基于S7-200 SMART PLC的自动焊接系统设计.pdf

务1 甸 似 基于S 7 2 13 0 S MA R T P L C 的 自动焊接系统设计 Des i gn of au t om a t i c w el di ng s y st em bas ed on 7- 200 SMART PLC 孙松丽‘ ，吴晓防 SU N So n g ． 1 ．W U Xi a o ． f a n g 1 ． 南京理工大学 泰州科技学院 机械工程学院；泰州 2 2 5 3 0 0 ；2 ． 江苏林海雅马哈摩托有限公司，泰州 2 2 5 3 0 0 摘 要 为提高中厚壁长直焊缝焊接效率和精度，设计了以西门子 7 - 2 0 0 S M A R T P L C 为控制核心， 以焊枪运行机构和手工焊机为执行机构的多层自动焊接系统。通过控制具有三自由度的焊枪 运行机构实现焊枪按设定轨迹的多层运行 ，通过控制手工焊机实现对焊接电流、焊丝及保护 气等的全部时序控制。文章从系统总体结构、系统硬件及软件等方面详细阐述了设计思路和 实现方法。重点介绍了利用单台s 7 2 0 0 S MA R T PL C 实现对三台步进电机的定位和速度控 制。本系统已投入使用，效果良好。 关键词P L C ；自动焊接；焊枪运行机构；步进电机 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 4 1 1 上 一 0 1 3 7 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 。 2 0 1 4 ． 1 1 E ． 3 9 0 引言 随着当今时代科技的飞速发展 ，焊接作为一 种关键 的制造技 术已经 步入 了一个崭新 的发展阶 段 ，许 多在 激 光 、数 字控 制 、计算 机 、信 息处 理 、工业机器人等领域 的当今最新科研成果 、高 新技术与前沿技术不断融合在焊接之 中 】 ，多种直 缝 自动焊 接设备 随之大量 出现 。这些直缝 自动焊 接设备焊炬 多采用气缸升降 ，高度 只能通过机械 夹具微调，仅适用0 ． 5 mm6 mm的薄壁单层焊接 。 而在建筑 、石油化工、工程机械等行业 ，随着大 型焊接结构的需求增多 ，厚板多层多道焊的应用 越来越普遍 。 目前国内的厚壁结构焊接方法以多 层多道熔化极气体保护焊为主流口 】 ，一般仍采用手 工 焊接 或半 自动化 焊接 ，焊 接 效率 偏 低 ，工 人 劳动 强 度 较大。此外，多数MA G ／ MI G ／ T I G等熔化极气体保护手工焊 i 机本体 自动化程度较高，除不 能自动驱动焊枪的运行外均可 实现对焊接电流、保护气和焊 ； 丝等的全部时序控制 。针对 上述现状，本文设计了具有三 手工焊机组 合，共 同构建 了适用于中厚壁长直缝 多层焊 的 自动焊接 系统 ，实现 了焊接 自动化。应 用表 明，该 系统设备资金投入少 ，使用方便 ，焊 接质量稳定 ，效率较高 。本系统设计理 念具有实 际推广价值 。 1 系统总体结构 所 设 计 的 自动焊 接 系统 主 要 由焊枪 运 行机 构 、控制柜 、气体保护手工焊机 及其 它辅 助部分 组成，如图1 所示。 焊枪运 行机构 为系统执行机构之一 ，在 系统 控制下通过夹持焊枪 实现焊枪在X、Y、Z 三个方 向上按设定轨迹的运行。整个机构由3 台步进电机 和机械部分组成 ，结构示意如 图2 所示。其中，摆 厂 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ] l M c G s 触 摸 屏 l 通 订 及 一 l 人 机 界 面 广 一 S7 2 00 SMART ⋯⋯⋯ 厂 H 苎 兰 皇 塑 P L C 与信号灯 ；l ； 厂 一 自由度 的焊枪 运 行机 构并 开 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 一 L ⋯⋯⋯⋯⋯一 一 J 发了基于单台S 7 2 0 0 S MAR T 控制 柜 焊 枪 运 行机 构 P L C的控制 系统 ，同时与现有 图l 焊接控制系统组成结构示意 收稿日期2 0 1 4 - 0 8 - 0 7 作者简介孙松丽 1 9 7 5一，女，山东莱州人，高级工程师，工学学士，研究方向为机电一体化。 第3 6 卷第1 1 期2 0 1 4 - 1 1 上 [ 1 3 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 篷 匐 似 动机构作为焊接 系统 中的重要组成部分 ，采用 由 丝杠螺母副组成的直线摆动形式，由x轴步进电机 摆动电机驱动。摆动时可达到较高的摆频，并 且运行平稳、准确、噪声小H ] ；升降机构由z 轴步进 电机 层控电机、微型滚珠丝杠螺母副、高精度 直线导轨等组成，工作时沿高度方向上下运行，实 现不同焊接层的高度定位；直行机构由Y轴步进电 机 直行电机、直齿圆柱齿轮和齿条、高精度直 线导轨、滑块等组成，工作时沿焊缝长度方向做直 线运行。焊接时，升降机构在z 方向将焊层高度先行 定位后，直行机构带动摆动机构、升降机构按设定 焊接速度前行，同时摆动机构以直线摆动形式按设 定摆动参数往复摆动，由此实现焊枪按设定轨迹的 多层运行 运行轨迹如图3 所示。 X 轴 摆动 图2 焊枪运行机构示意图 图3 焊枪运 行轨迹不意 图 控制柜内装3 台步进电机驱动器和基于S 7 ． 2 0 0 S MA R T P L C的焊接控制系统。面板上设置有工作 按钮及指示灯、选择旋钮 、Mc GS 触摸屏等。通过 选择 旋钮可选择 系统的手动或 自动工作模式 ，通 过MC GS 触摸屏上的人机界面可设定焊接速度、焊 枪 摆频 、焊枪摆幅 、焊接总层数选择及第一层定 位高度、焊层高度差等焊接参数 。 [ 1 3 8 1 第3 6 卷第1 1 期2 0 1 4 1 1 上 此外 ，为实现焊 接的 自动控制 ，需对 系统 另 一 执行机 构原有手工焊机及送丝机进行电气 改造 。将手工焊机焊枪开关及送丝机启动开关 由 人工按动改为 由P L C输出端子触点经由中间继出器 的自动开关控制。 综上 ，基于S 7 2 0 0 S MAR T P L C的 自动焊接 系统 总体结构构建完成。系统工作时 ，首先根据 具体焊接工艺要求完成焊接参数 的设定 ，按动启 动按钮后 ，即可控制焊机 运行机构 与手工焊机的 协 同工作 ，焊枪按设定轨迹和层数对工件实施焊 接 ，实现焊接 自动化 。 2 焊接系统硬件设计 2 _ 1 主控制器P L C 本 系统采用P L C作为控制核心 ，输 入信号主 要有按钮、X ／ Y／ Z 轴三个方向的原点接近开关和两 侧的极限限位开关；输出信号主要有3 台步进 电机 各 自的脉冲控制信号和方 向控制信号 、指示灯、 报警器和手工焊机及送丝机 的开关控制信号；另 外还有与MCGS 触摸 屏的通 信信号 。该系统 主要 为数 字量控制 ，并 且 由于需 完成 对3 台步进 电机 的 同时控制 ，P LC需具备3 个 高速脉 冲输 出口。 根据输入输 出信号的数量 、类型 、控制要求 ，同 时按I ／ 0点数2 0 ％～3 0 ％的备用量原则 ，选用西 门子 S 7 2 0 0 S MAR T P L C，C P U型 号为 S T 6 0 。该 型号CP U采用 晶体管输 出方式 ，具有3 6 个数字量 输 入点、2 4 个数 字量输 出点 ，集成三路高速脉冲 输 出，频率高达1 0 0 KHz 。以焊接速度4 0 mm／ s ， 步进电机转一 圈需要1 0 0 0 0 个脉冲 ，步进电机转 一 圈行程为5 mm计算，要求高速脉冲的输 出频率 为4 O 1 0 0 0 0 ／ 5 8 0 K Hz 。而P L C最高输出频率为 1 0 0 K Hz ，完全满足系统要求。 S 7 ． 2 0 0 S MAR T 是西 f l Y- 公司推出的高性价比 小型P L C，是国内广泛使用 的S 7 2 0 0 的升级换代 产品 。与S 7 2 0 0 硬件相比，其主要优点体现在 通过以太网用普通 的网线就可 以实现程 序的下载 和监控，方便快捷 ，省去了专用编程 电缆； C P U 模块最 多配有3 路 1 0 0 k Hz 的高速脉 冲输 出 ，提 供 P WM和运动轴两种运行控制 ，运动轴则为步进电 机或伺服电机的速度和位置开环控制提供了统一的 解决方案 。可快速实现设备的调速、定位等功能； 使用通用的Mi c r o S D卡 普通手机卡 ，可以传送 程序、更新C P U固件和恢复C P U的出厂设置。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骞 、l 匐 似 2 ．2 步进电动机 步进 电动机 作为执行元件 ，是机电一体化的 关键产 品之一 ，广泛应用在家电产品及各种工业 自动化系统 中。通过控制脉冲个数控制步进电机 转 过的角位 移 与滚珠 丝杠 螺母 幅等传动机构配 合 ，则为直线位 移 且误 差不 累积，可以准确 定 位 ；通过控制频 率可以改变 电动机 的转速和加速 度 ，实现任意调速 ；通过方 向控制可 以实现 电机 的正转和反转 。对于本 系统这种精度要求不是很 高 的场合 ，适用采用 由步进 电机作为执行元件的 较为简单而又经济的开环控制方式。 步进电机 由步进驱动器驱动 。步进驱动器有 共 阴和共 阳两种 接法 。本 系统 选 用无 锡信 捷产 品，其驱动器 为共 阳接法 ，即步进驱动器 的脉冲 信号P UL 和方向信号DI R 与2 4 V电源正极短接 ， P U L一和D I R一接控制信 号。而西 门子P L C 输 出信 号采用P NP 接法，要求步进驱动器为共阴接法才可 形成回路。因此，本系统中P L C 输出信号不能与步 进驱动器直接相连 。解决方法是增加一块信号转 换板，将P L C 的输 出信号进行反相，然后再与共阳 接法的步进驱动器相连。 2 ．3 运动轴硬件组态 本 系统 选用s 7 2 0 0 S MAR T C P U内置运动轴 实现对步进电机速度和位置的开环运动控制。3 台 步进 电机 对应3 根运 动轴 。硬 件接线前 首先通过 S MA R T P L C 编程软件S T E P 7 一 Mi c r o S MA R T利 用 “ 运动向导 ”来硬件组态运动轴，分配各运动轴 所对应的P L C 输出端 口。端 口分配如表l 所示。 由上述 内容 ，确定P L C 控制系统接线图如图4 所示 。 3 焊接系统软件设计 3 ． 1 控制系统软件设计 自动焊接系统能实现 自动工作模式和手动工 作 模 式 ，手动 模 式下设 有 “ 点动 ”以提 高设 备 调试的灵 活性 。 自动 模式下 的控 制流程如 图5 N 示 。其程序设计为典型 的顺序控制 ，采用西 门子 S T E P 7 - Mi c r 0 WI N S MAR T 编程软件利用顺控指令 LS C R、S C RT 和S C R E 进行程序编制 。各轴向步进 电机 的定位和速度控制是编程 的重 难点 。利用编 程软件 中的 “ 运动控制 向导 ”功能，在硬件组态 每根运动轴的过程 中生成运 行子例程并在编程时 直接调用 ，可使程序简洁、容 易编写 ，特别是控 制步进电机的加速起动和减速停止 ，避免电机失 步，显得非常方便 。 要保证定位准确 ，在利用 “ 运行控制向导”组 态运动轴过程 中要注意如下内容的选择和设定 1 设定系统测量单位选择工程单位，并输 入 电机一次旋转所需脉冲数 1 0 0 0 0 个／ 转、测量 基 本单位 mm、电机一次旋转产生多少mm的 运行 5 mm。这样在设定定位距 离和运行速度 时直接输入实际距离 单位mm和速度值 单 位 mm ／ S 即可。 表1 P L C 控制步进电机输出端口分配表 图4 P L C 控制 系统接线 图 第3 6 卷第1 1 期2 0 1 4 -1 1 上 [ 1 3 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 违 訇 似 图5 自动模式控制流程 图 2组态参 考点和搜 索参数 当需要从 一个 绝对位置处开始运动或以绝对位置作为参考 ，则 必须建立一个参考点 R P 或零点位置，这个点可 以选择 各方向轴 的原点输入信号 。一旦使用参考 点，则需要定义 自动重新定位参考 点的方法 ，包 括输 入参考点搜索速度、定义初始搜索方 向和最 终参考点接近方向 。 3 选择生成的运动子例程运动轴组态完成 后可 生成 1 3个运动控制子例程 ，不 同的控制要 求对应不同的子例程 。为节省子例程 占用过多的 存储空间 ，对不需要的子例程应取消生成 。本控 制 系统需生成的子例程有 1 A XI S x C T RL 子例 程 ，供轴的初始化和全面控制 ，每个运动轴使用 此子例程一次 ，用S M0 ． 0 触发 ，程序在每次 扫描 时均调用此子例程 ； 2 AXI S x G0T O子例 程 ， 命令轴转到指定位置，提供绝对位移和相对位移 两种模式 。通过子例程输入参数Mo d e 设定位移模 1 1 4 0 1 第3 6 卷第1 1 期2 0 1 4 1 1 上 式 ，O 代表绝对位移 ，1 代表相对位移 ；通过输 入 参数P o s 设 定要移动 的位置 绝对位移 或要移 动的距离 相对位移 ，单位均与设 定的工程单 位一致 ；通过 输入参数S p e e d 确定移 动速度 ，单 位为mm／ s ； 3 AXI S x RS E E K子例程 ，启动参考 点查找操 作。若采用绝对位移模式，则必须先 启 用此子例 程完成零点 的搜索和建立后 ，方可调用 AXI Sx G OT O子例程实现绝对位移的定位运行 。 3 ．2触摸屏软件设计 触摸屏是操作员与设备之间的接 口中，其人 机界面设计通过MCG S 组态软件 完成，主要用于实 现焊接参数的设 置和管理 ，通过 以太 网接 口实现 与P L C的通讯 。 4 结束语 本 自动焊接系统充分利用S 7 2 0 0 S MAR T P L C 具有3 路 1 0 0 KHz 高速脉冲输 出的硬件 特点，利用 编程软件 “ 运行控制 向导 ”的指令向导编程C P U 内置绝对位移 、相对位移的运行功能 ，方便地实 现了对X、Y、Z 三个方向步进 电机的定位和速 度 控制 ，并与设计 的焊枪运行机构配合，实现 了焊 枪按设定轨迹的平稳 、低振动 、低噪声运行；通 过对原手工焊机 的电气技术改造 ，将已有的成熟 焊接设备组 合融 入 自动焊接 系统 中，降低了设备 的资金投入。最终 ，在本 系统控制下 ，各单元协 同工作 ，实现了中厚壁 的多层 自动焊接 。现场 应 用效果良好，本设计思路值得推广和借鉴。 参考文献 【 1 】李明智， 原孝贞． 浅谈焊接技术的发展及焊接工艺的基本 原理[ J 1 ． 应用能源技术， 2 0 0 8 ， 7 1 9 2 1 ． 【 2 】洪字翔． 基于摆动电弧的厚壁结构焊缝 自动跟踪关键技 术研究【 D 】 ． 湘潭 湘潭大学， 2 0 1 2 ．6 ． [ 3 】李军 ， 任婷 ． 管一 板焊机 的P L C自动控制 系统研制 【 J 1 ． 焊 接 技 术， 2 0 1 1 ,4 0 1 1 4 2 4 5 ． 【 4 】蒋爽， 姚河清， 钱丽娜， 梁婷． 基于DS P 的焊接摆动器研制 【 J 】 ． 电焊机， 2 0 0 9 ， 3 9 1 0 7 8 8 0 ． 【 5 】李海芹， 姜印平， 翟阳， 等． 基于S 7 2 0 0 S MAR T P L C 的智能 药品包装机的控制设计【 J 1 ．制造业自动化， 2 0 1 3 ， 1 o 4 7 5 0 ． [ 6 】廖常初． S 7 2 0 0 S MART与S 7 2 0 0 的比较[ J 】 ． 电工技 术， 2 0 1 3 ， 1 1 5 2 5 3 ． 【 7 】向晓汉． s 7 2 0 0 S MAR T P L C完全精通教程【 M1 ． 北京 机 械工业出版社， 2 0 1 3 ． 8 ． 【 8 】西 门子 中 国 有限公 司． S I E ME NS S I MAT I C S 7 2 0 0 S MA R T系统手册【 Z 】 ． 2 0 1 3 ， 1 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m