陳樹君雷彧盧振洋白立來張浩

(1.北京工業(yè)大學機械工程及應用電子技術(shù)學院，北京100124；2.首都航天機械公司，北京100076)

基于軟PLC的變極性等離子弧焊接控制系統(tǒng)

陳樹君1雷彧1盧振洋1白立來1張浩2

(1.北京工業(yè)大學機械工程及應用電子技術(shù)學院，北京100124；2.首都航天機械公司，北京100076)

軟PLC技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新型控制技術(shù)，它是基于PC機的，因其強大的網(wǎng)絡通訊能力和數(shù)據(jù)處理能力迅速成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的研究熱點，闡述了變極性等離子弧焊的焊接原理，介紹了以德國3S公司的軟PLC產(chǎn)品CoDeSys以及EtherCAT現(xiàn)場總線為基礎的分布式變極性等離子焊接控制系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)通過讀取運行G代碼實現(xiàn)空間直線和圓弧的插補完成復雜空間曲線軌跡的行走，并且在運動控制的過程中實時控制焊接工藝參數(shù)，最終實現(xiàn)復雜空間曲線焊縫的焊接。

變極性等離子弧焊軟PLC現(xiàn)場總線EtherCATCoDeSys

0 序言

變極性等離子弧焊技術(shù)具有焊縫深寬比大、熱輸入能量集中、焊接效率高和焊后變形小等特點[1]，在鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接中獲得了廣泛的應用?；趥鹘y(tǒng)硬PLC的焊接控制系統(tǒng)一般具有可靠性差、布線復雜、焊接自由度有限等缺陷，并且傳統(tǒng)硬PLC的技術(shù)封閉，難以構(gòu)造開放的結(jié)構(gòu)體系，造成后期維護困難。隨著國際制造業(yè)不斷發(fā)展,自動化控制系統(tǒng)朝著多樣化、集成化、柔性化的方向發(fā)展，對分布式方面提出了更高的要求，封閉式控制系統(tǒng)已經(jīng)完全不能滿足當前自動化控制的需求[2]。

近年來，隨著工業(yè)控制領(lǐng)域IEC61131—3標準制定和實施，一項新的控制技術(shù)——軟PLC迅速發(fā)展。軟PLC(SoftPLC)技術(shù)相對于傳統(tǒng)硬PLC的優(yōu)勢在于采用面向現(xiàn)場總線網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和開放的通信接口，如以太網(wǎng)、高速串口等，采用了各種相關(guān)的國際工業(yè)標準和一系列的事實標準，全部用軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)硬PLC的功能。軟PLC技術(shù)應用使工業(yè)信息化和自動化有望實現(xiàn)真正意義上的無縫集成[3]。軟PLC技術(shù)利用其開放性和靈活性的優(yōu)勢，可以把通信、控制、人機界面及各種特定的應用運用于同一個硬件平臺上，從而簡化了工廠自動化的體系結(jié)構(gòu)。

控制系統(tǒng)以工業(yè)PC機和德國倍福E-bus模塊組成硬件平臺，基于德國3S公司的CoDeSys軟PLC和EtherCAT現(xiàn)場總線構(gòu)建系統(tǒng)的運動控制平臺和工藝控制平臺，搭建了一套基于軟PLC的變極性等離子弧焊自動化控制系統(tǒng)。應用CoDeSys軟件平臺，設計開發(fā)出焊接過程運動控制程序和人機交互界面，并且制定通訊協(xié)議完成主站工業(yè)PC與從站焊接電源EtherCAT通訊，實現(xiàn)焊接過程中焊接工藝參數(shù)的實時控制與監(jiān)測，從而設計出一套焊接工藝與焊接運動更為契合的自動化焊接控制系統(tǒng)。

1 基于PC的軟PLC控制系統(tǒng)機構(gòu)

軟PLC運行于PC機的操作系統(tǒng)平臺之上，通過現(xiàn)場總線和IO模塊等物理設備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使用軟件的方法對采集的數(shù)據(jù)進行儲存、運算和控制等工作，然后輸出控制信號完成傳統(tǒng)硬PLC的功能。軟PLC系統(tǒng)由編輯環(huán)境和運行環(huán)境兩部分組成，也可分為開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分。編輯環(huán)境與運行環(huán)境二者之間采用COMDCOM的通信機制,標準的通信接口由運行環(huán)境作為COM服務器提供；編輯環(huán)境作為COM客戶端應用利用這些接口進行本地或遠程訪問，例如代碼下載、運行環(huán)境的運行信息讀取等操作。軟PLC系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 軟PLC系統(tǒng)的整體框圖

2 變極性等離子弧焊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及焊接原理

2.1 變極性等離子弧焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 變極性等離子弧焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)是以變極性等離子弧焊為研究對象，最終實現(xiàn)復雜空間曲線的焊接，所以為了保證焊接質(zhì)量，焊槍需要在焊接的過程中保持立向上的焊接姿態(tài)，而且保證焊槍能夠在水平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)。

如圖3所示，在曲線焊縫上有S和W兩點，當S點為當前焊點時，工件需要保持一定的角度姿態(tài)，保證焊槍的速度方向與S點的切線方向保持一致且與水平面垂直，當焊槍運動到W點時，又需要對工件的角度進行調(diào)整，保證焊槍的速度方向與W點的切線方向保持一致且與水平面垂直。也就是說，為了在焊接過程中保持焊槍的立向上焊接姿態(tài)就需要實時調(diào)整工件角度。

圖3 變位焊接原理

綜上所述，控制系統(tǒng)的焊接操作機選用3+1軸的直角坐標機器人，帶動焊槍運動，工作臺選用能夠旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)的二維變位機，實時調(diào)整工件角度，如圖4所示。通過建立變位機和直角坐標機器人的運動學模型，控制直角坐標機器人X，Y，Z軸和偏轉(zhuǎn)軸A，變位機的翻轉(zhuǎn)軸T和旋轉(zhuǎn)軸R，實現(xiàn)六軸聯(lián)動完成復雜空間曲線的焊接。

2.3 工藝控制

為了保證變極性等離子弧焊工藝的焊接質(zhì)量，需要將運動控制和焊接工藝參數(shù)緊密配合[4]，在焊接的運動過程中對工藝參數(shù)實時控制和監(jiān)測。另外，在焊接過程中對變極性等離子焊接電源維弧的起停和主弧的起停控制，完成焊接時序控制，如圖5所示。

圖4 直角坐標機器人和變位機運動學模型

圖5 焊接時序圖

控制系統(tǒng)的焊接電源采用北京焊接技術(shù)研究所自主開發(fā)的變極性等離子焊接電源，帶有EtherCat接口，可以在EtherCat網(wǎng)絡中作為從站與外部設備進行數(shù)據(jù)交換。焊接過程中通過主控制器與等離子焊接電源間EtherCat通訊實現(xiàn)焊接時序控制和焊接工藝參數(shù)控制和監(jiān)測。

3 基于軟PLC的控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件設計選型

在樹木的人工培育過程中，移植需進行起挖、調(diào)運、定植等操作，易造成樹木根冠比的改變，因此移植初期植物的光合作用會顯著下降。隨后，由于新的根系和葉的萌發(fā)光合作用逐漸恢復，光合產(chǎn)物、光合速率會快速增加以滿足生長的需求。修枝后由于葉片減少，余下葉片的光合作用會顯著加強[22-24]。研究發(fā)現(xiàn)，鉀元素能激活植物體內(nèi)多種酶的活性[25, 26]，調(diào)節(jié)葉片氣孔的開合[27]、葉肉阻抗力的發(fā)生[28]，明顯提高植物的光合速率和光合化學活性[27, 29]，調(diào)控光合同化產(chǎn)物的合成、運輸及轉(zhuǎn)化[30]。

控制系統(tǒng)以工業(yè)PC機作為主控制器，EtherCat現(xiàn)場總線作為系統(tǒng)網(wǎng)絡連接，搭建一個主從分布式的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從站主要由伺服系統(tǒng)、I/O模塊和焊接電源組成。

3.1.1 伺服系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)需要控制6根電機軸，伺服驅(qū)動器選用三組倍福AX5203伺服電機驅(qū)動器。AX5203是雙通道(通道A，通道B)的伺服電機驅(qū)動器，可以同時驅(qū)動兩個電機，并且由于它的集成化控制技術(shù)，在運動控制的過程能夠完成高速和高動態(tài)定位任務。AX5203伺服放大器可以作為EtherCAT從站關(guān)聯(lián)到CoDeSys. SoftMotion的CNC軸，實現(xiàn)與主站工業(yè)PC機的高性能通訊。AX5203驅(qū)動放大器具有直流母線技術(shù)、制動能源管理系統(tǒng)和反饋接口多的特點，并且可以調(diào)節(jié)寬電壓檢測范圍和選擇多種電機類型。電機采用德國海道夫系列電機，完全可以滿足焊接運動需要的負載能力。

3.1.2 I/O模塊

系統(tǒng)中的I/O模塊作為EtherCAT從站完成系統(tǒng)控制信號的輸入和輸出。采用倍福E-bus模塊，模塊之間通過E-bus協(xié)議連接起來，E-bus協(xié)議實質(zhì)上也是EtherCAT，只是表現(xiàn)的形式不同而已。這些模塊主要包括EK1100，EL1004，EL2004，EL2521和EK1122，每一塊模塊的作用不同。EK1100作為總線耦合器，把系統(tǒng)中所有的EtherCAT從站設備連接到系統(tǒng)EtherCAT主站；模塊EL1004，EL2004是數(shù)字量I/O模塊，實現(xiàn)開關(guān)量信號的輸入、輸出；EL2521是高速脈沖發(fā)送模塊，最高能夠達到500 kHz的脈沖輸出，它在此系統(tǒng)中的主要作用是用來控制步進電機。另外，為了保證系統(tǒng)有良好的擴展性增加了模塊EK1122，可以實現(xiàn)對EtherCAT網(wǎng)絡的分流，能夠在EtherCAT網(wǎng)絡中再分出兩個EtherCAT接口，如圖6所示。

3.1.3 焊接電源

圖6 系統(tǒng)I/O模塊

焊接電源采用北京焊接技術(shù)研究所自主開發(fā)的變極性等離子焊接電源(VPPA)，它的核心控制器是STM32F107VCT6，通過SPI協(xié)議與倍福公司的FB1111-0141電路板實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)B1111-0141電路板帶有EtherCAT接口，可以作為從站通過總線耦合器EK1100連接到主站，這樣就實現(xiàn)了主站對變極性等離子電源的控制。圖7是控制原理簡圖。

綜上所述，完成了系統(tǒng)硬件的設計選型，圖8為控制系統(tǒng)硬件總體框圖。

圖8 控制系統(tǒng)總體硬件框圖

3.2 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計采用開放式軟件平臺CoDeSys,它是自動控制系統(tǒng)的開發(fā)工具,是按照IEC61131—3標準設計的，支持IEC61131—3標準IL，ST，F(xiàn)BD，LD，CFC，SFC六種PLC編程語言，用戶可以在同一項目中選擇不同的語言編輯子程序，功能模塊等。

如圖9所示，根據(jù)變極性等離子弧穿孔立焊的焊接原理，將控制系統(tǒng)的控制任務劃分為運動控制和工藝控制。運動學參數(shù)的獲取是通過三點定位法確定偏轉(zhuǎn)軸A和變位機的翻轉(zhuǎn)軸T、旋轉(zhuǎn)軸R相對于直角坐標機器人的安裝位姿。在直角坐標機器人X軸、Y軸和Z軸都處于位置零時，焊槍偏轉(zhuǎn)軸A的回轉(zhuǎn)中心處建立機器人的基坐標系，在焊槍尖點處建立工具坐標系，在變位機上建立工件坐標系，從而建立3+1軸直角坐標機器人和二軸傾斜/回轉(zhuǎn)變位機的運動學模型。根據(jù)機器人運動學正解運算通過示教生成焊接過程中軌跡行走所需要的G代碼文件，使用Codesys. SoftMotion的CNC功能，讀取并運行生成的G代碼文件，并通過機器人運動學逆解運算，將位置和速度信息賦給直角坐標機器人各個電機軸，從而完成焊槍的軌跡行走。

圖9 系統(tǒng)軟件總體框圖

圖10 焊接程序流程圖

為了保證焊接過程中穩(wěn)定良好的穿孔和收孔，在焊接開始前，進行焊接工藝示教，將每條焊接分成數(shù)段，設定每一段焊縫焊接速度和工藝參數(shù)，當焊接到前段時，主站工業(yè)PC機將所需要的焊接工藝參數(shù)發(fā)送給焊接電源完成工藝參數(shù)的實時給定。

焊接程序流程圖如圖10所示，首先在焊接開始前初始化各個焊接參數(shù)，當按下焊接開始按鈕后，初始化偏轉(zhuǎn)軸和變位機旋轉(zhuǎn)軸的位置，切換到工件坐標系為焊接做準備，并且調(diào)整焊槍和工件角度，通過加載運行G代碼將焊槍運行到槍進點等待起維弧。完成起維弧的操作后，焊槍運行到示教軌跡的第一點等待起主弧。執(zhí)行主弧操作，并且引弧成功后進入焊接程序，在焊接

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末端按下主弧停按鈕，進入收弧程序，在焊縫終點處主弧繼續(xù)燃燒一段時間， ?；≈蠛笜屵\動到軌跡示教中的槍退點，焊接結(jié)束。

4 結(jié)語

文中分析了變極性等離子穿孔立焊的焊接原理，詳細闡述了系統(tǒng)中的主要的控制任務———焊接運動控制和焊接工藝控制?；谲汸LC-CoDeSys 搭建了電氣控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)主要使用的器件做了簡單的介紹。經(jīng)過試驗驗證， 基于軟PLC 的變極性等離子弧焊接控制系統(tǒng)在焊接過程中能通過直角坐標機器人和變位機的聯(lián)動控制實現(xiàn)復雜空間曲線的焊接， 并能在焊接過程中實時調(diào)整焊接工藝參數(shù)， 所以能夠滿足變極性等離子弧焊的自動化焊接控制要求。

[1] 韓永全，陳樹君，殷樹言. 鋁合金變極性等離子焊接電弧產(chǎn)熱機理[J]. 焊接學報，2007，28(12): 35-37.

[2] 周萍，朱德森. 嵌入式PLC 的實現(xiàn)[J]. 機械與電子，1997(1): 10-12.

[3] 陽惠憲. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用[M]. 北京: 清華大學出版社，1999.

[4] 熊日偉. 基于直角坐標型機器人的VPPA 焊接系統(tǒng)[D]. 北京: 北京工業(yè)大學碩士學位論文，2014.

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2017-03-22