基于PLC的薄鋼板激光焊機控制系統

文/戴琨

摘要：介紹了薄鋼板激光焊機工藝流程。研究了控制系統的硬件組成和軟件設計， 該系統以西門子S7-400PLC為核心控制器， 完成了控制系統硬件的選用和組態。分別對激光焊機各執行機構進行了程序設計， 最后針對激光焊焊接過程中焦點位置的不穩定情況，設計了光學傳感器反饋的焦點位置閉環控制系統的遇限消弱PID制算法。

關鍵詞：激光焊機；PLC；控制系統

0 前言

激光焊就是能量載體為激光的一種焊接方法。激光焊焊接過程中直接將激光束照射到焊接材料表面， 激光與焊接材料相互作用使材料內部熔化， 最終實現焊接。根據熱學機制不同， 激光焊有穩定深溶焊、模式不穩定焊和穩定熱導焊三種模式。激光焊的主要工藝參數有焦點位置、激光脈沖寬度和波形、功率密度等。激光焦點所處的位置與工件表面平行的平面叫做焦平面， 離焦量就是焦平面與工件表面間的距離， 當焦平面在工件外時為正離焦， 在工件里時為負離焦， 當激光焊工件較厚要求較大熔深時，一般采用負離焦。激光脈沖寬度主要區別材料去除和材料溶化；波形主要控制金屬薄板焊接時激光能量的反射。激光焊功率密度參數嚴重影響著焊接溶池的形成和鈑金加工等過程。

1?焊接工藝流程

以德國克萊西姆LW22型激光焊機為載體， 重新設計以西門子PLC為核心控制器的整個控制系統。激光焊機機構運動比較復雜， 主要運動機構有活動梁光路裝置和夾緊裝置， 焊接過程中工藝流程主要有焊接準備、帶頭準備、帶尾準備、帶鋼調整、焊機光路系統啟動、完成焊接等。薄板金屬焊接生產線如圖1所示。

圖1?薄板金屬焊接生產線示意圖

（1）焊接準備：焊接參數初始化， 焊接頭、切割頭的位置初始化，打開歧路控制閥， 調整保護氣氣壓達到預設值，開啟冷卻循環系統等。

（2）帶頭準備、帶尾準備：檢測帶鋼確定中心線， 確認對中，入、出口活套抬起， 出入口主夾具夾緊， 輔助夾具夾緊等。

（３）帶鋼調整：微調帶鋼工作側和驅動側兩側的間隙， 中性層電機帶動斜楔對齊鋼板中心層， 調整鋼板豎直方向上的運動等。

（４） 焊機光路系統啟動， 完成焊接。對第（４） 步做重點說明：（１）（２） （３） 步的準備工作完成后， 啟動焊機光路系統移動到焦點位置，打開氮氣閥和氬氣閥后移動Ｆ軸進行焊接，焊接完到達定指定點后，關閉快門、氬氣和氮氣閥，松開夾具并延時500ms焊接過程中鋼帶可能出現超粗的情況， 需要在焊接的同時對其進行碾壓， 焊接流程如圖2所示。

圖2?激光焊流程

2?控制系統硬件設計

激光焊機采用西門子S7-400PLC作為控制系統核心， 西門子S7-400PLC采用模塊化設計，硬件組態包括CPU414-3DP模塊，PS4-7-10A電源模塊、CP443-1工業以太網模塊、6個ET200S分布式數字量輸入輸出模塊等。采用MPI/DP通信方式與上位機及人機界面HMI相連接。此外還有變頻器-伺服電機組成的執行機構，MTS傳感器作為控制系統的模擬量輸入，實時采集反饋焊接參數到PLC中，工控機及人機界面HMI作為上位機，負責監視和顯示激光焊焊接過程動態信息。整個控制系統組成如圖3所示。

圖3?激光焊控制系統組成

PLC程序在PC上STEP7-Miro/win32軟件以上LAD語言設計好之后，通過MPI適配器和RS-232通信線纜下載到PLC存儲卡中。系統采用PROFIBUS-3DP通信網絡進行通信，共有3條通訊線路，分別為連接工控機和人機界面HMI用于現場臨控；連接變頻器伺服電機實現激光焊生產線各工位的動作；近接ET200分布式輸入輸出模塊以及用于測量鋼帶位置的MTS傳感器。控制系統STEP-Miro/win32軟件上的硬組態如圖4所示。

圖4?控制系統硬件組態

3?控制系統軟件設計

激光焊控制系統輸入輸出數字量和模擬量較多，軟件設計的第一步就是建立輸入輸出量符號表，根據ET200分布式輸入輸出模塊在機架上的位置命名各變量的類型和地址，編輯符號表完成后，根據焊接工藝將系統程序分為1個組織塊（OB）和11個功能函數（FC）分別設計。FC作為子程序可以供OB循環調用。

激光焊機各執行機構主要包括活動梁光路裝置、入口夾具、出口夾具、壓輪、活套輥、對中裝置、月牙剪、打孔裝置和排煙裝置，還有激光焊焦點距離控制。此外還有鋼帶位置傳感器模擬量處理等。組織塊OBI是整個控制系統的子程序分別放到各個FC中，通過在OBI調用FC來完成各運動機構的動作，在該系統中OBI調用的FC來完成各運動機構的動作，在該系統中OBI調用的FC有：FC1：伺服電機驅動活動梁光路裝置；FC2：氣閥控制入口夾具氣缸；FC3：氣閥控制出口夾具氣缸；FC4：伺服電機驅動滾珠絲杠驅動壓輪碾壓；FC5：氣缸帶動旋轉臂旋轉帶動活輥套；FC6：伺服電機驅動四個對中單元；FC7：啟閉液壓換向閥控制液壓缸的伸縮完成有牙剪的橫向移動和剪切；FC8：控制打孔液態過缸在焊接中線位置打出檢測孔；FC9：啟停排煙裝置的風機；FC10：激光焊焦點距離控制；FC11：報警處理功能；DBI：存儲用戶數據的數據區域，供所有邏輯塊共享。

此外，還可以添加S7-400PCL自帶的PID功能塊，通過在OB35中調用FB41來對離焦量進行PID調節。或者增加一個FC，用于實現模糊自整定PID控制。

根據焊接機電氣控制系統、液壓系統以及氣路控制系統的控制動作要求，結合焊接過程控制系統的工藝流程圖，選逐個按照動作順序來完成各個功能函數的順序動作程序設計，最后在OBI中以條件調用的形式調用各功能函數。

4 焊接焦點位置閉環控制系統

激光焊的焦點位置對焊接溶池有直接的影響。焊接焦點位置決定了工件表面激光光斑的大小，光斑的大小不同導致工件表面接收的能量也不同，從而影響焊接區域熔深的深度和焊縫的成形。因此焦點位置是激光焊焊接過程中需要嚴格控制的工藝參數。文中采用等離子體光學傳感器（PS）反饋的焦點位置閉環控制系統，控制算法采用PID控制器。PID控制器的比例控制能迅速減小誤差，積分控制可以消除穩態誤差，微分控制可以克服輸出的震蕩，消除系統的動態誤差，提高系統的動態穩定性。

由于薄板激光焊焊接過程工作環境惡劣，影響焊接焦點位置的因素比較復雜，當等離子光學傳感器檢測到的偏差長期較大時，PID計算時積分項有可能溢出。因此，需要考慮PID控制器的誤差調節的極限問題，該系統采用遇限消弱積分的PID算法，即對計算出的控制量的范圍進行限制。即當偏差控制量小于偏差下限時，取偏差下限作為控制量。

當u（k）>u（max）時，取u（k）=u（max）;當u（k）<u（min）時，取u（k）=u（min）。得到改進后的PID制程序流程如圖5所示。

5 結論

（1）文中介紹了薄板激光焊機工藝流程。研究了控制系統的硬件組成和軟件設計，該系統以西門子S7-400PLC為核心控制器，完成了系統硬件的選用和組態。分別對激光焊機各執行機構進行了程序設計，最后針對激光焊焊接過程中焦點位置的不穩定的情況，設計了光學傳感器反饋的焦點位置閉環控制系統的遇限消弱PID控制算法。

（2）應用實踐表明，文中所設計的薄板激光焊機控制系統運行穩定，提高了激光焦點位置的控制精度，提高了焊接質量。