摘 要：依據(jù)自動(dòng)焊接設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，對(duì)設(shè)備功能和動(dòng)作進(jìn)行分析，根據(jù)其特點(diǎn)對(duì)電氣自動(dòng)化控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。選擇合適的硬件模塊和電子元器件，編寫(xiě)可靠的軟件程序；設(shè)計(jì)自動(dòng)焊接設(shè)備和激光發(fā)生器的通訊接口連接方式，確保自動(dòng)焊接設(shè)備能安全、穩(wěn)定、可靠控制激光發(fā)生器進(jìn)行金屬零件的焊接。最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)將兩個(gè)“L型”金屬材料焊接成一個(gè)“口型”零件的功能，并應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；伺服控制系統(tǒng)；激光器；焊接；

中圖分類(lèi)號(hào)： TM571.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-04-00285-02

引言

金屬零件激光焊接工藝是將工控技術(shù)和激光焊接技術(shù)相結(jié)合，完成對(duì)不同材質(zhì)、厚度、形狀的金屬進(jìn)行焊接。由于應(yīng)用廣泛，使得焊接設(shè)備通用性大大降低，應(yīng)用于液晶顯示領(lǐng)域中的焊接設(shè)備更是少之又少。目前只有臺(tái)灣、日本和國(guó)內(nèi)少數(shù)自動(dòng)化廠家研制并開(kāi)發(fā)出自動(dòng)激光焊接專(zhuān)用設(shè)備。臺(tái)灣立意公司采用三菱伺服控制系統(tǒng)，臺(tái)灣孟晉公司采用德國(guó)庫(kù)卡機(jī)器人，都掌握設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自動(dòng)焊接設(shè)備，與激光器結(jié)合完成金屬零件批量焊接的技術(shù)。只是高額的設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用和低利潤(rùn)產(chǎn)品，不得不讓有一定研發(fā)能力的廠家進(jìn)行激光焊接設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造。

相對(duì)一百多萬(wàn)元人民幣的進(jìn)口專(zhuān)用設(shè)備，自制自動(dòng)激光焊接設(shè)備材料成本只有二十萬(wàn)元，采用雙伺服控制系統(tǒng)完成對(duì)激光器焊接加工頭的固定、調(diào)整和焊接功能，采用步進(jìn)電機(jī)控制移送機(jī)械手運(yùn)送金屬零件。為方便焊接工藝調(diào)整，還加入壓料，電磁鐵吸料、手動(dòng)調(diào)整等功能，使自行設(shè)計(jì)的設(shè)備自動(dòng)完成金屬零件焊接成為可能，并且焊接質(zhì)量和焊接效率都可以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)要求。

自動(dòng)激光焊接設(shè)備的功能是自動(dòng)將兩個(gè)“L型”金屬料片焊接成“口”料片，為下一沖壓工序做準(zhǔn)備，其目的在于提高原材料的利用率。原有沖壓工藝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生中間廢料，材料利用率只有30%左右；增加自動(dòng)焊接設(shè)備和焊接工藝后，沒(méi)有中間廢料產(chǎn)生，材料利用率提高到75%以上。

一、機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)激光焊接設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由積料架、移送機(jī)械手、治具板、激光焊接頭移送機(jī)構(gòu)以及機(jī)架五個(gè)部分組成，如圖1所示。積料架是將兩組“L”型金屬料堆疊起來(lái)，實(shí)現(xiàn)將料片逐步向上移送的功能；移送機(jī)械手主要由兩組帶有真空吸盤(pán)的手臂組成，通過(guò)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)氣缸完成將料片依次移送到焊接治具板上，并將焊接好的零件從治具板移出的功能；治具板主要功能是完成兩個(gè)“L”型料片的精確定位；治具板上方的激光焊接頭移送機(jī)構(gòu)在兩組伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)依次發(fā)出激光的焊接頭勻速運(yùn)動(dòng)，完成金屬零件的焊接功能。

二、電氣控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮到機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和一些特定功能，如激光焊接頭移送區(qū)必須采用精度較高的伺服電機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)，而移送機(jī)械手采用步進(jìn)電機(jī)和氣缸傳動(dòng)即可，同時(shí)還要考慮設(shè)備成本、維修難易程度、工作效率等多方面因素。根據(jù)該設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出電氣控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是電氣控制系統(tǒng)的核心。它的主要功能是獲得輸入端口開(kāi)關(guān)、按鈕等信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件處理，將輸出信號(hào)傳輸給外部中間繼電器，從而驅(qū)動(dòng)氣缸電磁閥、電磁鐵、真空發(fā)生器、步進(jìn)電機(jī)等外部負(fù)載，實(shí)現(xiàn)焊接金屬零件的功能。PLC還和兩個(gè)脈沖發(fā)生器通訊，再加上兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)以及外部傳感器組成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保伺服電機(jī)按照程序精確定位，使激光焊接頭勻速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到最佳焊接效果。

為了和激光發(fā)生器進(jìn)行控制通訊，PLC還通過(guò)一個(gè)小型PLC和激光器的并行輸入輸出接口通訊。其主要目的是，發(fā)出焊接指令的同時(shí)，得到激光器發(fā)出的反饋信號(hào)，確保激光器可以按照自動(dòng)激光焊接設(shè)備的要求發(fā)出激光，最終來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬原材料的焊接功能。

（一）電源設(shè)計(jì)。由于選用三菱伺服電機(jī)，輸出電源需要三相交流220V電源，因此配備一個(gè)功率為1kW三相380V變220V變壓器專(zhuān)供伺服控制系統(tǒng)使用。為了防止人身觸電，控制回路均采用低壓直流24V電源，同時(shí)控制電源還采用雙直流24V電源供電系統(tǒng)。中間繼電器、PLC外部傳感器、觸摸屏都由直流開(kāi)關(guān)電源供電；外部負(fù)載，如電磁閥、真空發(fā)生器、電吸鐵等，其驅(qū)動(dòng)電流稍大，且容易出現(xiàn)外部短路故障，因此采用全橋整流電源?？梢?jiàn)雙直流24V電源供給使得精密元器件穩(wěn)定工作的同時(shí)，還可以防止外部負(fù)載對(duì)其干擾的影響。

（二）伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。伺服控制系統(tǒng)由PLC、脈沖發(fā)生器（FX2n-1PG）、伺服驅(qū)動(dòng)器（MR-J2S-40A）和伺服電機(jī)（HC-KFS43）組成。脈沖發(fā)生器就是根據(jù)PLC的指令將正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)接收伺服驅(qū)動(dòng)器收到伺服電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)，從而確定伺服電機(jī)是否按照PLC發(fā)出的指令正常工作。

硬件配置完成后，還要根據(jù)需求對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)進(jìn)行必要的設(shè)置。首先確定脈沖指令單位，該系統(tǒng)選用滾珠絲杠給進(jìn)量為5mm。在程序中對(duì)脈沖發(fā)生器定義：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈激光加工頭移動(dòng)的距離是5000um；伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)量為4096（2的n次方，且最接近5000），因此脈沖指令單位就是5000/4096（即伺服驅(qū)動(dòng)器每發(fā)出一個(gè)脈沖，激光焊接頭前進(jìn)5000/4096um）。

其次計(jì)算電子齒輪比：電子齒輪比分為分母（CMX）和分子（CDV）兩項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，其設(shè)定范圍為：1/50

計(jì)算電子齒輪比計(jì)算公式：