基于PLC的数控焊接变位机控制系统开发.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 4 ． 0 3 5 基于 P L C的数控焊接变位机控制系统开发 覃福 江 ，林 义忠 ，刘庆 国 广西大学机械工程学院广西制造 系统与先进制造技术重点 实验 室，广西南宁 5 3 0 0 0 4 摘要根据机器人焊接系统对数控变位机的要求，采用松下 F P x系列 P L C作为控制核心，利用其脉冲输入／ 输出通道 与伺服电机及编码器构成了位置伺服系统 ，实现了回转、俯仰两轴联动的点位控制与连续轨迹控制功能，配置了触摸式操 作的人机界面以及与焊接机器人通信的标准接 口。空载试验与运行证明，所开发的控制系统基本可行。 关键词 数控焊接变位机；P L C ；位置控制 ；联动 中图分 类号 T P 2 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 41 1 33 De v e l o pme n t o f Co nt r o l S y s t e m o f W e l d i ng Po s i t i o ne r Ba s e d o n PLC Q I N F u j i a n g ， L I N Y i z h o n g ，L I U Q i n g g u o G u a n g x i Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m a n d t h e K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d M a n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y ， Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e ，G u a n g x i U n i v e r s i t y ，N a n n i n g G u a n g x i 5 3 0 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t s o f r o b o t we l d i n g s y s t e m t o p o s i t i o n e r ，P a n a s o n i c F P - X s e r i e s P L C wa s u s e d a s t h e C O I l t r o l c o r e ． T h e p u l s e i n p u t ／ o u t p u t c h a n n e l s ．s e r v o mo t o r a n d e n c o d e r w e r e u s e d t o c o n s t i t u t e t h e p o s i t i o n s e n o s y s t e m．T h e r o t a r y ／ p i t c h i n g a x i s p o s i t i o n c o n t r o l a n d c o n t i n u o u s p a t h c o n t r o l w e r e a c h i e v e d ．T o u c h t y p e ma n - ma c h i n e i n t e r f a c e a n d s t a n d a r d i n t e r f a c e f o r we l d i n g r o b o t w e r e u s e d ．T h e n o - l o a d t e s t a n d o p e r a t i o n p r o v e t h e c o n t r o l s y s t e m i s b a s i c f e a s i b l e ． Ke y wo r d s N C w e l d i n g p o s i t i n e r ；P L C；P o s i t i o n c o n t r o l ；L i n k a g e 在对焊接产品质量的要求不断提高和劳动力成本 大幅上升的背景下 ，机器人焊接系统正在被广泛地采 用 ，其 中的焊接机 器人 已经实现 了系列化 和批量 化生 产 ，方便 购买且成本较低 ，而与之 配套 的数控焊接变 位机则需要专门定制 ，其成本较高，影响了焊接机器 人的推广和使用。随着技术的进步，P L C吸取了微电 子技术和计算机技术的最新成果 ，其控制功能扩大 ， 从单机 自动化 、生 产线的 自动化 ，到整个工 厂的生产 自动化 ，从柔 性制造 、工业机器人 到大型分散型控制 系统 ，P L C均担当着重要角色⋯。文中开发了以P L C 为核心 的 2轴焊接变位机 的数 控系统 。 目前大部分 型 号 P L C都具有高速脉冲输出和高速脉冲计数的功能， 结合伺服电机内置高分辨率编码器 ，可以构成位置闭 环伺服系统。此外 P L C支持丰富的通信模块及其扩 展模块 ，为设备间通信及联动提供 了必须的接 口资 源 ，充分利用 了 P L C的经济性与可靠性。因此 ，以 P L C作为控制核心，对数控焊接变位机控制系统进行 研究 ，具 有较高 的可行性 以及 现实意义 。 1 数控焊接变位机 系统原理方案及硬件实现 1 ． 1 系统方 案 焊接变位机作为焊接 自动化设备中的辅助设备 ， 对提高焊接质量和焊接效率有着不可或缺的作用，当 焊缝处于水平或者船型状态时，焊接效果最佳。通用 型焊接变位机可以通过回转和翻转两个运动来实现焊 件的任意姿态 。传统基于 P L C的运动控制系统 ， 由于受 P L C单 步扫 描时 间长 的影 响 ，其循 环 扫描 实 时性严重 受 限制 。要 用 P L C实现 闭环 控制 ，必须 实 现精确的采样周期。为了提高电机速度控制的精度和 响应速 度 ，一般 要 求采 样 周期 小 于 1 0 0 m s 。随 着 P L C单 步扫描 时间大幅缩短 ，这个 问题得 到有效 的解 决 。该 焊接变位机 系统以通 用型焊 接变位机 为设计 目 标 ，通 过对变 位机架 构的重新规划 和设计 ，缩短焊接 变位机传动链 ，减少 传动环节中累计误差 ， 利用简单 的硬件 资 源 ， 实现精密度 高的传 动 系统 。变 位 机 机 械 本 体如图 1所示 由作 者所 在研 究 室设 计 开 发 ，其系统原理框 图 如图 2 所 示。 图 1 变位机本体 收稿 日期 2 0 1 30 61 9 基金项目广西制造系统与先进制造技术重点实验室课题 1 1 - 0 3 1 ． 1 2 S 0 3 -0 3 作者简介覃福江 1 9 8 7 一 ，男 ，硕士研究生 ，研究方向为机电液一体化。Em a i l x a u t l y z 1 6 3 ． c o rn。 1 1 4 机床与液压 第 4 2卷 PC 机 触 摸屏 P L C f L 1_ 皇 控 制操作 面板 景 篓 鑫 l 垫 墅 墨 『 _ _ I 1 ■ 翌蔓圜 型 信 号 转 换 器 I ■ ． ] ． 俪 机 驱 动 器 l I 倒 服 电 机 图 2 变位机控制系统原理 图 该 系统主要 以松下 F P X 系列 P L C为运动 控制 的 核心 ，该型 P L C具 有多个脉 冲输 出通道，可进 行 P WM、P I D、直线插补等复杂指 令 的运算 及输 出。在 随动控制 系统 中 ，电机速度的反馈与控制 占有很大 的 比重 ，实现速度反馈 的方式与手段对系统 的稳态误差 及动态响应性能都有着十分重要的影响 。传统伺服 电机编码器采用 0～ 5 V差动方式进行信号反馈 ，目 前不少 P L C都采用0～ 2 4 V集电极型信号传输方式 ， 造成信号的不匹配。在编码器信号反馈端，使用了差 动型转集电极型型号转换器，运动控制核心 P L C与 驱动器之间构成了一个闭合控制回路。具体的控制思 路是 首先将伺服系统设为位置控制型，并设置伺服 电机分 辨 率 、惯 量 比等 参数 ，然 后 通 过 P C机完 成 P L C输入输出端口定义、程序编写等，完成系统准备 工作。当系统运行时，P L C将各轴转动所需的脉冲数 通过高速脉 冲输 出通道传给各驱动器 ，驱动器控制 电 机运行 ，编码器将当前的位置信息反馈给 P L C，当反 馈信息与 目标值偏差 大于设定的最小偏差 响应 值 定位精度 时 ，P L C通 过模糊 P I D控制 ，发 出校 正 控制脉冲直到电机运行到 目标位置，反之系统将不做 响应默认定位完成 。由于转 台伺服系统存在不 同程度 的非线性 和参数 时变性 ，很 难建立 准确 的数学模 型 ， 常规 P I D控制器很难达到理想 的控制效果 ，而模糊 P I D控制可以解上述问题 ，在控制思路上就采用模糊 P I D控制的控制方法。图3为其中一个通道的反馈环 节示意图 图 3 反馈 环节示意图 1 ． 2硬件 系统 所设 计 焊 接 变 位 机 系 统 的 组 成 主 要 有 F P X ． C 3 0型 P L C 、 A 5 MD ME伺 服 电机 及驱 动器 、行 星减 速器 A B 1 4 2 、A B 1 8 0 、触 摸 屏 MT 6 0 7 0 I 、位 置 传 感 器 、信 号转换器 和 限位 开关 等 。松下 F P X系列 P L C 具有运算速度快 、程序容量大、扩展资源丰富的特 点 ，它 具有 4路 脉 冲输 出通 道 ，可 控制 2个 高 速脉 冲 1 0 0 K 输 出 ，2个 中速 脉 冲 2 0 K输 出， 可轻易实现多段速运动控制 、点动、返原点等常规 操作 。此外 ，松 下 F P X系列 P L C还具 有直线插 补 的 功能 ，经过设计可以进行简单 的圆弧插补 ，还可以 进行 P I D控制 。在伺服电机控制方面 ，当前 比较 图 4 程序空行调试图 常见的是利用脉冲控制方式。在位置控制方面，通 过在控制面板上安装制动元件 ，结合限位开关及程序 上的软限位 ，实现对翻转轴的位置限制。图4为程序 空运行调试 图。 2系统软件编程 2 ． 1 P L C控制程序程序模块设计 为 了方 便 编写 、更 新 程 序 ，编程 时 以功能 为 导 向，对 P L C控制程序进行模块化编程，主要功能模 块有返原点模块、点动模块、速度衔接模块、工位模 块 、工位示教模块、插补模块、软限位模块、通信模 块以及报警模块等。现对其中的工位示教模块 、通信 模 块及 速度衔接模块程 序编写思路进 行介绍 。 工位示教的程序如图 5 所示 。经过对 脉冲输 出寄 存器数据 的归零 ，进 而经过 点动 获取 当前 所需 位置 ， 然后读取脉冲寄存器数据 ，保存后可得当前位置 ，再 现后即可位置示教。此种模式是开环式示教 ，程序中 提供了1 0个工位示教点，所有示教点通过反复进行 多次点动得到。当读取位置信息为编码器反馈位置值 时，便可作为闭环式示教模式 ，开环形式是相对简单 的一种模 式。