張忠科，于 洋，王希靖，2

（1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 甘肅有色金屬新材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

基于PLC控制的回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)

張忠科1，于 洋1，王希靖1，2

（1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 甘肅有色金屬新材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)根據(jù)其點(diǎn)焊工藝，采用軟硬件相結(jié)合的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)針肩分離式攪拌頭解決機(jī)構(gòu)問題，給出了攪拌頭的設(shè)計(jì)形式，同時(shí)采用PLC、HMI、伺服電機(jī)和電流傳感器等主要器件，介紹了電氣原理、程序流程、PLC主要程序指令和HMI操作界面。通過PLC與伺服電機(jī)的閉環(huán)控制技術(shù)，以及PLC與MHI實(shí)時(shí)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對該系統(tǒng)方便、可靠、精密的控制。目前，該系統(tǒng)已成功獲得生產(chǎn)和科研應(yīng)用，運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，效果良好。

FSSW；無匙孔；PLC；HMI；伺服系統(tǒng)

0 前言

攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）是英國焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù)，主要運(yùn)用于鋁、鎂、銅、鈦等及其合金的有色金屬連接中。FSW原理是使攪拌頭相對工件旋轉(zhuǎn)，通過軸肩對工件表面摩擦產(chǎn)熱，同時(shí)攪拌針對工件內(nèi)部進(jìn)行攪動(dòng)，使其達(dá)到熱塑性狀態(tài)，在焊縫處形成機(jī)械冶金結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)工件的穩(wěn)定可靠連接。該技術(shù)相比傳統(tǒng)的焊接方法具有接頭質(zhì)量高、焊接變形小、殘余應(yīng)力小、焊接過程綠色和無污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空航天、船舶和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1-3]。

攪拌摩擦點(diǎn)焊（friction stir spot welding，F(xiàn)SSW）是基于FSW技術(shù)發(fā)展而來的一種以點(diǎn)接頭為主要形式的焊接方法。隨著FSSW設(shè)備和工藝的相繼發(fā)展，逐漸形成了有匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊和無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊。其中，有匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊包括傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊（conventional friction stir spot welding）和行走攪拌摩擦點(diǎn)焊（walking friction stir spot welding），無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊包括回抽式攪拌摩擦點(diǎn)焊（back-pumping friction stir spot welding）和回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（back-filling friction stir spot welding）[4-6]。相比于有匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊，無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭消除了焊件表面因攪拌針而存留下來的空洞缺陷，既美化外觀，又增強(qiáng)接頭力學(xué)性能。由于FSW易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，所以攪拌摩擦點(diǎn)焊是取代鉚接技術(shù)的發(fā)展趨勢[7-8]。

針對回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝流程，本研究采用可編程控制器（PLC）、觸摸屏（HMI）、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)和交流伺服電機(jī)等主要控制器件和精密執(zhí)行元件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了回抽式攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)控制，提高了無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊的生產(chǎn)效率和精度，保證了生產(chǎn)過程的可靠性。

1 機(jī)構(gòu)及工作原理

回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)采用PLC作為主要控制器件，采用交流伺服電機(jī)和普通三相異步電機(jī)作為執(zhí)行元件，控制機(jī)構(gòu)在x和z方向同步運(yùn)動(dòng)，采用接近開關(guān)做系統(tǒng)原點(diǎn)定位?；爻槭綗o匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)是針肩分離式攪拌頭，針肩分離式攪拌頭示意如圖1所示。該攪拌頭通過攪拌針和軸肩的相對獨(dú)立z向運(yùn)動(dòng)，來控制攪拌針的伸出和回抽，從而通過攪拌針的攪拌實(shí)現(xiàn)對試件內(nèi)部的連接，同時(shí)通過攪拌針的回抽實(shí)現(xiàn)對針尾留置空洞的填補(bǔ)。

回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。首先攪拌針和軸肩保持相對靜止并下降（見圖2a），直到軸肩碰到工件表面并壓入一定的下壓量，停留一定時(shí)間進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊（見圖2b），試件焊好后，攪拌針回抽至與軸肩平齊，同時(shí)攪拌頭向前行走一定短距離（見圖2c），直到攪拌針回抽完畢，攪拌針和軸肩一并上升到一定安全高度（見圖2d），隨后攪拌針伸出，軸肩復(fù)位（見圖2e），攪拌頭回歸原點(diǎn)，焊接結(jié)束（見圖2f）。

圖1 針肩分離式攪拌頭示意

圖2 回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)的工作原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以PLC為控制核心的回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，其中控制系統(tǒng)采用OMRON CP1H-XA40DT-D型號PLC，KRS系列AASD-30A型號的伺服驅(qū)動(dòng)和交流伺服電機(jī)，E2000系列的矢量控制變頻器和三相交流異步電機(jī)，威綸公司的TK6100i觸摸屏和上位機(jī)與PLC之間實(shí)現(xiàn)通訊，以及霍爾交流變送器（輸出0～5 V），按鈕和接近開關(guān)。系統(tǒng)分別通過上位機(jī)的CX-Programming軟件和EasyBuilder8000軟件對PLC和HMI進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)PLC和HMI的系統(tǒng)控制和實(shí)時(shí)通訊。PLC接收電流傳感器、接近開關(guān)和按鈕的輸入信號，實(shí)時(shí)控制伺服驅(qū)動(dòng)和變頻器，從而間接控制伺服電機(jī)和異步交流電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中通過大功率交流異步電機(jī)控制攪拌頭的旋轉(zhuǎn)，由變頻器的輸入頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由伺服電機(jī)控制攪拌針的伸出和回抽動(dòng)作以及x軸和z軸動(dòng)作。同時(shí)，通過伺服電機(jī)的編碼器和電流傳感器實(shí)現(xiàn)焊接過程的閉環(huán)控制。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

主控電路PLC與伺服驅(qū)動(dòng)的接線原理如圖4所示。系統(tǒng)采用“脈沖+方向”方式控制伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)采用集電極開路輸入接口方式，其中伺服驅(qū)動(dòng)的PV端接DC 24 V電源，100.00為PLC的高速脈沖輸出端口，向伺服驅(qū)動(dòng)的PP-端口發(fā)送指定脈沖數(shù)，PD-端口由100.01輸出口控制電機(jī)方向，通過101.00和101.01輸出口向伺服驅(qū)動(dòng)發(fā)送使能（SON）和復(fù)位（RES）信號。伺服編碼器的A、B和Z相差分信號通過26LS32芯片轉(zhuǎn)換后輸送到PLC的0.06、0.07和0.01高速計(jì)數(shù)口中，通過閉環(huán)電路實(shí)現(xiàn)對脈沖的精準(zhǔn)控制和原點(diǎn)定位，同時(shí)通過按鈕和接近開關(guān)對PLC進(jìn)行外部手動(dòng)控制和輔助定位。電流傳感器的模擬量信號通過PLC的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)控旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電流，通過終止攪拌頭下降防止因攪拌頭下壓量過大而導(dǎo)致的軸肩與工件表面的摩擦過熱現(xiàn)象。

圖4 主控電路PLC與伺服驅(qū)動(dòng)的接線原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程

回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)控制程序流程如圖5所示。系統(tǒng)采用手/自動(dòng)兩種方式控制焊接過程。在自動(dòng)程序中，結(jié)合邏輯條件判斷和并行控制方式執(zhí)行程序指令。當(dāng)啟動(dòng)自動(dòng)按鈕后，攪拌頭和工作臺(tái)回到原點(diǎn)等待焊接，此時(shí)攪拌頭旋轉(zhuǎn)，待達(dá)到焊接轉(zhuǎn)速后，軸肩下降與工件表面摩擦產(chǎn)熱。到達(dá)指定位置，軸肩停止下降，否則繼續(xù)下降，若此時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作電流超過設(shè)定值，則說明軸肩與工件表面摩擦產(chǎn)熱已達(dá)到焊接要求，此時(shí)亦停止軸肩下降。待焊接完成后，攪拌針開始回抽，同時(shí)工作臺(tái)緩慢前進(jìn)。攪拌針回抽完畢后，攪拌頭停止旋轉(zhuǎn)并返回原點(diǎn)，攪拌針伸出，工作臺(tái)移動(dòng)輸送焊接工件，點(diǎn)焊工作結(jié)束。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

圖5 程序流程

回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)的控制程序以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和模擬量輸入指令為主，通過上位機(jī)的CX-Programming軟件對PLC編程。針對攪拌針?biāo)欧姍C(jī)（參數(shù)：2 500脈沖/r，2 mm/r）的控制，首先輸入攪拌針的伸出長度L和回抽時(shí)間T的參數(shù)至D100和D130，則對應(yīng)的脈沖和頻率為1 250· L和1 250/T，然后通過四則運(yùn)算指令計(jì)算PLC相對應(yīng)的高速脈沖口發(fā)送的脈沖和頻率，如圖6所示。伺服電機(jī)脈沖控制程序如圖7所示，當(dāng)發(fā)送攪拌針回抽指令（I1.02閉合）時(shí)，PULS和SPED指令分別向伺服驅(qū)動(dòng)發(fā)送脈沖和頻率，PRV同時(shí)采集脈沖數(shù)據(jù)。

圖6 四則運(yùn)算程序

圖7 伺服電機(jī)脈沖控制程序

通過電流傳感器采集的連續(xù)模擬信號，經(jīng)過PLC內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號。首先在PLC模擬量量程通道內(nèi)設(shè)置傳感器0～5 V的量程，PLC開始采集電流信號存儲(chǔ)在200通道內(nèi)，當(dāng)發(fā)送軸肩下降指令（I1.04閉合）時(shí)，實(shí)際電流值與預(yù)設(shè)電流值進(jìn)行比較，超過預(yù)設(shè)值時(shí)，大于標(biāo)志位P_GT置位，軸肩停止下降，其程序指令如圖8所示。同時(shí)，PLC將采集的數(shù)字量經(jīng)過SCL指令轉(zhuǎn)換為工程量，即實(shí)際電流值，程序指令如圖9所示。

3.3 HMI程序設(shè)計(jì)

回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)采用HMI對程序進(jìn)行控制和監(jiān)控，通過上位機(jī)的EasyBuilder8000軟件對HMI進(jìn)行編程。圖10為該系統(tǒng)的工作控制界面，其中有手/自動(dòng)控制方式，針對不同的控制模式，有不同的動(dòng)作命令按鈕。通過點(diǎn)擊屏幕上的“參數(shù)界面”按鈕，進(jìn)入如圖11所示的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面，該界面可以設(shè)置x、z軸和攪拌針的移動(dòng)距離和移動(dòng)時(shí)間參數(shù)，以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)定電流值，同時(shí)配有量程為30 A的電流表，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控旋轉(zhuǎn)電機(jī)電流。

圖8 模擬量量程與數(shù)值比較程序

圖9 顯示工程量程序

圖10 工作控制界面

4 結(jié)論

針對回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝，設(shè)計(jì)了基于PLC控制回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)。利用針肩分離式攪拌頭實(shí)現(xiàn)回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝，并采用PLC和伺服電機(jī)聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)焊工藝的快速精確運(yùn)動(dòng)。通過PLC與HMI的實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，方便了系統(tǒng)操作和監(jiān)控。該回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)具有操作簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成功獲得生產(chǎn)和科研應(yīng)用，運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，效果良好。

圖11 參數(shù)設(shè)定界面

[1]王希靖，王小龍，張忠科，等.6082-T6鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的性能[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41（1）：21-24.

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Study on back-pumping keyhole-free friction stir spot welding system based on PLC control

ZHANG Zhongke1，YU Yang1，WANG Xijing1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Lanzhou Univ.of Tech.，Lanzhou Univ.of Tech.，Lanzhou 730050，China；2.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou Univ.of Tech.，Lanzhou 730050，China）

According to the spot welding process of back-pumping keyhole-free friction stir spot welding system，this system is designed by the combination of software and hardware.The design form of stir tool of pin and shoulder separation are presented by solving mechanical problem.At the same time，the electrical schematic diagram，the program flow chart，PLC main program instructions and HMI operation interface are given by using major components of PLC，HMI，servo motor and current sensors.It is convenient，reliable and precise to achieve system control through the closed-loop control technology of PLC and servo motor，as well as real-time communication technology between PLC and MHI.This system has been successfully used in production and scientific research.And the results show that the system is stable and reliable.

FSSW；keyhole-free；PLC；HMI；servo system

TG439.8

A

1001－2303（2017）05－0038-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.08

2017-04-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014GS03264）

張忠科（1978—），男，副教授，博士，主要從事主要從事焊接設(shè)備及其自動(dòng)化、新型連接技術(shù)等方面研究工作，E-mail：zhangzke@lut.cn。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：張忠科，于洋，王希靖.基于PLC控制的回抽式無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：38-42.