陳樹君，趙研明，雷 彧，郝 鍵

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

壁板類鋁合金零部件VPPA熔積成型數(shù)控系統(tǒng)

陳樹君，趙研明，雷 彧，郝 鍵

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

以CX1020嵌入式控制器為控制中心，采用主站+從站控制方式，基于EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)搭建數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)，以TwinCAT為軟件開發(fā)平臺(tái)，完成了熔積成型數(shù)控系統(tǒng)的程序開發(fā)及人機(jī)交互界面HMI的設(shè)計(jì)。制定機(jī)器人控制面板RCP與CX1020主站間的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)通訊。制定G代碼的格式，并根據(jù)制定的G代碼格式生成熔積成型零件的軌跡文件，并采用VPPA焊接工藝進(jìn)行熔積成型實(shí)驗(yàn)，獲得表面光滑且質(zhì)量可靠的金屬零件，驗(yàn)證了數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實(shí)用性。

鋁合金；熔積成型；VPPA；TwinCAT

0 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，要求企業(yè)必須快速響應(yīng)市場(chǎng)和用戶的需求變化，制造出性能可靠的產(chǎn)品。但是采用傳統(tǒng)方法制造的鑄鍛件在長(zhǎng)度和直徑上材料強(qiáng)韌性不一致和淬透性的原因，熱處理后的顯微組織也呈現(xiàn)出各相異性，加之鑄鍛工藝能力的限制，大尺寸零件只能采用分段拼焊的方法制造，這樣就造成焊接接頭處組織和力學(xué)性能的不均勻，甚至導(dǎo)致焊接裂紋等工藝缺陷，造成大型結(jié)構(gòu)件的不安全?；赩PPA焊接工藝的快速成型制造技術(shù)是一種全新的制造方法，具有制造周期短、成本低、精度與壽命又能滿足生產(chǎn)使用要求的特點(diǎn)，對(duì)于中小型模具和零件的制造具有顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益[1]。

等離子弧具有弧柱細(xì)、電流密度大、氣體電離充分、溫度高、能量集中、穩(wěn)定性好和可控性好等優(yōu)點(diǎn)。利用產(chǎn)生的等離子弧高溫?zé)嵩磳⒔饘俜勰┲苯尤刍?，然后熔覆在基體上面，按照分層制造的原理，噴涂一層后經(jīng)過(guò)熔池冷凝結(jié)晶形成熔積層，按照一定的厚度，逐層堆積最終形成一定形狀的三維實(shí)體，制造出來(lái)的金屬零件的氣孔、夾渣等缺陷少，成本低且成型質(zhì)量可靠[2]。相比GTAW，它具有更高的焊接速度、更大的能量密度、更高的焊接效率[3]，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

我國(guó)等離子熔積成型技術(shù)起步較晚，但在近幾年國(guó)家的大力支持下發(fā)展迅速。由于等離子熔積直接制造金屬零件是個(gè)多參數(shù)過(guò)程，熔積速度、送粉量大小、熔池溫度都會(huì)對(duì)熔積過(guò)程產(chǎn)生影響，引起金屬零件的形狀和精度劣化。現(xiàn)有設(shè)備的智能化程度不高，操作復(fù)雜，直接導(dǎo)致了熔積成型金屬零件的質(zhì)量不高，從而極大限制了熔積成型技術(shù)的發(fā)展，因此開發(fā)一套采用VPPA焊接工藝的智能化熔積成型數(shù)控系統(tǒng)具有重大意義。

1 數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介

整個(gè)熔積成型數(shù)控系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)采用主站+從站的組態(tài)模式，基于EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)組成了線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 熔積成型系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Deposition forming system topology

1.1 主站控制器

主站控制器為CX1020-0123嵌入式PC，CX1020采用1 GHz IntelCPU，控制器無(wú)需風(fēng)扇或其他旋轉(zhuǎn)部件，除了CPU及芯片組之外，CX1020模塊內(nèi)還配備有不同大小的主內(nèi)存，控制器從CF卡啟動(dòng)。作為一種緊湊型工控機(jī)，能夠較好地與Beckhoff公司的TwinCAT自動(dòng)化編程軟件協(xié)作，實(shí)現(xiàn)與大型工業(yè)控制PC一樣的功能。在理想狀態(tài)下，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)256個(gè)軸的控制，且實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)。

1.2 從站模塊

從站模塊中，模塊EL1004、EL2004是數(shù)字量I/O模塊，能夠與手持機(jī)械按鈕控制盒相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)字開關(guān)量信號(hào)的輸入、輸出；模塊EL3064、EL4004是模擬量輸入輸出模塊，能夠?qū)ν獠磕M量電流電壓信號(hào)進(jìn)行采集并輸出相應(yīng)信號(hào)。模塊EL2521是高速脈沖串輸出模塊，通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)對(duì)送絲機(jī)的控制；模塊EK1110可以將E-bus信號(hào)轉(zhuǎn)換為100BASE-TX以太網(wǎng)信號(hào)，并且可以擴(kuò)展EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，以便連接下一個(gè)從站設(shè)備。AX5203是雙通道伺服驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)操作機(jī)和變位機(jī)的伺服電機(jī)。焊接電源為VPPA-500變極性等離子弧電源，是整個(gè)系統(tǒng)的焊接電源。機(jī)器人控制板RCP以STM32F107單片機(jī)為控制核心，采用BeckHOFF公司的FB1111-0141為中轉(zhuǎn)站進(jìn)行SPI協(xié)議與EtherCAT的轉(zhuǎn)換，以便與EtherCAT主站進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的目的。

2 G代碼格式定義及控制程序開發(fā)

2.1 G代碼格式的定義

由于G代碼使用方便，操作性強(qiáng)且與TwinCAT軟件平臺(tái)能夠很好的協(xié)同[4]，因此采用基于DIN66025標(biāo)準(zhǔn)的G代碼作為本數(shù)控系統(tǒng)熔積成型零件軌跡信息的保存方式。

系統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)為直角坐標(biāo)型機(jī)器人，對(duì)熔積成型金屬零件運(yùn)動(dòng)軌跡的描述實(shí)際上是對(duì)焊槍尖點(diǎn)的軌跡描述。在熔積成型過(guò)程中，焊槍需要以一定的速度向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)變位機(jī)以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)變位機(jī)旋轉(zhuǎn)360°后，焊槍提升一定高度（高度h取決于焊接工藝），同時(shí)當(dāng)直徑發(fā)生變化時(shí)，為了保證焊接質(zhì)量，防止焊接缺陷的發(fā)生，變位機(jī)需要翻轉(zhuǎn)一定角度使熔積成型表面的法向量與水平面平行，如圖2所示。

圖2 變位熔積示意Fig.2 Schematic of variable position deposition

在如圖2所示的零件熔積成型過(guò)程中，焊槍尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由直線段和圓弧段兩部分組成。G代碼格式中，采用G00指令進(jìn)行快速定位，直線段采用直線插補(bǔ)指令G01，由于熔積成型翻轉(zhuǎn)時(shí)所在工作平面為xOz，所以圓弧段采用順時(shí)針圓弧插補(bǔ)指令G02或逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)指令G03，其中，G71為公制單位mm，@717為帶外部觸發(fā)的編碼器停止指令，用于進(jìn)槍退槍等動(dòng)作完成后的暫停，M30為程序結(jié)束指令。工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心，F(xiàn)為速度符號(hào)（單位：mm/min），綜上所述，G代碼格式定義如下：

N1 G71

N2 G00+提槍點(diǎn)坐標(biāo)+提槍速度

N3 G00+進(jìn)槍點(diǎn)坐標(biāo)+移動(dòng)速度

N4@717

N5 G01+熔積起點(diǎn)坐標(biāo)+進(jìn)槍速度

N6@717

N10 G01+直線段終點(diǎn)坐標(biāo)1+焊槍提升速度1

N20 G03+曲線段終點(diǎn)坐標(biāo)1+XYZ三軸插補(bǔ)速度1

N30 G01+直線段終點(diǎn)坐標(biāo)2+焊槍提升速度2

N40 G02+曲線段終點(diǎn)坐標(biāo)2+XYZ三軸插補(bǔ)速度2

N50 G01+直線段終點(diǎn)坐標(biāo)3+焊槍提升速度3

……………………………………………

……………………………………………

NX1@717

NX2 G00+退槍點(diǎn)坐標(biāo)+退槍速度

M30

2.2 數(shù)控系統(tǒng)控制程序開發(fā)

數(shù)控系統(tǒng)控制程序是在TwinCAT平臺(tái)下開發(fā)的。TwinCAT軟件是德國(guó)BECKHOFF電氣有限公司推出的遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程開發(fā)軟件，具有功能強(qiáng)大、編程方便、系統(tǒng)開放等特點(diǎn)，能夠滿足用戶多樣化的需求，極大縮短了開發(fā)周期，提高工作效率。TwinCAT軟件是運(yùn)行在Windows NT/XP/CE平臺(tái)下的實(shí)時(shí)控制軟件，可以將任何兼容的PC機(jī)轉(zhuǎn)換成具備多PLC處理系統(tǒng)和NC軸控制的實(shí)時(shí)控制器，使PC機(jī)具備實(shí)時(shí)處理能力，顯著提高性價(jià)比[5]。

采用TwinCAT軟件平臺(tái)開發(fā)的熔積成型數(shù)控系統(tǒng)程序框架主要分為三部分，包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置部分、熔積參數(shù)設(shè)置部分、熔積過(guò)程監(jiān)視部分，同時(shí)每部分又由相應(yīng)程序組成，整個(gè)控制系統(tǒng)程序架構(gòu)如圖3所示。

其中熔積模型幾何參數(shù)設(shè)置部分及相應(yīng)程序是熔積的第一步，模型庫(kù)里提供了三種可供選擇的熔積模型（以后還可以擴(kuò)充，沒(méi)有個(gè)數(shù)限制），選擇相應(yīng)模型，并輸入相關(guān)參數(shù)，同時(shí)輸入熔積成型時(shí)的焊接工藝參數(shù)，點(diǎn)擊保存按鈕即可根據(jù)定義的G代碼格式快速生成此模型的軌跡G代碼及焊接文件。為了方便使用，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，如圖4所示。

文件保存之后，會(huì)在C盤TwinCAT中CNC目錄下看到*.nc文件，Weld中找到*.txt后綴的文件，此時(shí)點(diǎn)擊界面上的打開按鈕選擇相應(yīng)文件，進(jìn)行預(yù)加載程序，同時(shí)使能送絲機(jī)，打開水箱按鈕，預(yù)冷卻焊槍噴嘴5 min，準(zhǔn)備好后，打開離子氣和保護(hù)氣的閥門，確保焊機(jī)和主站控制器通信一切正常后，便可以進(jìn)行熔積成型。整個(gè)熔積成型過(guò)程的流程如圖5所示。

圖3 控制系統(tǒng)程序架構(gòu)Fig.3 Application architecture of control system

圖4 熔積模型幾何參數(shù)設(shè)置Fig.4 Deposition forming geometry parameter Settings

圖5 熔積成型流程Fig.5 Flow chart of deposition forming

為了更好地監(jiān)控焊接過(guò)程，開發(fā)的監(jiān)控界面如圖6所示。監(jiān)控頁(yè)面能夠監(jiān)控熔積時(shí)的焊接電流、離子氣和保護(hù)氣流量、送絲速度等參數(shù)，并顯示實(shí)時(shí)波形。同時(shí)還可以看到當(dāng)前軌跡的G代碼，以便判斷程序的執(zhí)行位置，同時(shí)各軸的位置也顯示在界面中，并配有急停按鈕，以便在緊急情況下停止設(shè)備，防止危險(xiǎn)發(fā)生。

3 RCP與EtherCAT主站的數(shù)據(jù)通訊

為了便于移動(dòng)及使用方便，設(shè)計(jì)了機(jī)器人控制面板RCP，其控制核心為STM32F107。為了與主站CX1020嵌入式控制器通訊，選用一塊由BeckHoff公司開發(fā)的、能作為EtherCAT從站的FB1111-0141電路板，它能夠?qū)崿F(xiàn)SPI（Serial Peripheral Interface）與EtherCAT通訊互轉(zhuǎn)，也就是FB1111-0141電路板作為中間橋梁的作用。這樣就可以通過(guò)機(jī)器人控制面板來(lái)遠(yuǎn)程操作機(jī)器人。為此制定了FB1111-014和EtherCAT主站間的通訊協(xié)議，其傳輸格式為：編號(hào)+長(zhǎng)度+類別+子類別+具體數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖6 熔積成型過(guò)程監(jiān)控頁(yè)面Fig.6 Deposition forming process monitoring page

表1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議Table 1 Data transmission protocol

其中長(zhǎng)度表示分為布爾量：0，其他量：字節(jié)長(zhǎng)度。所有數(shù)據(jù)均采用十六進(jìn)制，以0X表示。現(xiàn)以界面編號(hào)為0X02的界面為例，其發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表2所示，接收數(shù)據(jù)類似。

表2 發(fā)送數(shù)據(jù)格式Table 2 Format of sending data

4 熔積成型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建完成及軟件程序開發(fā)完成后，為了檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型建立的有效性和控制系統(tǒng)的可靠性，必須進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為此設(shè)計(jì)了熔積成型實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)用焊絲材料為5183AlMg合金，直徑1.6 mm。考慮到熔合性，基板選用與焊絲一樣的材料。5183鋁合金屬于5XXX變形鋁合金，是一種不可熱處理的強(qiáng)化鋁合金，該鋁合金具有中等強(qiáng)度、耐蝕性，加工性能與焊接性能良好，且與大部分鋁基合金的兼容性良好，有高輸送性能。主要應(yīng)用于機(jī)車車廂、輕型汽車、兵工生產(chǎn)、船舶、航空等行業(yè)[6]，其化學(xué)成分如表3所示。

表3 5183化學(xué)成分Table 3 5183 chemical composition ％

實(shí)驗(yàn)選用的基板試件有兩種尺寸，即：30 mm× 30 mm×5 mm和20 mm×20 mm×5 mm，如圖7所示。為了便于實(shí)驗(yàn)，焊前對(duì)待焊表面進(jìn)行機(jī)械清理、砂紙打磨，直至露出清潔表面，并采用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，以保證熔積成型的質(zhì)量。

圖7 試件基本形狀及尺寸Fig.7 Basic shape and size of specimen

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)前期的工藝探索發(fā)現(xiàn)，在基板上熔積第一道圓環(huán)時(shí)，由于基板溫度低，焊絲熔化后遇冷不易與基板融合，以至于熔滴成金屬小球，焊接質(zhì)量不好。因此在基板上預(yù)熱兩圈（不送絲）來(lái)提高基板的溫度，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度達(dá)到80℃～100℃時(shí)焊絲熔化后與基板融合效果較好，無(wú)焊接缺陷。底層焊接效果如圖8所示。

圖8 底層焊接效果Fig.8 Bottom welding effect chart

經(jīng)過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)，得出合適的熔積成型工藝參數(shù)，如表4所示。

表4 熔積成型工藝參數(shù)Table 4 Deposition forming process parameters

采用表4中的工藝參數(shù)，結(jié)合開發(fā)的熔積成型數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行熔積成型實(shí)驗(yàn)，其圓環(huán)熔積過(guò)程如圖9所示。由于直徑不同，金屬碗的熔積需要變位機(jī)翻轉(zhuǎn)一定角度，保證熔積表面的法向量與水平面平行，如圖10所示。

圖9 熔積成型圓環(huán)過(guò)程Fig.9 Deposition forming circle process diagram

圖10 熔積成型金屬碗過(guò)程Fig.10 Deposition forming metal bowl process diagram

最終熔積成型的金屬圓環(huán)零件實(shí)物如圖11所示，金屬碗零件實(shí)物如圖12所示。

圖11 熔積成型圓環(huán)實(shí)物Fig.11 Deposition forming circle real figure

圖12 熔積成型金屬碗實(shí)物Fig.12 Deposition forming metal bowl real figure

由圖11、圖12可知，熔積成型的圓環(huán)和金屬碗其表面光滑，無(wú)焊接缺陷，效果良好。熔積成型的層厚均勻，平均層厚0.4 mm，相比較CMT和激光熔覆成形等工藝，層厚更薄，這樣能夠充分熔化金屬，防止未熔透現(xiàn)象發(fā)生，保證成型質(zhì)量。

除此之外，采用焊絲作為熔積成型的材料，可以充分避免送粉方式的不均勻、不穩(wěn)定、效率低等缺點(diǎn)，能夠最大限度的利用VPPA焊接工藝溫度高、能量強(qiáng)的特點(diǎn)，制造出質(zhì)量可靠的金屬零件。

但是，由于VPPA焊接工藝采用外送絲方式且要求焊絲應(yīng)與工件接觸，但熔積時(shí)焊道極窄，焊絲直徑較小，因此需要保證焊絲正好處于焊道中央，稍有偏差則會(huì)形成金屬瘤，極大地影響成型質(zhì)量。另外，VPPA焊接工藝對(duì)弧高極為敏感，弧高過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響成型質(zhì)量。所以在成型過(guò)程中也要時(shí)刻保持弧高的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

以CX1020嵌入式控制器核心，以直角坐標(biāo)型機(jī)器人為操作機(jī)和RT型旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)型變位機(jī)為隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以TwinCAT自動(dòng)化軟件平臺(tái)為控制程序開發(fā)工具，完成G代碼格式的定義，控制系統(tǒng)程序開發(fā)及人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，并制訂與基于STM32F107為控制中心的機(jī)器人控制面板的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，且實(shí)現(xiàn)通訊。

采用VPPA焊接工藝，應(yīng)用所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)熔積成型了實(shí)體金屬零件，成型的零件外表光滑，分層痕跡模糊，最小層厚0.4 mm，金屬融合性較好，成型零件硬度大、耐磨性強(qiáng)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的再加工之后可以得到非常理想的金屬零件，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了整個(gè)熔積成型數(shù)控系統(tǒng)的有效性。

[1]張海鷗，徐明洋.等離子熔積多向?qū)臃e成形基礎(chǔ)問(wèn)題的研究[D].湖北：華中科技大學(xué)，2008.

[2]張海鷗，汪亮.等離子熔積直接成形金屬原型便面激光光整關(guān)鍵技術(shù)[D].湖北：華中科技大學(xué)，2004.

[3]Wu C S，Wang L，Ren W J，et al.Plasma arc welding：Process，sensing，control and modeling[J].Journal of Manufacturing Processes，2014（6）：74-85.

[4]劉為志，欒楠，劉寶生.基于G代碼的工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)編程[J].機(jī)器人，2002，24（6）：497-501.

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Wall plate type aluminum alloy parts VPPA deposition forming CNC system

CHEN Shujun，ZHAO Yanming，LEI Yu，HAO Jian
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

With CX1020 embedded controller as the control center，used the control mode of master station+slave station，based on the EtherCAT real-time industrial Ethernet，and had set up a platform of CNC system hardware.With TwinCAT as the software development platform，completed the development of deposition forming numerical control system application and the design of the human-computer interaction interface HMI.Made the data communication protocol between the robot control panel RCP and the master station CX1020，and implemented the communication.Formulated the G code format，and according to the set of G code format，generated the trajectory file of the deposition forming part，and used VPPA welding process，deposition forming experiment was carried out，the surface of metal parts was smooth and reliable，verified the stability and practicability of the CNC system.

aluminum alloy；deposition forming；VPPA；TwinCAT

TG409

A

1001－2303（2016）12－0030-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.07

獻(xiàn)

陳樹君，趙研明，雷彧，等.壁板類鋁合金零部件VPPA熔積成型數(shù)控系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：30-36.

2016-02-18

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2014ZX0401171）

陳樹君（1971—），男，黑龍江雙城人，教授，博士，主要從事變極性等離子弧焊接工藝及裝備、焊接電源開發(fā)等方面的科研和教學(xué)工作。