双焊枪自动焊接机数控系统设计

目前，在国内散热器T型管相贯线的焊接工艺上，多采用人工焊接方式。人工焊接存在焊接质量不稳定、生产效率低等缺点，因此，设计一种能自动完成T型管相贯线焊接的自动焊接机数控系统有很高的经济效益和社会效益。但是，散热器多T型管相贯线的焊接，存在焊接空间曲线复杂、在焊接过程中需要避障等问题，其模型(又称为马鞍形曲线)如图1所示。为了提高生产效率、降低人力成本的支出，要求当被焊件装上工件输送台后，焊接机自动完成T型管相贯线的焊接，无需人工干预。针对这种特殊的应用需求，本文设计了一种基于PC机和6K4控制器的开放式双焊枪自动焊接机数控系统。

1 自动焊接机硬件构成

　　要完成对T型管相贯线的焊接，除了要求焊枪具有平动功能，即焊枪的端瞄位置在允许的误差范围内准确跟踪相贯线焊缝外，还要求焊枪具有摆动的功能，保证焊枪轴线在焊接过程中始终与相贯线焊缝的切线方向保持一定角度。同时，在实际散热器T型管相贯线的焊接中，还存在以下问题：

　　(1)由于要进行多T型管相贯线的连续焊接，管与管之间的空间有限，单焊枪难以对T型管相贯线1次完全施焊，而采用分段分时焊接方式会由于温度分布不均产生较大的受热变形，严重影响工件的质量。

　　(2)由于在焊接过程中又存在铝翼等障碍，为避免发生焊枪头转动时与铝翼产生干涉，对焊枪枪头在垂直平面(XOZ平面)的抬头度也提出了要求。

　　针对这些问题，在该焊接数控系统的设计上采取了以下措施：

　　(1)采用双焊枪对焊的方式。控制两把焊枪同时相向运动，对相贯线进行1次性的完全焊接,每把焊枪只需完成半个T型管相贯线的焊接。

　　(2)使用6K4多轴运动控制器的1个电机驱动接口的输出脉冲控制两把焊枪同步运动。实时调整两把焊枪相对焊接工作区域的倾斜角度,以保证良好的焊接质量。

　　(3)控制焊枪运动的步进电机动力轴输出端通过固定孔为圆弧状且60°可调的圆盘法兰和焊枪固定在一起，从而使焊枪在Z轴方向上抬头度在60°范围内可调，方便用户进行调节，在焊接过程中避开铝翼障碍。

　　(4)焊接前，对焊枪头进行调整，使焊丝端瞄位置（即焊丝轴线的延长线与工件表面的交点,以下简称焊枪头部）其在焊接过程中始终处在焊枪的回转中心线上。消除在焊接运动过程中因焊枪头部不在焊枪的回转中心线上所造成的焊接质量问题。

　　但是在焊枪长度固定且要进行双焊枪同时焊接的情况下，一般需要五轴控制器才能实现。而在本焊接机的设计中，设计了一种新型的控制结构：采用了6K4四轴运动控制器，其中三轴实现X、Y、Z 3个方向上的插补，完成焊接曲线的拟合。同时为实现焊枪在焊接过程中实时摆动，利用6K4控制器的1个输出轴来同时控制两把焊枪（焊枪控制采用步进驱动系统），在保证经济性的同时，又保证了双焊枪摆动的同步性，提高了焊接精度。

　　该数控系统采用2级控制，上位机采用工业控制计算机（IPC），下位机采用6K4多轴运动控制器和MCS-51单片机系统并行运行的模式。整个焊接数控系统由5个轴组成。机床坐标系的建立如图1所示，分别是控制工件输送台移动的X轴，控制焊枪进给运动的Y轴，控制焊枪垂直移动的Z轴，以及控制双焊枪摆动的C轴。其中C轴细分为C1轴和C2轴，用来分别控制2个焊枪的摆动。其硬件结构原理图如图2所示。

工控机选用的是华北工控的型号为RWS-856A的工控一体化机。RWS-856A是专门为工业自动化应用环境设计的，配置有高性能的控制运算平台、低功耗的高性能工业主板、15英寸高亮带电阻式触摸面板的液晶显示屏，主要用来实现系统的管理功能及人机交互功能，如可实现图形显示、焊接参数设置、在线调试、数字焊机参数显示等。

　　控制器选用parker公司生产的6K4四轴运动控制器。6k4是一个结构独立的运动控制器，它能够控制1~4个轴的步进电机和伺服器的任意组合。另外，它还提供了8路限位开关（每轴2路）输入、4路原点开关（每轴1路)输入、4路通用数字量输出接口、8路通用数字量输入接口，RS232、RS485和以太网接口RJ45 3种通讯接口以及容量达300 KB的程序存储器[4]。在本研究中，使用6K4控制器的1个电机驱动端口同时驱动2套步进驱动系统。2个步进电机细分驱动器脉冲输入端CP、方向信号输入端CW分别与控制器的DRIVES端口的脉冲信号端STEP和方向信号端DIRECTION相连，在保证系统经济性的同时,使2个步进电机在低速情况下具有较高的运动同步性。

　　动力系统选用交流伺服系统（X、Y、Z）和步进驱动系统（C1和C2）。交流伺服系统是由交流伺服放大器、交流伺服电机和光电编码器组成的闭环控制系统，控制精度较高。因此，进行T型管相贯线轨迹拟合的X、Y、Z三轴采用安川的交流伺服系统，以确保空间曲线的准确拟合。而旋转轴是为了保证良好的焊接质量，为焊接工艺的要求所添加的,它只需控制焊枪在运动过程中做位置跟随运动。所以控制精度要求不高，又考虑到控制成本的要求，选用了由23H280-01EA型的混合式步进电机和AKS230型的细分驱动器构成的步进驱动系统。

　　传感器选择的是KEYENCE公司的光纤传感器,其主模块为FS-V31, 缆线NPN输出,响应时间193 μs~16.7 ms。为了提高焊接效率，焊接过程采用变速控制方式，并由光纤传感器检测焊接工件的立管边沿，以确定工件是否到达焊接工作区域。在工件没有运动到焊接工作区域时，输送台带动焊接件高速运行。当到达工作区域，安装在焊枪座上的光纤传感器检测到焊接工件的立管边沿时（即横管和立管的T型相贯线的起焊点位置），输送台带动焊接件执行低速注册运动，以补偿传感器检测位置和焊枪头部位置之间在X轴方向上所存在的位置偏差，确保在焊机开始起弧焊接时焊枪头部位于T型相贯线的起焊点位置。

　　焊接电源选用Pulse MIG-350Y/YL型的逆变式脉冲弧焊电源。它是一种使用Ar、CO2或者混合气体进行保护半自动数字化电焊电源。本系统使用混合气体进行MIG焊接。熔化极气体保护焊（MIG）的主要优点是可以方便地进行各种位置的焊接，同时也具有焊接速度较快、熔敷率高等优点，因此适合用于自动化焊接。另外，该焊接电源提供了RS485通信端口，方便6K4控制器对其进行直接控制，而无需人工操作。

2 自动焊接机软件设计

　　整个控制系统软件主要由三大模块组成：上位机IPC管理模块、通信模块、下位机控制模块。其中，上位机IPC的应用软件的主要任务是作为整个控制系统的后台管理模块，完成一些实时性不强的任务和一些多任务协调方面的工作。而对于各轴伺服插补运算、位置跟随、脉冲输出控制、I/O点的检测、系统的顺序上电、控制状态显示等实时性较强的任务，则由下位机6K4四轴运动控制器和MCS-51单片机系统来完成,其软件结构如图3所示。

图3 软件结构

　　2.1 上位机应用程序设计

　　上位机应用程序的主要作用是将数控系统的操作界面展示在屏幕上方便用户的操作，这是数控系统开发很重要的一部分。本研究利用Visual Basic 6.0可视化开发工具开发了自动焊接机人机界面。在数控系统工作时，用户只需输入简单的几个参数，就可以自动完成散热器T型管相贯线的焊接。这大大减轻了操作人员的劳动强度，提高了工作效率。上位机应用程序主界面如图4所示。

　　经过对自动焊接机硬件系统和用户需求的分析，系统上位机应用程序主要包括以下几个模块：系统初始化、参数设置与显示、点位数据库生成及下载、原点设置、系统状态显示等模块。

　(1)系统初始化：该模块主要为用户提供一个交互性好的人机界面。在这个界面中，用户可以方便地进行各种操作。数控系统运行时，首先运行此模块，完成用户登录、建立上位机与6K4运动控制器的连接，对有关指示器设置相应的工作状态等工作。

　　(2)参数设置与显示：针对散热器T型管相贯线数学模型的生成及焊接点位数据库生成所需的各种参数，设置了如下人机接口：横管直径、立管直径、焊接运动线速度、插补周期、两把焊枪的摆角及摆动速度。用户可以通过数字软键盘和带触摸屏的工控一体化机来方便地设置各种参数。在本模块中，采用直线插补方法对焊接曲线进行直线段拟合，完成上位机的对曲线的粗插补，并生成相应的焊接点位数据库，将其下载到6K4运动控制器中，以供运动程序调用。另外，在该模块中，还设置了焊接电源参数显示界面。上位机系统接收来自6K4控制器的相关参数数据，如焊接电流、焊接电压、送丝速度、起弧电流等。

　　(3)点位数据库生成及下载：在菜单栏中的工具选项下可以打开这个子菜单。点击生成按钮，程序会自动生成焊接所需的各轴的焊接点位数据库，并在屏幕上显示出来。然后点击下载按钮，则可将生成的点位数据库下载到6K4控制器中，当下载完成时，提示用户下载成功，可以返回主界面，完成下一步工作。

　　(4)原点设置模块：通过机床面板上的手动控制按钮，分别对Y轴、Z轴、C轴坐标位置进行手动设置，使两把焊枪均到达焊接起弧位置，并通过机床面板上的确定按钮保存当前设定的焊枪在焊接起弧位置时各轴的相对坐标原点，以方便工件的连续自动焊接。硬件原点按钮是使焊枪回到由各轴正负限位开关及原位开关（由接近开关组成）决定的硬件安装原点位置。

　　(5)系统状态显示：通过以太网接口，上位机系统可以通过API函数访问6K4运动控制器，读取各轴的当前坐标位置和运动速度，并在界面上进行实时显示。

　　2.2 下位机运动程序设计

　　T型管相贯线的粗插补由上位机完成，精插补及各轴联动控制由运动控制器6K4来完成。6K系列多轴运动控制器是建立在Compumotor的6000编程语言可靠平台之上的一款高性能多轴控制器,其特点是：电子凸轮，多任务处理，PLC扫描模式，可编程限位开关（PLS）功能，仿形和教学模式等。而且6000语言具有与Basic语言相似的结构，简单易用。在本系统软件设计中，6000语言运动程序主要功能是调用焊接点位数据库中的数据，并进行焊接曲线的精插补，以完成散热器T型管相贯线的精确拟合。同时，控制两把焊枪在运动过程中做位置跟随运动，跟随X轴做相应的摆动，以实时保持焊枪相对YOZ平面的合理夹角。其中，两把焊枪是由C轴脉冲来控制的。其主程序流程图如图5所示。

　　本文基于PC机和6K4运动控制器设计了用于散热器T型管相贯线焊接的自动焊接机数控系统。在硬件系统设计上，采用了 “PC+多轴控制器”的典型控制结构，并针对自动焊接机独特的双焊枪结构，提出了一种新型的经济型控制结构：两套步进驱动系统采用并联方式与6K4运动控制器的1个电机驱动端口相连，由它发出的同一组驱动脉冲驱动；在软件设计上，根据用户需求及人机交互的特点，采用Visual Basic 6.0 设计了该数控系统的人机界面。实际运行证明，该自动焊接机数控系统运行稳定、可靠，较好地满足了用户的设计需求。