罗克韦尔自动化中型控制系统助力金刚石激光焊接

郑州金海威科技实业有限公司 耿泽中

罗克韦尔自动化 王庆

金刚石，是钻石的前身，也是自然界中天然存在的最坚硬的物质。在珠宝界，它是华丽的象征，经过打磨之后，变成了女人爱不释手的华丽首饰；在工业界，它摇身一变，以它“坚韧不拔”的品质，变为一种切割工具，用于混凝土、耐火材料、石材、陶瓷等硬脆材料的加工，并广泛应用在石材加工、建筑、装潢、高速公路等领域的切割应用中。

然而，金刚石锯片的焊接过程令工程师们苦恼不已：传统的直径在500mm以下的锯片是采用烧结或者钎焊的方法进行刀头与基体的连接，由于金刚石和金属基体的热膨胀系数差异较大，焊接残余应力也较大，当温度升高时，接头的强度会变低，切割时会出现刀头飞出的事故；此外，金刚石表面金属化的实现方式、表面金属与材料的匹配和选择、钎剂和气体介质的选择等问题都需要经过缜密的筛选。这对于工程师而言，是“生命”和“脑力”的双重挑战。

相比之下，激光焊接圆锯片就“秒杀”钎焊的方式：激光焊接不需要银焊片，是直接通过激光基体和刀头熔化使两者形成有机结合，从而提高金刚石锯片的焊接强度，保证金刚石锯片在使用之中不掉齿。传统钎焊基体刀口结合面靠钎料熔化渗透而连接，其弯曲强度仅为350～600MPa，断口在焊缝；激光焊接时，锯片刀基、刀头结合面熔化形成共结晶组织，焊缝强度高于母材，其弯曲断裂强度可达1800MPa，断口在刀头。并且，激光焊接速度快、焊缝极窄、热影响区小，令金刚石锯片整体无变形，从而保证了锯片的最佳性能。基于激光焊接的优越性，激光焊接金刚石圆锯片的方式已逐步替代传统的焊接方式。

图1 LAWS1200系列锯片激光自动焊接成套设备

作为激光焊接的本土化专家，郑州金海威科技实业有限公司（以下简称“金海威”）长期从事金刚石工具专用设备的研制与开发工作，目前已具备从简单设备到全自动高智能化产品的完整产品线。在焊接及强度检测领域，主要生产激光焊接机、高频焊接机、锯片焊接机、钻头焊接机、自动激光焊接机及金刚石锯片焊接检测机等产品。多年来，金海威的产品畅销国内，并出口到韩国、巴西、欧洲、加拿大、中东及印度等国家及地区，目前已具备完善的销售网络。

LAWS1200系列锯片激光自动焊接成套设备是金海威旗下适用于用于金刚石圆锯片激光焊接的“明星”产品之一。它能够做到刀头夹具与锯片基体对称分布，保证每一个刀头与基体的侧隙对称分布，适合不同厚度规格的锯片，且夹具能够提供足够的焊接预紧力和夹持稳定性。LAWS1200的锯片基体中心与夹具之间位置采用数控调节，焊接锯片的直径规格可以在105mm～1200mm之间连续变化。除此之外，LAWS1200横向数控轴控制基体中心与主轴线偏离，保证特殊斜齿焊接时焊接轨迹与焊接预紧力方向保持垂直，可以方便焊接各种特殊护齿。LAWS1200采用液压系统夹持基体，并采用数控运动方式、配合多圈绝对值编码器，完全去除设备自检校对时间，使工作效率大大提高。

LAWS1200系列锯片激光自动焊接成套设备用于金刚石圆锯片的激光焊接，可实现基体装载、刀头排序送进、基体刀头夹持、焊接、冷却、夹具清扫、锯片的取出等过程的全部自动化。它生产效率高，适应连续批量生产，生产出的产品平均成本低，并且质量稳定可靠。与此同时，它极大减少人力成本。要想达到设备生产高水平及高效率，对自动化设备的要求是极高的。

要求高是一方面，设备所遇到的困难也是非常之多：LAWS1200焊接轨迹采用二维数控飞行光路，可以对圆弧齿、直线齿等轨迹进行焊接。数控加工在X、Y两轴的走刀方向上，应满足起点和终点之间的直线插补与圆弧插补协同运作，并减少协同运作过程中的偏差；除此之外，设备必须根据已有的走刀情况进行数据点的密化工作，使得激光焊接更加精准及完美，则需要自动化控制系统具有极高的精度。面对这些挑战，为何金海威会在诸多品牌中向罗克韦尔自动化产品抛出橄榄枝？

据了解，金海威选用罗克韦尔自动化中型控制系统，触摸屏采用PanelView Plus 6，控制器采用CompactLogix 5370 L3中型控制器，远程I/O采用Point IO，伺服采用Kinetix 5500驱动器加VPL Kinetix®VP电机。其整个控制系统采用以太网络结构，各功能控制模块分散布置，连线简单；以太网DLR设备层环网冗余，保证系统的稳定性。同时，模块单元与执行机构距离近，连线短。且其CPU支持8轴伺服运动，并通过CIP Motion协议实现运动控制。

图2 激光焊接机控制系统架构

系统中所采用的CompactLogix 5370 L3可编程自动化控制器（PAC）是Logix系列控制器的扩展，作为集成架构系统的一部分，CompactLogix 5370 L3控制器与所有Logix控制器使用相同的编程软件、网络协议和信息功能，为实现所有控制策略提供一个通用的开发环境。它基于EtherNet/IP的集成运动控制最高可支持16轴集成运动控制。

对于伺服控制而言，Kinetix 5500伺服驱动器可连接CompactLogix 5370控制器并与之配合运行，从而支持基于EtherNet/IP的集成运动控制。凭借其创新的紧凑型设计，Kinetix 5500驱动器尽可能减小机器体积，简化系统布线。VPL Kinetix VP低惯量伺服电机连接到Kinetix 5500伺服驱动器并与其一起运行，支持基于EtherNet/IP的集成运动控制。它基于具有高动态性能的成熟MP技术，有助于提高可靠性并实现大批量生产。 它只需要一条电缆就可提供反馈、电机制动和电机电源，从而缩短安装与调试时间，简化接线，减少库存。

对于网络功能而言，CompactLogix 5370 L3控制器与Kinetix 5500伺服驱动器通过双以太网端口和集成式以太网交换机联网，现已支持设备级环形（DLR）网络拓扑结构，从而简化了控制系统中各组件的集成，并降低了系统成本，提供弹性机制，应对单个网络连接丢失的情况。也就是说，允许逐一更换设备，无需停止生产，并减少控制系统中以太网交换机的数量。

关于它的性能优点，罗克韦尔自动化的分销商——北京首科力通机电设备有限公司河南技术总监王自有先生介绍：“罗克韦尔自动化中型控制系统通过全以太网将伺服全部连接，简化了繁琐的布线过程。与其它品牌的PLC和伺服控制的协议相互独立不同，罗克韦尔自动化所采用的中型控制系统的CIP Motion协议包含在基于PLC的Ethernet IP协议中，同时一个PLC的CPU也可带动伺服。通俗来讲，一个PLC既解决了伺服控制的问题又解决了可编程逻辑控制的问题。”除此之外，王自有还补充，目前，罗克韦尔自动化中型控制系统的精度等级达到4级，伺服定位已达精度正负0.001mm，完全符合激光焊接对于高精度的要求。

如果你所理解的罗克韦尔自动化提供的解决方案只停留在产品的层面上，那就错了。如今，靠单一产品打拼天下的时代早已经过去，可靠的产品及完善的后备支持服务相结合，才能为客户提供完美的解决方案，从而为激光焊接“锦上添花”。就像去商场里购置物品，不但要包退换，还要有保修期，这样，顾客也才能舒心。买卖的道理，是融会贯通的。在自动化产品领域，提供优质产品的同时，加强客户后备支持的力度，是罗克韦尔自动化矢志不渝坚持的经营理念。

“罗克韦尔自动化的后备技术支持做的很到位，这让公司的技术及管理人员省了不少心。”谈及与此，金海威电气总工耿泽中坦言，“因为接触一个全新的控制系统，很多技术层面的知识及应用需要重新去了解，而罗克韦尔自动化的技术人员能够为公司的人进行耐心的讲解，并且能够为公司解决相应的技术困难。”

的确，相较于其它控制系统，罗克韦尔自动化控制系统工艺参数设置简单，不需要员工进行编程，且具有形象化操作，界面友好等优势，便于操作人员调整，令操作人员无需经过专业培训即可操作。除此之外，从产品的选型到购买，再到售后服务，罗克韦尔自动化能够提供“一条龙”的服务。王自有先生介绍：“前期选型通过Motion Analyzer软件根据客户所需的机械参数进行选型，之后对于设备安装以及布线连接进行相应的技术支持，最后，在设备连接好的情况下进行一系列测试，包括调节伺服指令及直线、圆弧插补回零等等。后续客户发现的一些问题和技术难点，我们也会极力地为客户解决。”

据统计，运用罗克韦尔自动化的中型控制系统，LAWS1200系列锯片激光自动焊接成套设备已经有多台在生产线上长期正常运转，每天连续工作20小时，焊接质量稳定可靠。其生产效率比传统方法高10倍以上，并且操作人员可以管理2～3台机器。于产品而言，Φ105～Φ1200（厚2.2～6.0mm）的金刚石锯片焊接质量符合出口标准的要求。于项目周期而言，项目时间已由一般的七个月缩短至两个月，极大地缩短了项目时间。

最后，金海威电气总工耿泽中还表达出对于罗克韦尔自动化产品的期望：“除LAWS1200系列锯片激光自动焊接成套设备外，今后将会在金海威的其它大型设备的自动化生产线上采用罗克韦尔自动化的控制系统，以提高生产效率。”

自动化产品领域万木丛生，罗克韦尔自动化的产品及服务能够得到金海威的认可，这无疑为罗克韦尔自动化打了一枚强心针。满载无尽的期许，罗克韦尔自动化将会在日后不断努力，为客户提供更高效、更优质的产品解决方案。