對的位置上移動10個單位，方向由設(shè)定的正負值來選擇，而絕對位置定位控制主要應(yīng)用于自動和半自動控制系統(tǒng)自動執(zhí)行焊接過程中，例如在自動模式下進行到帶尾剪切，焊機的出口對中和出口夾鉗動作已經(jīng)完成，焊機進入到剪切階段，此時電動機帶動光梁的進給機構(gòu)運動來完成剪切，在這個過程中，光梁帶動剪切頭快速移動到帶鋼的邊緣位置，完成了剪切的準備工作后再以剪切速度開始剪切，其中位置等參數(shù)由人機界面設(shè)置PLC運算后生成，這一系列動作就是絕對位置定位控制，如圖4所示。

圖4 絕對位置定位控制

絕對定位控制所用到的程序段只需要設(shè)置移動方向和速度，其他都由PLC控制。在圖4中，控制面板或PLC內(nèi)部允許一項動作開始后，在PLC內(nèi)部開始進行計算，首先將目標(biāo)值與當(dāng)前的位置進行比較，得出需要運行的方向及距離，然后選擇相應(yīng)的程序段號碼傳送給變頻器；在速度方面，以百分比的形式來進行傳送，對應(yīng)著變頻器的控制字倍率一項，100%的速度對應(yīng)程序段中設(shè)置的速度值，用速度倍率與程序段的速度相乘就得到了當(dāng)前需要運行的速度；在變頻器內(nèi)部的位置限制功能可以防止在運行時頂?shù)浇K端而造成設(shè)備損壞；最后由變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出到電機來拖動設(shè)備動作，直到目標(biāo)值與實際值相同，絕對位置定位過程結(jié)束[2]。

3 系統(tǒng)硬件組成

焊機對中伺服控制系統(tǒng)采用西門子公司S7-400作為控制器，焊機對中伺服控制系統(tǒng)是由焊機PLC、SIMODRIVE 611U控制器和伺服電機等共同組成的伺服控制系統(tǒng)，其中611U控制器負責(zé)實現(xiàn)本地的位置或者速度閉環(huán)控制，同時與PLC之間進行狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的高速傳遞，因此，PLC與611U控制器之間的數(shù)據(jù)傳遞構(gòu)成了電機伺服控制系統(tǒng)的核心，其傳輸形式有非循環(huán)傳輸和循環(huán)傳輸兩種，前者用于對611U控制器進行初始化參數(shù)設(shè)置，后者用于實現(xiàn)實時監(jiān)控611U控制器的動態(tài)[3]。

PLC控制器采用CPU414-3DP可編程控制器，是整個控制系統(tǒng)的核心，編程人員根據(jù)工藝和控制要求運用相應(yīng)的CFC、GRAPH等高級編程語言，在PLC開發(fā)軟件STEP7 MANAGER V5.4上編制相應(yīng)的程序，通過PC／MPI適配器和RS-232通信電纜下載到PLC中，實現(xiàn)相應(yīng)的控制。通信系統(tǒng)采用PROFIBUS-3DP通信網(wǎng)絡(luò)進行通信，一條是連接上位機用于現(xiàn)場監(jiān)控的WINCC的通信DP，一條是連接著七個變頻器來控制14臺伺服電機實現(xiàn)機架、焊機、壓輪等在x、y、z三個方向移動的DP；第三條是連接有8個ET200分布式I／O從站和8個利用磁致伸縮原理用于鋼板中心線對中的磁尺的DP，如圖5所示。

4 故障處理

激光焊機所在的薄板生產(chǎn)線規(guī)模龐大，設(shè)備復(fù)雜，工藝流程緊湊，一旦發(fā)生故障將會造成系統(tǒng)無法正常運轉(zhuǎn)，技術(shù)人員需要花費很長時間通過查詢Step7程序來排查故障，對生產(chǎn)造成很大影響。因此薄板生產(chǎn)線對中系統(tǒng)設(shè)有故障報警功能，故障報警在S7-400PLC上通過step7語言實現(xiàn)。在生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)通過I／O模塊傳遞給PLC，當(dāng)激光焊機發(fā)生故障時，程序會對當(dāng)前設(shè)備情況進行綜合分析，找出故障發(fā)生點并產(chǎn)生故障代碼，通過以太網(wǎng)傳送給人機界面工作站的設(shè)備實時故障報警管理程序，在人機界面上得到故障代碼值，查詢故障信息庫，提取庫中代碼對應(yīng)的故障信息說明，并在人機界面底部發(fā)出警報，在圖形界面上彈出窗口顯示[4]。

圖5 激光焊機對中控制系統(tǒng)組成

5 結(jié)論

隨著激光焊接技術(shù)日趨成熟，國內(nèi)新建的幾條高技術(shù)生產(chǎn)線基本都采用了激光焊機，如首鋼順義冷軋生產(chǎn)線、邯鋼五機架冷軋生產(chǎn)線等，都實現(xiàn)了焊接對中的自動控制[5]。通過對激光焊機的進一步分析與研究，掌握激光焊機關(guān)鍵技術(shù)，為研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光焊機提供了必要的技術(shù)條件。

[1]杭世聰，肖榮詩.論大功率激光焊接的研究及應(yīng)用[J].電焊機，1991，21(1)：12-14.

[2]蔣力培.焊接機器人自動跟蹤系統(tǒng)研究[J].電焊機，2009，39(1)：39-44.

[3]辛立明.基于PLC的激光拼焊生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2008[出版日期不詳].

[4]董 硯，潘洪瑞，王 睿，等.基于PLC的閃光焊機控制系統(tǒng)[J].冶金自動化，2009[出版日期不詳].

[5]蘇冬艷.唐鋼冷軋廠一期酸洗線自動控制系統(tǒng)[J].自動化儀表，2006(12)：27-28.

Welding centering servo-control system of laser welder

DONG Yan，MENG Qing-jiang，WANG Rui
(Hebei University of Technology，School of control science and Engineering，Tianjin 300130，China)

Technological process of servo system and control system for LW21L type laser welder in Cold rolled sheet production line are introduced in this paper.The system is structured of S7-400 and PROFIBUS-3DP communication mode，achieving automatic control through the cold rolled continuous sheet production line，a method of servo control is presented，called automatic positioning control.Welder also used the relative position and absolute location in the positioning control，relative position of the positioning control is mainly used in maintaining mode，the absolute position of positioning control is mainly used in automatic and semi-automatic control system，it may automatically perform the welding process，and effectively overcome the laser welder error where generated in the welding process，the accuracy of the laser welder is greatly improved.The automation and fault treatment function of welding process are realized in the system.

laser welder；centering；PLC；control system

TG456.7

A

1001-2303(2011)09-0030-04

2011-03-24

河北省科技支撐計劃項目(07212114D)

董 硯(1973—)，女，黑龍江望奎人，副教授，博士，主要從事焊接過程控制與現(xiàn)代傳動技術(shù)的研究。