基于PLC的焊接摆动器控制系统设计

基于PLC的焊接摆动器控制系统设计

(阿拉善职业技术学院机电工程系，内蒙古阿拉善盟750336)

摘要为了提高焊接精度，提升焊接质量和焊接效率，设计了一款具有良好交互界面的焊接摆动器自动

控制系统。首先分析了焊接摆动器机械结构，并在此基础上设计了一套以欧姆龙CP1H PLC为控制核心、威 纶触摸屏为人机交互系统、松下伺服电机执行驱动的焊接摆动控制系统，详细给出了控制系统硬件结构。并 在硬件结构基础上，进行了控制系统软件设计。最后对该控制系统进行了试验验证，试验结果表明该系统在 拥有友好的显示界面、性能可靠、稳定性强的前提下，具有较高的定位精度，能够满足焊接过程中焊枪摆动的 需要。

张永胜马晓燕

关键词：焊接摆动器

中图分类号：

PLC触摸屏

定位精度较低。

PLC即可编程控制器，是一种专为工业环境而设 计的计算机。PLC采用“面向用户指令”，编程方便，易 于使用。PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上 都采取了特殊措施，抗干扰能力强，可靠性高，而且 PLC系统设计、施工和调试的周期短，节省时间。为了 缩短焊接摆动控制系统的开发周期，降低成本，提高控 制系统抗干扰性以及可编程性，文中提出了一种基于 可编程控制器PLC与触摸屏相结合的焊接摆动器控制 系统，通过与伺服电机以及上位机触摸屏的结合，使得 焊接摆动器参数输人更加筒便，同时提高了焊接质量 和效率。

TG435

〇 前言

随着高度自动化焊接技术的快速发展，对焊接构 件的焊接精度、焊接质量以及焊接速度的要求越来越

高[1 <。为了提高堆焊效率，提高焊缝层面的焊接质 量和焊点精度，减小焊接不合格件的产生，增强自动 焊接设备对于不同焊件厚度以及焊接要求的适应能 力，提升焊接设备的自动化程度，通常采用高度自动 化的摆动器[44]。在焊接过程中摆动器按照一定轨 迹均匀摆动，可以增加焊道宽度，能够显著提高焊道 宽度均匀度，使焊件表面光滑度更好。此外，摆动器 摆动可以有效减小焊层厚度，能够实现多层次多道焊 接。

随着交流伺服技术的不断进步以及价格的下降， 利用它驱动的摆动器越来越多。该驱动方式与传统 的偏心连杆摆动器和步进电机驱动的摆动器相比，该 驱动方式能够满足摆动过程中摆动速度和摆动宽度 的精确控制，并能够根据脉冲反馈值进行自适应补 偿。文献[7]设计了一款基于DSP的焊接摆动控制 器系统，该系统以DSP芯片TMS320LF2407A作为核 心控制芯片，但该系统开发周期长、抗干扰能力差、编 程复杂。文献[8]提出了一种基于STC单片机的焊 接摆动控制系统，该系统采用的直流电机控制执行机 构进行摆动焊接，是用改变电机电枢电压的接通和断 开的时间比即占空比来控制马达的速度，该控制方式

收稿日期：2017 -02 -07

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2018年第7期

1焊接摆动器机械结构

焊接摆动器是一种通过驱动系统带动焊枪来回

往返运动的机构，实现这种往返运动的驱动系统主要 由电磁驱动系统、直线电机驱动系统以及伺服驱动系 统三大系统。电磁驱动系统主要通过电磁原理进行 运动控制，但这种控制方式定位精度较低，导致焊接 效果不理想；直线电机驱动主要是通过直线电机直接 转化为直线运动，这种驱动方式进给速度特性好，加 速周期短，但这种控制方法速度波动性较大，对于机 械机构损伤较为厉害；伺服驱动系统是通过减速器将 旋转电机的旋转运动转换为直线运动，这种驱动方 式，结构筒单，且电机加减速度便于控制，可以大大提 高焊接精度以及焊接美观度，提高焊接摆动器的可控 性。为此采用伺服电机作为摆动器的驱动来源，通过

滚 进行运动传递，从而实现对焊接摆动器的精

确

#

滚 将直 转化 转 者将

旋转 转化为直 的机械结构，这种结构的主要特

将

变成滚动，这种结构摩擦

：

， 在 精 设备中被广泛使用。滚 ：

主要由 、滚 等组成，如图1 ，参 及减速比可 对摆动器的精确定位控。

图

1

摆动器机械结构

2控制硬件结构设计

焊接摆 主要由执行结 驱

系统两大

部分组成，采用触摸 PLC相结合的 式，焊接

摆

系统硬件结构如图+ ， 摸设置

参数，PLC可 对伺服电机发送定位控

冲对伺服驱动系统进行精确定位 ， 电感器和限位传感器将采集到的信号传送给PLC，PLC 根据 出判断，以便发准确的 指

令[9]。 摸、PLC以及伺服系统等组合在一起便构成了焊接摆

的控制系统。

RS-232C

欧姆龙 CP1H|---------伺服驱动器

U光电传感器

-伺服电机

ii

限位传感器

图2

控制系统硬件框图

2)触摸屏

摸屏简称HMI，主要作用 入控制参 及

将摆

系统各执行机

进行显示，由于焊

生产：]iIZ 用

々專接摆 环境复杂 ，为了保证焊接设备能够高效 可 行，同时考 用 产品成本，该制系统选择威纶公司生产的MT6070iH。通过触摸屏 可 摆 值、摆 度、左时间、右时间等参 的设置，并 对摆 行 等信息的有效监控[10]。MT6070iH系统触摸屏拥有RS - 232串口，通

口实现与PLC的实时 ，拥有400 MHz的32位RISC处理速度，并能够承受超高电压500 V AC1min。2) PLC

针对摆 系统主要对伺服电机进行精确位运行 ，并顾系统设计成本，文中 欧姆龙CP系统CP1H PLC，该款PLC拥有4轴脉冲输出， 可

4

步

，拥有先进的S加减速度

丨

方式， 可 精确定位 ，并可减小设备因

加减速变化出 ， 提高了摆 周期；款PLC拥有高速的指令处理管理，有助于提 个

系统的高速化;在串行 能方面可以根据需求进

行任意配置RS232 RS485 口， 与摸屏的 时 。2.3伺服系统

图3为伺驱动器的硬 接电路图。焊接摆动伺服系统包括伺服驱 伺服电机，PLC给伺服

驱

发送脉冲命令，驱伺服电机

，伺电机通

步带或减 带动摆 ， 摆焊接作

业任务。该系统选用的是松下MINAS -A5系列伺服。 MINAS -A5系列是松下公司的最新工业产品，是

相AC

开关

DC 24 V

COM1伺服使能

CCW伺服除能 ALRSSON15CW驱动禁止 驱动禁止FSTP14RSTP1偏差计数器

CLE115清零

指令脉冲禁止 ADCJINH141

齿轮比换算

伺服准备 SRDY1伺服报警 定位完成 COINALM15输出公共端

DG

141

图3

伺服电机控制系统

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类产品的升级。

为了对焊接摆动器精确定位，该系统采用伺服 电机对滚珠丝杠进行运动控制。伺服驱动器可以通 过接收PLC控制的伺服驱动器的外部脉冲和模拟 量实现摆动器的位置和速度控制[11]。该系统因要 精确控制摆动器的位置运动，并将通过接收到PLC 发出的脉冲的个数，精确控制伺服电动机的速度与 方向。3

控制系统软件设计

3.1焊接参数输入设计

焊接摆动器控制系统采用威纶MT6070iH人机交 互系统对焊接参数进行输入，威纶触摸屏自带EB8000 编程软件，通过该编程软件编制焊接摆动器参数输入 画面，画面如图4所示，画面中的输入框中的地址与

PLC中地址相对应。

在触摸屏宏指令中可以使用数据寄存器存储几组 常用的焊接参数，在焊接过程中可以快速的调取焊接 参数，从而完成参数设置。因此在实际加工过程中

，一

般的焊接工人只需选择合适的参数便可直接进行焊 接，从而增加了焊接摆动器的实用性。

(a)总体

(b)内外枪

图4

参数设置画面

3.2摆动过程设计

伺服电机通过接收PLC脉冲端口发送来的脉冲和

60

2018年第7期

脉冲频率来实现转动，整个摆动过程如图5所示。通 过控制电机正反转实现焊枪左右摆动，通过触摸屏设 置左右停顿时间参数以实现左右边界以及中心的停

顿[12]。根据焊接实际情况，调整停顿时间，从而实现多 种焊接工艺的需要。3.3加减速运动控制

焊接摆动器在运动过程中会因为加减速度变化出 现冲击、超程或者振荡，为了避免上述现象，提升焊接 精度，文中采用S曲线的加减速运动控制方式，对伺服 系统的伺服电机进行加减速控制。合适的加减速控制 可以有效提高机械结构的稳定性，并可以有效提高摆 动器的位置控制精度[13]。文中采用CP1H中的PLS2 指令实现摆动器的加减速控制，加减速控制曲线如图6 所示，S形加减速的加减速曲线将设定的加减速比率的 直线通过3次函数变为近似曲线（与3次多项式近 似）〇

图5

焊枪摆动流程

脉冲频率,

最大加速度为1.5倍

目标频率

S形加减#

指定时的7

%^时的加减速

加减速y

\\^/设定的减速比率

设定的/ 启动频率

加速^

指

_星

比率

悖止频半达到目标频率

^时间

PLS2指令执行

输出停止

图6

加减速控制曲线

4试验分析

了验证焊接摆 系统的

、可

及精确性，搭 了如图7 的试验

进行

试验分析， 摆精度来分析该系统的

。在摸 对焊接外枪参数进行设置，摆摆幅设置+0 ??和15 mm，摆 度设置为20 mm/s，40 mm/s，50 mm/s，每个位置停留0.5 s。该试验平 依

执行机构，

真的焊

接摆动试验。

图7

试验平台

P L C发送3组不同脉冲，即给定电机不同转

的情况下，

一度下焊接摆

的摆

差，

据见表1。由表1中试验数据可 出，在入

一定的速度和摆 度后，焊接摆 的 摆动幅度能够在 的误差范围内变化，由此可 出该系统拥有较高的 精度，完能够 多种焊接 ：

的需要'14(。

表

1

不同速度和摆动幅度下摆动误差

摆动速度

摆动幅度误差/mm

/ ( mm - s _1 )

摆

度 20 mm

摆动幅度15 mm

200.02,0.03, -0.01-0.01，0.02, -0.03400.03,0.02, -0.02-0.03, -0.01，-0.0250

-0.03, -0.01，-0.02

0.03,0.02, -0.02

5

结束语

了提高焊接 自动化程度，提高焊接精度和

焊接 ，设计了一款基于人机触摸 PLC的焊接摆

系统，详细介绍了整个系统的硬件结构，

生产：]iIZ 用

々專并在硬件结构基础上设计具有

交

能的人机

，并出了摆 及加减

方法。 系统 了 PLC的抗干扰能力强、稳定

高等 ，

的试验数据表明，

系统能够

摆 的高精度来回摆动，能够

产的

要。

参考文南犬

[1] 张文明，柏久阳，许强J]..窄间隙埋弧焊焊接摆动器设计[热加工工艺，2012,41(15):194 -196.[2] ， ， 明.基于DSC的焊枪摆动控制系统

研究[J].热加工工艺，2011，11 (8): 139 - 142.[3 ] 达，张金东， ，等.基于交流伺服电机的焊

接摆 设计[J].自动化与仪器仪表，2009(6):22 -23.[4] 王铁钧，崔彤.焊枪摆动系统在焊接中的应用[J].焊接，

2004(1) ：39 -41.[5]莫 立东.基于Hq #的焊接摆动器伺服系统设计[D].

沈阳:沈阳大学硕士学位论文，2010.[#] 品.PLC 摸屏组合 系统的应用[J].自动化

仪表，2010(8 ):45 -47.[7] ， 清，钱丽娜.基于DSP的焊接摆动器研制

[J].电焊机，2009(10):78 -80.[8] ， ，雪.基于STC单片机的焊接摆动

系统的设计[J].南京师范大学学报（ 技术

版），2010(10):17-21.

[9] 李强.基于PIC单片机的煤矿电力智能控制系统设计[J].煤矿机械，2014,35(2):190 -191.[10] ， . PLC与触摸屏组建两轴数控点焊控制系统

[J].焊接技术，2017,46(7):61 -65.[11] 林， 雄， .基于三轴伺服驱动的自动焊

接系统设计[J].南昌 学院学报，2018,37(3):81-84.

[12] 许强.焊接摆动器嵌入式控制系统研制[D].沈阳:沈阳

学 学位论文，2013.

[13] 彭 ， .基于PLC焊接摆动器控制系统的设计

[J].技术与应用，2016(11) :3.[14] .窄间 焊焊丝摆动及其控制模式研究

[D].沈阳:沈阳大学 学位论文，2012.

作者简介：张永胜，1976年出生，硕士，副教授。主要从事电

气自动化控制科研工作。

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