李榮，徐富家，李洪偉，徐良，費(fèi)大奎

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028;2.哈爾濱現(xiàn)代焊接技術(shù)有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

隨著中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，數(shù)控激光切割、焊接成套裝備的需求不斷增加，目前國(guó)內(nèi)面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的中高端激光加工成套裝備和集成配套國(guó)外產(chǎn)品的技術(shù)還不能滿足行業(yè)需求。開(kāi)發(fā)應(yīng)用于工程機(jī)械、軌道交通、海洋船舶、航空航天、石油化工、汽車等行業(yè)的高功率激光及激光電弧復(fù)合焊接、切割、熔覆、熱處理等裝備，是激光制造發(fā)展方向之一。另外，實(shí)現(xiàn)激光制造生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、柔性化與智能化已是大勢(shì)所趨[1-4]。

目前國(guó)內(nèi)外主要采用個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC機(jī))、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及可編程邏輯控制器(PLC)作為核心控制器設(shè)計(jì)激光制造工作站及焊接專機(jī)的控制系統(tǒng)。韓維敏[5]基于三菱PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)激光焊機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)酸洗生產(chǎn)線智能控制。王有偉等人[6]設(shè)計(jì)了一種基于三菱PLC控制的導(dǎo)葉修復(fù)自動(dòng)堆焊裝置。馮寶林等人[7]基于PLC 設(shè)計(jì)龍門式自動(dòng)化焊接專機(jī)，較好地解決特種車輛底盤尺寸種類多、焊縫姿態(tài)多、焊點(diǎn)多、焊縫短的難題。PLC適用于自動(dòng)化工程的各種應(yīng)用場(chǎng)合，尤其在生產(chǎn)制造工程中，基于PLC設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)是一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。

文中針對(duì)大功率激光制造的應(yīng)用需求，分析了激光制造工藝及工件結(jié)構(gòu)、尺寸、焊縫軌跡等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)激光焊、激光-CMT復(fù)合焊、激光-MIG/MAG復(fù)合焊、3D打印及熔覆等多種激光制造方法的柔性化自動(dòng)控制方案。同時(shí),建立激光制造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)時(shí)采集、儲(chǔ)存、修改、導(dǎo)出工藝參數(shù)的同時(shí)為企業(yè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，企業(yè)可隨時(shí)導(dǎo)出需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，方便掌握工作站運(yùn)行及生產(chǎn)狀態(tài)，避免工作站成為信息孤島，更好地融合到企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)中，推動(dòng)企業(yè)向數(shù)字化工廠發(fā)展[8-9]。

1 機(jī)器人激光制造工作站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人激光制造工作站采用大功率光纖激光器和焊接電源作為熱源，依托高軌式龍門架機(jī)器人系統(tǒng)作為行走機(jī)構(gòu)。激光器兩路分時(shí)輸出，一路連接到激光復(fù)合焊接頭，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接功能；另一路連接到激光熔覆頭，送粉器同步送粉，實(shí)現(xiàn)激光3D打印及熔覆等功能。

1.1 激光制造工作站組成及系統(tǒng)功能

機(jī)器人激光制造工作站有以下主要部件組成：激光器、水冷機(jī)、高軌式龍門架機(jī)器人系統(tǒng)、焊接電源、激光電弧復(fù)合焊接頭、送粉器、激光熔覆頭、焊縫跟蹤系統(tǒng)、控制柜及操作臺(tái)、輔助系統(tǒng)等。高軌式龍門架機(jī)器人系統(tǒng)是由龍門架行走機(jī)構(gòu)、6軸機(jī)器人及變位機(jī)組成的11軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)包含穩(wěn)壓電源、煙塵處理系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。整套工作站置于激光安全防護(hù)圍欄內(nèi)，圖1為機(jī)器人激光制造工作站整體布局效果。

圖1 機(jī)器人激光制造工作站整體布局

1.2 激光制造工作站的系統(tǒng)組件功能及控制要素

基于激光制造工作站的組成，為實(shí)現(xiàn)配套集成控制，分析被控對(duì)象。表1為各部件功能及主要控制元素清單。

表1 部件功能及控制元素清單

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)基于SIMATIC S7-1500 PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)，該自動(dòng)化系統(tǒng)具有高性能、高集成性和故障安全功能。CPU選用1511-1PN，帶PROFINET接口，工作存儲(chǔ)器1.23 MB，位運(yùn)算的處理時(shí)間60 ns[10]，能夠滿足機(jī)器人激光制造工作站的控制需求。

分析激光制造的熱源、行走機(jī)構(gòu)及輔助部件的接口電路及控制原理，設(shè)計(jì)了工作站硬件電路并配線安裝，下位機(jī)控制柜內(nèi)包含PLC、斷路器、接觸器、繼電器、電源、接線端子排等，柜內(nèi)強(qiáng)、弱電布線分開(kāi)且接地良好，能有效抑制干擾。上位機(jī)操作臺(tái)是整套工作站的“指揮中，安裝工控機(jī)、電源開(kāi)關(guān)和功能按鈕。各集成部件通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線及I/O信號(hào)線與控制柜內(nèi)主控制器連接，通過(guò)下位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)各集成部件的啟停、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、互鎖及聯(lián)動(dòng)控制等。圖2為控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)，其中輔助系統(tǒng)未在控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)中體現(xiàn)。在TIA Portal軟件中新建項(xiàng)目，將CPU模塊、PM模塊、DI/DO模塊、AI/AO模塊以及通信模塊拖至導(dǎo)軌的插槽中，并將主要集成部件的配置文件(GSD)導(dǎo)入后完成硬件組態(tài)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)各個(gè)集成部件之間的相互通信。PLC作為主站與龍門架機(jī)器人系統(tǒng)、激光器、焊接電源等從站之間采用PROFIBUS通信，總線最大長(zhǎng)度小于200 m，通訊速率為1.5 Mb/s。圖3為控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖3 控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

2.3 編程軟件

下位機(jī)軟件編程基于TIA Portal軟件實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)軟件基于WINCC V7.3開(kāi)發(fā)，兩者通過(guò)SIMATIC S7-1200,S7-1500 Channel進(jìn)行通訊，變量讀取采用循環(huán)讀取的方式，WINCC V7.3可通過(guò)絕對(duì)尋址和符號(hào)尋址訪問(wèn)S7-1500的變量，通過(guò)裝載執(zhí)行器(AS)消息可加載PLC程序報(bào)警；兩者配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人激光制造工作站的可視化控制。

3 系統(tǒng)流程分析及編程

3.1 流程分析及下位機(jī)編程

圖4為機(jī)器人激光制造工作站運(yùn)行流程，包括運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)軌跡調(diào)整、工件定位夾緊、工藝參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行模式選擇等。

圖4 工作流程

對(duì)程序中用到的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行配置，基于系統(tǒng)運(yùn)行流程分析，設(shè)計(jì)邏輯嚴(yán)密的梯形圖程序，控制整套系統(tǒng)穩(wěn)定、高效工作。各集成部件單獨(dú)編寫FC，DB塊，在主程序OB1中調(diào)用。

3.2 機(jī)器人系統(tǒng)編程

多自由度的11軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠很好的滿足三維空間不同焊縫軌跡的變化，所有軸都由數(shù)字化交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行高速、精確、穩(wěn)定，本體負(fù)載能力60 kg，重復(fù)定位精度小于0.05 mm,x，y軸行走速度0～15 m/min，z軸行走速度0～2 m/min。

基于機(jī)器人系統(tǒng)配置軟件完成對(duì)外部軸及從站I/O配置，系統(tǒng)工作時(shí)，PLC通過(guò)外部自動(dòng)運(yùn)行接口向機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)送機(jī)器人進(jìn)程的相關(guān)命令，包括運(yùn)動(dòng)許可、故障確認(rèn)、程序開(kāi)始等，同時(shí)機(jī)器人控制系統(tǒng)向PLC發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)等信息。表2為交互的I/O信號(hào)。依據(jù)信號(hào)時(shí)序編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的控制。

表2 輸入輸出信號(hào)表

機(jī)器人系統(tǒng)編程包含運(yùn)動(dòng)、邏輯及外部自動(dòng)編程。依據(jù)激光加工工件的焊縫位置和工藝時(shí)序在示教編程器上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及邏輯編程；在CELL.SRC中對(duì)程序名稱和程序號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)完成外部自動(dòng)編程。

3.3 上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

主控制器CPU 1511-1PN通過(guò)人機(jī)界面提供調(diào)試和信息交互操作，基于WINCC V7.3設(shè)計(jì)中文操作的人機(jī)界面，包含生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、生產(chǎn)信息管理、參數(shù)設(shè)置、故障提示、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等主要頁(yè)面。輸入用戶名及密碼登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)分配不同級(jí)別的數(shù)據(jù)操作權(quán)限。圖5為系統(tǒng)登錄界面。

圖5 系統(tǒng)登錄界面

圖6為生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控頁(yè)面，能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)器人系統(tǒng)、焊接電源、激光器、送粉器及其它輔助設(shè)備的工作狀態(tài)和工作參數(shù)。生產(chǎn)信息管理界面，用于維護(hù)操作人員班次信息和工件信息，工件信息可手動(dòng)錄入也可以掃描工件二維碼自動(dòng)識(shí)別。圖7為參數(shù)設(shè)置界面，該頁(yè)面下可根據(jù)工件類型及編號(hào)設(shè)置和存儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)程序號(hào)、激光器程序號(hào)或功率值、焊機(jī)如送絲速度、弧長(zhǎng)修正等參數(shù)。掃描工件二維碼，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配焊接參數(shù)，該參數(shù)可據(jù)工況實(shí)時(shí)調(diào)整、存儲(chǔ)、調(diào)用。

圖6 生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控頁(yè)面

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

故障提示界面，用于提示系統(tǒng)報(bào)警點(diǎn)，故障排除方法和日常維護(hù)提示。數(shù)據(jù)庫(kù)管理界面用于對(duì)已采集的工藝參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)出、打印、統(tǒng)計(jì)、篩選、分析等數(shù)據(jù)處理操作?？刂葡到y(tǒng)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通可方便企業(yè)隨時(shí)導(dǎo)出需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)進(jìn)度管理和產(chǎn)品質(zhì)量追溯，推動(dòng)企業(yè)向數(shù)字化工廠發(fā)展。

4 應(yīng)用情況

模塊化的設(shè)計(jì)可根據(jù)用戶不同應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)不同的功能，更易于擴(kuò)展，使得應(yīng)用場(chǎng)合更柔性化。基于此方案的機(jī)器人激光制造工作站已在軌道交通、工程機(jī)械、海洋船舶等領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備部件激光制造中得到應(yīng)用。圖8為國(guó)產(chǎn)第一套軌道車輛大型龍門激光焊接成套裝備。該套設(shè)備應(yīng)用在馬來(lái)西亞地鐵線、埃塞俄比亞客車等多條地鐵線的大部件焊接上，自2013年交付使用至今應(yīng)用效果良好。圖9為國(guó)內(nèi)首套大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件厚板機(jī)器人激光-電弧復(fù)合熱源智能焊接系統(tǒng)，主要用于300～3 600 t履帶起重機(jī)大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化及智能化焊接，自2016年交付使用至今。

圖8 國(guó)產(chǎn)第一套軌道車輛大型龍門激光焊接成套裝備

圖9 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件厚板機(jī)器人激光-電弧復(fù)合熱源智能焊接系統(tǒng)

以上實(shí)際應(yīng)用案例證明，該機(jī)器人激光制造工作站數(shù)字化控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定且易于維護(hù)，能夠顯著提高焊接效率與質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)大功率激光制造的應(yīng)用需求，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種激光制造方法的數(shù)字化控制系統(tǒng)方案。完成硬件電路、通訊架構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人激光制造工作站的可視化控制。建立激光焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)并提供數(shù)據(jù)接口，與企業(yè)信息管理平臺(tái)互聯(lián)互通。

(2)基于該方案設(shè)計(jì)的機(jī)器人激光制造工作站的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定且易于維護(hù)，能夠顯著提高焊接效率與質(zhì)量，改善工人勞動(dòng)環(huán)境，并已在多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備部件激光制造中得到應(yīng)用。