基于PLC的薄板激光焊机控制系统-.pdf

俘 掳 生产应用 基 于 P L C 的薄 板 激 光 焊 机 控 制 系统 唐山x - ,_ lk R,_ lk 技术学院 0 6 3 0 2 0 戴琨 摘要介绍了薄板激光焊机工艺流程。研究了控制系统的硬件组成和软件设计， 该系统以西门子 s 7 4 0 0 P L C为核心控制器 ， 完成 了控制系统硬件 的选用 和组 态。分别对激 光焊机各 执行机构进 行 了程序 设计 ， 最后针 对激光焊焊接过程中焦点位置的不稳定情况 ， 设计了光学传感器反馈的焦点位置闭环控制系统的遇限消弱 P I D控 制算法。 关键词 激光 焊机P L 控 制系统 中图分类号 T G 4 0 4 0前 言 激光焊就是能量载体为激光的一种焊接方法 。激 光焊焊接过程中直接将激光束照射到焊接材料表面， 激 光与焊接材料相互作用使材料内部熔化， 最终实现焊接。 根据热学机制不同， 激光焊有稳定深熔焊、 模式不稳定焊 和稳定热导焊三种模式。激光焊的主要工艺参数有焦点 位置 、 激光脉冲宽度和波形、 功率密度等。激光焦点所处 的位置与工件表面平行的平面叫做焦平面 ， 离焦量就是 焦平面与工件表面间的距离， 当焦平面在工件外时为正 离焦， 在工件里时为负离焦 ， 当激光焊工件较厚要求较大 熔深时， 一般采用负离焦。激光脉冲宽度主要区别材料 出口活套辊 用 ⋯ ．。 出口 冲孔装置出 口 对 中 对中 单元 1 单元2； ； 一 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ 。 。 ． 去除和材料熔化 ； 波形主要控制金属薄板焊接时激光能 量的反射。激光焊功率密度参数严重影响着焊接熔池的 形成和钣金加工等过程。 1焊接 工艺流 程 以德 国克莱西姆 L W2 2型激光焊机为载 体 ， 重新 设计 以西 门子 P L C为核 心控 制器 的整个 控制 系统 。 激光焊机机构运动 比较复杂 ， 主要运动机构有活动梁 光路装置和夹紧装置 ， 焊接过程 中工艺流程主要有焊 接准备 、 带头准备 、 带尾准 备 、 带 钢调整 、 焊机 光路 系 统启动 、 完成焊接等 ⋯。薄板金属焊接生产线 如图 1 所示 图 1 薄板金属焊接生产线示 意图 1 焊接准备 焊接参数初始化 ， 焊接头、 切割头的 位置初始化 ， 打开歧路控制阀 ， 调整保护气气压达到预 收稿 日期 2 0 1 50 1 2 1 6 0 2 0 1 5年第 1 0 ’ 期 h⋯⋯H⋯ ● -⋯ ⋯ 人 Iz I 对中单元 f ‘ ■ 设值 ， 开启冷却循环系统等。 2 带头准备 、 带尾准备 检测带钢确定 中心线 ， 确 认对 中， 入 、 出口活套抬起 ， 出人 口主夹具夹紧 ， 辅助夹 具夹紧等。 一 ～ ～ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 。 生产应用 r鳝搭 3 带钢调整 微调带钢工作侧和驱动侧两侧 的间 隙 ， 中性层电机带动斜楔对齐钢板 中心层 ， 调整钢板竖 直方 向上 的运动等。 4 焊机光路系统启动 ， 完成焊接 。对第 4 步做 重点说明 1 2 3 步的准备工作完成后， 启动焊机 光路系统移动到焦 点位 置， 打开氮气 阀和氩气 阀后移 动 l ， 轴进行焊接， 焊接完到达定指定点后， 关闭快门、 氩气和氮气阀， 松开夹具并延时 5 0 0 ms ， 焊接过程中钢 带可能出现超粗 的情况 ， 需要在焊接 的同时对其进行 碾压 ， 焊接流程如图 2所示 。 开始 上 l 上 Z 2 移 动 到 焦 点 位 置 【光 路 开 关 移 到 焊 接 位 置 l 打 开 氩 气 阀 、 c r o s s je r 阀 l 1 激 光 设 定 点 I l l l l 上 上 上 焊袋 1 开 始 l 等待 l 若压轮未被选择 l 打开快门 碾压 l 开始 l f 开始移动Y轴 压轮到等待位置I 到位后 ． 关闭快门 若到位则 若不到位则等 激光设定点。 关 闭 升起压轮 待焊接完成 氩气阀 ， 关闭 c r o s s j e r 阀 l 移 动Y 到 操 作 侧I I移 动 压 轮 到 操 作 侧l l 剪 切 完 成 ，延 时 5 00 ins l l - 压 李 下 - l 1移 动z 2 到 安 全 位 置 I l l 碾 压 完 成 ，延 时 500 nls l l 打 开 两 个夹 具J 焊接完成 ． 延时 5 0 0 ms 2控制系统硬件设计 图 2 激光焊流程 激光焊机采用西门子 S 74 0 0 P L C作为控制系统 核心 ， 西门子 s 7 4 0 0 P L C采用模块化设计 ， 硬件组态 包括 C P U 4 1 43 D P模 块 、 P s 4 0 71 0 A 电源 模 块、 C P 4 4 31 工业 以太网模块 、 6个 E T 2 0 0 S分布式数字量 输人输出模块 等。采用 MP I ／ D P通信方式与上位机及 人机界面 H MI 相连接 。此外还有变频器 一 伺服电机组 成的执行机构 ， MT S传感器作 为控制系统的模 拟量输 入 ， 实时采集反馈焊接参数到 P L C中， 工控机及人机界 面 HM I 作为上位机 ， 负责监视和显示激光焊焊接过程 动态信息 。整个控制系统组成如图 3所示。 P L C程序 在 P C上 S T E P 7一Mi r o ／ w i n 3 2软 件上 以 L A D语言设计好之后 ， 通过 MP I 适配器和 R S一 2 3 2通 信线缆下载到 P L C存储卡 中。系统采用 P R O F I B U S一 3 D P通信网络进行通信 ， 共有 3条通讯线路 ， 分别为连 接工控机和人机界面 HMI 用 于现场监控 ； 连接变频器 伺 服 电机实 现激光 焊生 产线 各工位 的动作 ； 连接 E T 2 0 0分布式输入输出模块 以及用于测量钢带位置的 MT S传感器。控制系统 S T E P 7一Mi r o ／ w i n 3 2软件上的 硬件组态如图 4所示。 P L C通信 图 3 激光 焊控 制系统组 成 2 0 1 5年第 1 0期 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 生产应用 r缛掳 图5 遇限消弱的 P I D控制程序流程 5结 论 1 文中介绍了薄板激光 焊机工艺流程 。研究 了 控制 系统的硬件组成和软件设计 ， 该系统以西门子 s 7 4 0 0 P L C为核心控制器 ， 完成了控制系统硬件 的选用 和组态。 分别对激光焊机各执行机构进行 了程序设计 ， 。 。 。 。 。 “ ” “ “一 。 。 。 。 。 。 。 。 谭 摄 专 融 l ∞} 嚣∞∞ 錾糍 * *n | ≯ * 强 ； 专利名称 低压铜导线焊接工艺 i 专 利 申 请 号 C N 2 0 1 3 1 0 4 0 2 3 1 0 ． 1 { 公开号 C N 1 0 3 4 8 0 9 4 1 A 申请 日 2 0 1 3 ． 0 9 ． 0 6 公 开 日 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 申请 人 合 肥鑫 伟 电力 设备有 限公 司 最后针对激 光焊焊接 过程 中焦点位置 的不稳定 的情 况 ， 设计了光学传感 器反馈 的焦 点位置 闭环控 制系统 的遇限消弱 P I D控制算法。 2 应用实践表明 ， 文 中所设计 的薄板激光焊机控 制系统运行稳定 ， 提高了激光焦点位置的控制 精度 ， 提 高 了焊接质量。 参考文献 [ 1 ] P a s t o r M， Z h a o H， Ma r t u k a n i t z R P ，e t a 1 ．P o r o s i t y ， u n d e r - f i l l a n d ma g n e s i u m l o s s d u r i n g c o n t i n u o u s w a v e Nd YAG l a s e r we l d i ng o f t h i n p l a t e s of a l u mi n um all o y s 5 1 8 2 a n d 5 75 4 [ J ]．We l d i n g J o u rna l ， 1 9 9 9 1 1 2 31 2 4 ． [ 2 ] 马小军． 可编程控制器及其应用[ M] ． 南京 东南大学出版 社 ， 2 0 0 7 4 5 ． [ 3 ] 龚仲华． S 72 0 0 ／ 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术 一提高篇[ M] ． 北 京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 8 1 0 ． [ 4 ] 吉顺平， 孙承志， 路明． 西门子 P L C与工业 网络技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 2 5 5 0 ． [ 5 ] 谢耀征．激光焊等离子体同步高速摄影图像的三维重建 [ C ] ． 西安 西北工业大学硕士学位论文， 2 0 0 7 ． 作者简介 戴琨， 1 9 7 3年出生， 副教授。主要从事电力工业 研 究 。 本发明涉及低压铜导线焊接工艺 ， 包括铜排的 预处理 、 焊枪处理、 焊接和修整 4个步骤 ， 通过对铜 排 的预处理 、 焊枪处理 、 焊接 ， 以及修整 4个 ．及时修整这一步骤 ， 是为了防止在 焊接过 出现危害操作人员人身安全的隐患发生 ， 提 系数 ， 且本发明的焊接质量得到明显提高。 称 多功 能保 护焊 机 的控 制 系统 请 号 CN 2 0 1 3 1 0 4 3 7 4 6 7 ． 8 公开 号 CN1 O 3 4 8 O 9 4 7 A 申请 日 2 0 1 3 ． 0 9 ． 2 4 公 开 日 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 申请 人 浙江劳 士 顿焊接 设备 有 限公 司 本发 明提供 了一种 多功能保护焊机的控制系 统 ， 属于焊机技术领域。 它解决 了现有的焊机控制系 统抗干扰性差从而控制输出准确性不高的问题。本 多功 能保护 焊机 的控制 系统包 括微 处理器 和与微 处 理器连接的波形输入模块、 人机交换模块 、 调节输 出 模块 、 控制输出模块和保护电路模块， 通过人机交换 模块能向微处理器输入多个焊接参数信息，所述的 微处理器能根据接收的上述焊接参数信息进行处理 分析 后并 根据处 理分 析结果 控制调 节输 出模块 的输 出 ． 还包 括两个 相互 独立 的供 电电源 ． 供 电电源分别 为给模拟量的模块供电的模拟供 电电源和给数字量 的模块供电的数字供电电源。该控制系统具有抗干 扰性好 、 控制 准确 和操作 简单 的优 点 。 2 0 1 5年第 1 0期 63 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m