任艷超，武建新

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

0 引言

棱管法蘭自動焊接機用于棱管與法蘭對接的焊接，其中焊槍又是棱管法蘭焊接機的重要組成部分。焊槍運動在焊接過程中發(fā)揮著重要作用，良好的焊槍運動控制對焊槍順利完成工作至關(guān)重要。在自動半自動焊接過程中，焊槍運動對焊縫質(zhì)量的提高與焊接效率的提升有著明顯的促進(jìn)作用。在焊接過程中，良好的焊槍運動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 焊槍運動系統(tǒng)總體設(shè)計

本次設(shè)計的焊槍運動的模型選用三角型運動軌跡，在焊槍運動時，主軸一直運轉(zhuǎn)，當(dāng)焊槍停止運動時，主軸停止運轉(zhuǎn)。焊槍運行軌跡如圖1所示，其中L為運動擺幅，T為運動周期時間。

圖1 焊槍運行軌跡

運動控制是對運動進(jìn)行規(guī)劃以實現(xiàn)對運動結(jié)果的控制，運動控制卡就是一種能實現(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運動控制卡來控制焊槍運動的擺幅、擺頻以及往復(fù)運動的停滯時間等參數(shù)［2］。DMC－1842運動控制卡具有8路輸入與輸出、編碼器反饋、步進(jìn)電機指令、通信以及自動PID調(diào)節(jié)等功能，使用時需要插入到計算機的PCI總線。

1.1 焊槍運動硬件系統(tǒng)設(shè)計

焊槍的最終運動是利用驅(qū)動器控制伺服電機來完成，DMC－1842的作用是根據(jù)預(yù)先計算的運動位置程序控制驅(qū)動器，然后驅(qū)動器控制伺服電動機運動，伺服電動機的相對編碼器再把運動結(jié)果值返回到伺服驅(qū)動器，如此就構(gòu)成了半閉環(huán)控制系統(tǒng)。設(shè)置驅(qū)動器面板的各種選項完成PID算法器自動控制運算［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)焊接對焊槍運動裝置要求響應(yīng)迅速、位置準(zhǔn)確的原則選擇小慣量交流伺服電動機；根據(jù)焊槍運動裝置的慣量、動力大小的要求選擇交流電動機功率為400W。

1.2 電動機驅(qū)動電路設(shè)計

DMC－1842運動控制卡使用計算機的PCI接口與PC機通信，PCI是當(dāng)前計算機中應(yīng)用最多的一種通信接口，市場上的大部分計算機主板都帶有這種接口。DMC－1842運動控制卡與計算機通過PCI通信后，還需要利用與DMC－1842配套的端子板與驅(qū)動器鏈接。從某種意義上說，端子板的性能在很大程度上決定了DMC－1842運動控制卡性能的發(fā)揮。與DMC－1842相配合的端子板的型號是ICM－1900ID。ICM－1900ID端子板與驅(qū)動器之間的通信電路構(gòu)成如圖3所示 。其中，17為地線，可以減少信號干擾；31～36為驅(qū)動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)動器輸入的位置信號；7，23為驅(qū)動器的伺服使能信號。

伺服驅(qū)動器有3種運行控制模式：位置控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式和速度控制模式，本次設(shè)計對運動的位置要求比較高，對響應(yīng)速度與實時性要求不高，所以用伺服器的位置控制模式。DMC－1842控制運動時以脈沖的頻率控制轉(zhuǎn)動速度，以脈沖的總個數(shù)控制運轉(zhuǎn)的角度。

圖3 端子板與驅(qū)動器通信電路圖

1.3 焊接控制過程與焊槍結(jié)構(gòu)

焊接時，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即焊接原點。當(dāng)DMC－1842運動控制卡給電的一瞬間，通過＃AUTO字段程序的作用使焊槍運動到原點，系統(tǒng)回原點動作由回原點程序控制。之后作為開始焊接開關(guān)的輸入通道1接通，焊槍向棱管運動。在與焊槍水平的位置處設(shè)置了一個二線制的接近開關(guān)作為極限開關(guān)使用，此二線開關(guān)選用常開高電平輸入有效，在接近開關(guān)與棱管距離達(dá)到接近開關(guān)的檢測距離時，執(zhí)行＃LIMSWI中的程序。焊機的焊槍處于棱管任一平面的中間位置時，在焊槍中開始送絲與輸出CO2保護(hù)氣體，由于本次設(shè)計的是棱管法蘭自動焊接，因此棱管在旋轉(zhuǎn)時，其表面的點到旋轉(zhuǎn)中心的距離是不一樣的，所以焊槍在焊接時不但要有往復(fù)運動還要有伴隨往復(fù)運動的上下運動。當(dāng)棱管的任一棱處在水平中心位置時，焊槍焊接時的焊頭與旋轉(zhuǎn)中心的距離最大；當(dāng)棱管的任一平面處在水平位置時，焊槍焊接時的焊頭與旋轉(zhuǎn)中心的距離最小。為滿足上述焊槍機構(gòu)的運動過程，設(shè)計的焊槍機構(gòu)如圖4所示。

2 控制系統(tǒng)參數(shù)選擇

在自動焊接過程中主軸運轉(zhuǎn)速度、送絲速度、焊槍的往復(fù)運動和上下運動速度，都是自動焊接時的主要參數(shù)［4］。根據(jù)實驗以及大量生產(chǎn)經(jīng)驗表明，不同的焊絲用不同的運動參數(shù)才能達(dá)到良好的焊接效果。對于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，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，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)的運轉(zhuǎn)速度、送絲速度、焊槍的往復(fù)運動和上下運動速度等參數(shù)后，根據(jù)具體參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計。GalilTools是DMC－1842的配套軟件，可以在安裝有微軟操作系統(tǒng)的個人電腦上運行，通過PCI總線和DMC－1842運動控制卡進(jìn)行通信，本系統(tǒng)通過GalilTools對所寫的程序進(jìn)行調(diào)試與測試。

圖4 焊槍機構(gòu)示意圖

圖5 棱管旋轉(zhuǎn)的最大距離差

＃AUTO標(biāo)識符標(biāo)識運動控制卡在一開始上電時會自動運行的自啟動子程序，本次設(shè)計把需要預(yù)先處理的電機工作方式，電機平滑處理，PID算法中的比例增益KP、積分常數(shù)KI、微分常數(shù)KD以及原點復(fù)位等程序放在自啟動子程序中。＃START標(biāo)識符標(biāo)識運行中所進(jìn)行的動作，本文把控制運動的程序放到此標(biāo)識符中。＃LIMSWI標(biāo)識符表示中斷發(fā)生時將要執(zhí)行的中斷子程序。本文使用接近開關(guān)中斷，當(dāng)接近開關(guān)接近棱管時程序跳轉(zhuǎn)到＃LIMSWI程序段，執(zhí)行＃LIMSWI中的程序。在DMC－1842運動程序中以＃AUTO標(biāo)號開始的程序會被自動執(zhí)行，通過BP把程序保存在控制器的非易失存儲器中，在上電或復(fù)位時程序會被自動執(zhí)行。此次自動焊接的具體程序如下：

3 結(jié)語

本文以伺服電動機為控制位置的執(zhí)行機構(gòu)，通過充分利用DMC－1842運動控制卡在運動控制方面的優(yōu)勢，提出了一種全新的自動焊接控制方法。該控制方法的特點是以DMC－1842運動控制卡為核心，用端子板與伺服驅(qū)動器聯(lián)接來驅(qū)動伺服電動機，其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。運用DMC－1842自帶的軟件省去了用單片機、PLC做控制時自行設(shè)計軟件的過程，減少了系統(tǒng)設(shè)計周期，并且系統(tǒng)更穩(wěn)定高效，能夠很好地滿足現(xiàn)代焊接對焊槍運動的要求。

［1］ 譚蓉.全位置自動焊焊槍移動和運動機構(gòu)的設(shè)計［J］.焊接技術(shù)，2001（12）：32－33.

［2］ 付松玲，孫建青，馬曉君.PLC控制的焊槍運動機構(gòu)的研制［J］.山東機械，2002（4）：23－24.

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

［4］ 王侯庭，劉書成，嵇德才，等.高速運動焊絲CO2焊接法［J］.焊接通訊，1981（8）：7－9.