一种钢家具自动焊机控制系统的设计

2013-04-29陈浩齐

中小企业管理与科技·上旬刊 2013年7期

摘要：针对钢家具生产企业产品的结构焊接自动化程度低的问题，设计开发了钢家具自动焊机控制系统。系统采用雷塞公司的SMC6490独立控制器为硬件平台，设计的控制系统具有良好的人机界面、示教功能等功能，能有效地提高焊接效率。

关键词：控制系统焊接设计

1 概述

钢家具因其结构简约时尚，近年来受到广大消费者的喜爱，市场需求量大。钢家具是由薄壁管材为焊接而成，除个别简单工序使用专用的半自动焊机外，手工焊接依然是行业生产的主流。手工焊接难以保证焊接质量，进而在一定程度上阻碍生产率的提高。近年来随着计算机技术和自动化控制技术的飞速发展，自动焊接技术在焊接领域中的应用已受到广泛的重视。本项目为某大型钢家具生产企业设计一种基于雷赛公司SMC6490独立控制器的新型的自动焊机控制系统，以满足新型材料和复杂焊接机构，提高生产效率、生产质量，并且最大程度地降低工人的劳动强度。

2 控制系统功能

本新型自动焊机控制系统结合伺服电机与液压气动元件，结构简单、人性化操作。具有以下功能：

①具有良好的人机控制界面，以编辑焊接加工程序、控制机器运行、显示机器运行状态，人机互动性好。

②具有示教功能，同时配置示教手轮，以实现复杂的焊接运动轨迹的编辑和控制各运动部件按照需要完成既定的装夹、焊接等动作。

③为了确保焊接位置精确性和焊接速度的准确性，系统必须对焊枪驱动电机进行可靠控制。

新型自动焊机除了具备上述功能外，在车间现场进行生产时，实时性强、可靠性高、操作简单等特点也是该控制系统软件必须具备的。另外，系统还提供了各部件手动控制功能，进而使得使用更加方便，而且便于调试。综上所述，自动焊机控制系统所具有的功能如下图1：

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图1 控制系统功能

3 控制系统的结构特点

控制系统分为硬件和软件两部分。

3.1 硬件的机构特点

该系统的控制器平台具有最高5MHz脉冲频率、四轴直线插补、两轴圆弧插补、连续曲线插补、S形曲线速度控制等功能，同时，可对4个步进或伺服电机进行控制。基于嵌入式处理器和FPGA的硬件结构，为了确保系统的高性能运动，以及控制的精度性和稳定性，通过硬件实现插补算法、脉冲方向信号的输出、自动升降速的处理、原点及限位等信号的检测处理。

该系统提供了丰富的接口，除了4个电机控制端口外，还有I/O接口和通讯接口：双路高精度DA输出，双路 PWM控制输出，16路隔离输入口，8路隔离输出口，其中有两路电流增强输出，通过接口扩展可以扩展更多IO接口；一个10/100M网络接口、两个RS232，可通过网络或 RS232直接与PC机通信；同时还可以通过RS232与文本屏、触摸屏等设备连接，作为输入输出界面。

3.2 软件的机构特点

如图2所示，该系统由5个模块构成，每个模块具备不同的功能，进而使得系统软件实现了结构化和模块化。

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图2 系统软件机构图

①硬件测试模块：硬件测试主要用于装机调试或故障排除过程中，以帮助确认各轴运动功能，各轴的专用IO和系统的所有通用IO的状态测试和监控。如对外部设备包括气动系统、焊枪头开关量等进行模拟测试。

②参数设定模块：通过参数设定界面可以对速度、工件零点、限位补偿、示教设置、厂商设置、焊接设置等参数进行设定。

③文件参数模块：可以通过此模块对文件的多个具体的项目进行设置，如：循环加工的次数、加工间隔时间等。

④文件管理模块：对已有的文件进行复制、删除等操作。

⑤编辑文件模块：显示当前文件的程序行数，以及对具体教导的焊接文件进行编辑，此功能主要用于针对某个产品的焊接教导。

4 电机驱动控制

结合系统设计需求，自动焊机主要运动控制是对焊枪的位置精确控制，因采用伺服电机作为执行电机。对伺服电机控制中，采用伺服控制系统的位置控制方式，其工作原理是：自动焊机控制系统通过给相应的伺服驱动器发命令的方式完成对焊枪位置的控制。

本系统对伺服电机的控制是通过脉冲控制方式完成的。所谓脉冲控制方式就是由上位机发送一个方向电平和脉冲对伺服电机运转进行控制，其运转方向由方向电平决定，电机转动角度由脉冲数量决定，电机转速由脉冲频率决定。在控制中，脉冲方式实现起来比较容易，而且稳定性较高。