基于PLC的油箱焊接平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計

南春輝

摘要：針對普通油箱焊接平臺的控制精度低、焊接質(zhì)量差的缺點，設(shè)計了基于PLC控制器和伺服控制技術(shù)的油箱焊接平臺控制系統(tǒng)。介紹了油箱焊接平臺的控制系統(tǒng)的工作原理，給出了PLC控制器與伺服控制器以及各傳感器的電路連接關(guān)系。詳細(xì)介紹了軟件對各個伺服電機(jī)的動作控制流程以及觸摸屏的界面設(shè)計。通過對系統(tǒng)的測試表明，系統(tǒng)能夠完成平臺的精確定位，保證焊接精度，可投入使用。

關(guān)鍵詞：PLC控制器;伺服控制;油箱焊接

0 ?引言

隨著我國制造業(yè)水平的提高，我國逐步從制造業(yè)大國向強(qiáng)國邁進(jìn)。為實現(xiàn)“中國制造2025”的發(fā)展目標(biāo)[1]，實現(xiàn)高端制造業(yè)的跨越式發(fā)展成為我國制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。金屬油箱是一種薄壁容器，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械和航天航空等領(lǐng)域[2]。油箱的密封性要求高，因此焊接平臺對油箱的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的焊接方式是將油箱放在支撐架上，手工操作控制油缸的位置。這種方式完全依靠人工經(jīng)驗，無法精確控制，導(dǎo)致油箱的密封性較差。為了解決上述問題，本文研制了一種基于PLC控制器和伺服控制技術(shù)的油缸焊接平臺控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對平臺位置的精確定位，以及油箱焊縫的精確控制，從而保證了油箱的焊接質(zhì)量。

1 ?整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

油箱焊接平臺為了實現(xiàn)油箱位置的精確控制，采用了X軸、Y軸和Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)。每個自由度上的運動機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠進(jìn)行運動。焊接時，油箱通過夾具固定到回轉(zhuǎn)支撐平臺上面。控制系統(tǒng)中的PLC控制器和伺服驅(qū)動器驅(qū)動各個軸上的伺服電機(jī)動作，配合焊絲的移動完成焊接。如圖1，控制系統(tǒng)中除了PLC控制器和伺服驅(qū)動器，還包括安裝在X軸、Y軸上的正負(fù)極限位置開關(guān)和Z軸上的原點接近傳感器。正負(fù)極限位置開關(guān)用于限定X軸和Y軸方向的極限位置;原點接近傳感器用于確定X軸、Y軸和Z軸坐標(biāo)原點位置。

1.2 工作原理

油箱焊接平臺的控制系統(tǒng)的工作原理如下：首先根據(jù)焊接工藝確定X軸、Y軸和Z軸的位移和速度等參數(shù)，通過觸摸屏將這些參數(shù)輸入PLC控制器，PLC控制器根據(jù)這些參數(shù)生成相應(yīng)的動作指令并輸出給各伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動各伺服電機(jī)，通過平臺動作帶動油箱移動位置。

2 ?控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PLC與傳感器

油箱焊接平臺的控制系統(tǒng)選用歐姆龍CP1H系列PLC作為控制器。該系列中的CP1H-XA40DT-D型PLC具有40個輸入輸出點，包括輸入通道0CH和1CH，輸出通道100CH和101CH。輸入通道與系統(tǒng)中的各傳感器以及開關(guān)相連，輸出通道與伺服驅(qū)動器的控制端口相連。該PLC內(nèi)置了4路模擬輸入端口[3]，能夠滿足與輸出信號為模擬量的傳感器相連。由于系統(tǒng)需要人機(jī)交互設(shè)備來實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的輸入與系統(tǒng)狀態(tài)的顯示，所以選用了步科公司的MT4414T型觸摸屏。

如圖2所示，PLC控制器的輸入端口主要連接系統(tǒng)中的傳感器，包括在X軸、Y軸上的正負(fù)極限位置開關(guān)和原點接近傳感器。X軸和Y軸均為水平進(jìn)給軸，在兩個軸的正負(fù)方向的極限位置安裝限位開關(guān)，保證動作安全可靠。限位開關(guān)選用歐姆龍D4V系列小型限位開關(guān)。原點位置通過接近傳感器來確定，選用歐姆龍E2B系列電磁式接近傳感器，動作模式為NO模式，當(dāng)機(jī)構(gòu)運動到原點位置時，傳感器動作輸出低電平;當(dāng)機(jī)構(gòu)離開原點時，傳感器輸出高電平。

2.2 伺服控制器

油箱焊接平臺的運動控制利用了伺服控制原理：伺服控制系統(tǒng)是一個帶有反饋功能的控制系統(tǒng)，如圖3所示，伺服驅(qū)動器接收PLC控制器發(fā)送來的脈沖，同時接收伺服電機(jī)尾部的編碼器反饋回來的反饋脈沖，驅(qū)動器對輸入脈沖與反饋脈沖進(jìn)行比較運算得到二者的偏差，通過控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)改變反饋脈沖來消除偏差，從而保證伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動量符合輸入的指令脈沖。伺服控制系統(tǒng)根據(jù)控制目的的不同分為：速度控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式和位置控制方式。由于油箱焊接平臺要求對焊接油箱的位置進(jìn)行精確的控制，所以選擇位置控制模式。

伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)選用臺達(dá)公司的ASDA-A2系列，該系列驅(qū)動器的控制回路均采用高速數(shù)字信號處理器（DSP），配合增益自動調(diào)整、指令平滑功能的設(shè)計以及軟件分析與監(jiān)控，可達(dá)到高速位移、精準(zhǔn)定位等運動控制需求。

3 ?控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 焊接軌跡設(shè)計

通過對焊接工藝的分析，首先規(guī)劃焊接軌跡，由于油箱制作后期要作翻邊處理，為了保證其密封性[4]，軌跡設(shè)計為四角為圓弧的矩形。如圖4所示：系統(tǒng)上電后，X軸、Y軸和Z軸均處于原點位置，焊槍位于HOME點。啟動焊接后，焊槍從HOME點移動到工作點O。焊接軌跡由直線段和圓弧連接而成，起點設(shè)定在軌跡下直線邊的中點M處。然后從M點逆時針依次焊接各個直線和圓弧段，最后回到M點。結(jié)束后，焊槍回到HOME點，完成焊接。

3.2 伺服控制設(shè)置

PLC控制器選用歐姆龍CP1H系列PLC，該PLC具有四路脈沖輸出端口，能夠輸出脈沖指令和方向指令，實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的控制。伺服驅(qū)動器有三種模式：速度模式、轉(zhuǎn)矩模式和位置模式。由于需要對油箱進(jìn)行精確定位，所以選擇位置模式。PLC控制器中通過SPED指令實現(xiàn)脈沖的輸出。程序如圖5所示。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計

油箱焊接平臺的控制系統(tǒng)選用步科公司的觸摸屏實現(xiàn)人機(jī)交互。其編程軟件選用kinco HMIware[5]。如圖6所示，觸摸屏的界面設(shè)計包括了手動和自動兩種模式的界面，手動模式主要包括油箱的參數(shù)設(shè)置，X軸、Y軸和Z軸的動作控制。自動模式包括了一鍵啟動控制和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視。兩種模式采用統(tǒng)一的界面，便于操作。

4 ?結(jié)語

本文設(shè)計并開發(fā)了一種基于PLC控制器的油箱焊接平臺的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過PLC控制器實現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制，從而精確控制油箱在X軸、Y軸和Z軸三個自由度上精確定位，保證油箱的焊接質(zhì)量。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度高、可靠性高，有助于提高油箱的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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