目前中國整體的經(jīng)濟(jì)環(huán)境令人滿意，今年所有行業(yè)都在繁榮發(fā)展，這使得企業(yè)更加關(guān)注運(yùn)營和產(chǎn)量，而忽視了設(shè)備創(chuàng)新，提高質(zhì)量和生產(chǎn)率來提高競爭力，勞動(dòng)力成本的增加也促使投資轉(zhuǎn)向自動(dòng)化。提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，降低設(shè)備能耗。如何在激烈的競爭中比對手更快地投入新產(chǎn)品是長期困擾眾多醫(yī)療過濾器廠商的一個(gè)難題。要有效地解決這一難題需要廠商能夠創(chuàng)造性地壓縮產(chǎn)品開發(fā)周期并選擇一種適當(dāng)?shù)暮附庸に嚒Ｉa(chǎn)一款近乎完美的自動(dòng)焊接機(jī)需要從多個(gè)方面來對產(chǎn)品開發(fā)過程加以改善：從選擇正確的裝配方法并設(shè)計(jì)出合理的數(shù)控工件及接縫結(jié)構(gòu)到優(yōu)化生產(chǎn)和操作工序。才可在擴(kuò)大焊接工藝范圍的優(yōu)勢下，限度的提高企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品的合格率和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，對企業(yè)的發(fā)展起到事半功倍的效果。針對這種特殊的應(yīng)用需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于PC機(jī)和6K4控制器的開放式雙焊槍自動(dòng)焊接機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

　　1 自動(dòng)焊接機(jī)硬件構(gòu)成

　　要完成對T型管相貫線的焊接，除了要求焊槍具有平動(dòng)功能，即焊槍的端瞄位置在允許的誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤相貫線焊縫外，還要求焊槍具有擺動(dòng)的功能，保證焊槍軸線在焊接過程中始終與相貫線焊縫的切線方向保持一定角度。自動(dòng)焊接機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

　　1. 機(jī)械裝置

　　點(diǎn)焊機(jī)系統(tǒng)由機(jī)械裝置、供電裝置、控制裝置三大部分組成。為了適應(yīng)焊接工藝要求，加壓機(jī)構(gòu)（焊鉗）采用了雙行程快速氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過切換行程控制手柄改變焊鉗開口度，可分為大開和小開來滿足焊接操作要求。通常狀態(tài)為焊鉗短行程張開，當(dāng)把控制按鈕切換到“通電”位置，扣動(dòng)手柄開關(guān)則焊鉗夾緊加壓，同時(shí)電流在控制系統(tǒng)控制下完成一個(gè)焊接周期后恢復(fù)到短行程張開狀態(tài)。

　　2. 供電裝置

　　主電力電路由電阻焊變壓器、可控硅單元、主電力開關(guān)、焊接回路等組成。目前，我們采用的焊接設(shè)備是功率200kVA、次級(jí)輸出電壓20V的單相工頻交流電阻焊機(jī)。由于多種車型共線生產(chǎn)，焊鉗要焊接高強(qiáng)度鋼板和低碳鋼薄板，焊鉗槍臂要傳遞較大的機(jī)械力和焊接電流，因此焊鉗的強(qiáng)度、剛度、發(fā)熱要滿足一定要求，并且要具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，同時(shí)要求焊鉗采用通水冷卻，所以選擇焊鉗電極臂能夠承受400kg壓力的新型焊鉗。

　　3. 控制裝置

　　控制裝置主要提供信號(hào)控制電阻焊機(jī)動(dòng)作接通和切斷焊接電流，控制焊接電流值，進(jìn)行故障監(jiān)測和處理。

　　在本焊接機(jī)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種新型的控制結(jié)構(gòu)：采用了6K4四軸運(yùn)動(dòng)控制器，其中三軸實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 3個(gè)方向上的插補(bǔ)，完成焊接曲線的擬合。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)焊槍在焊接過程中實(shí)時(shí)擺動(dòng)，利用6K4控制器的1個(gè)輸出軸來同時(shí)控制兩把焊槍（焊槍控制采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)），在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，又保證了雙焊槍擺動(dòng)的同步性，提高了焊接。

　　該數(shù)控系統(tǒng)采用2級(jí)控制，上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），下位機(jī)采用6K4多軸運(yùn)動(dòng)控制器和MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)并行運(yùn)行的模式。整個(gè)焊接數(shù)控系統(tǒng)由5個(gè)軸組成。機(jī)床坐標(biāo)系的建立如圖1所示，分別是控制工件輸送臺(tái)移動(dòng)的X軸，控制焊槍進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的Y軸，控制焊槍垂直移動(dòng)的Z軸，以及控制雙焊槍擺動(dòng)的C軸。其中C軸細(xì)分為C1軸和C2軸，用來分別控制2個(gè)焊槍的擺動(dòng)。其硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

　　工控機(jī)選用的是華北工控的型號(hào)為RWS-856A的工控一體化機(jī)。RWS-856A是專門為工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的，配置有高性能的控制運(yùn)算平臺(tái)、低功耗的高性能工業(yè)主板、15英寸高亮帶電阻式觸摸面板的液晶顯示屏，主要用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能及人機(jī)交互功能，如可實(shí)現(xiàn)圖形顯示、焊接參數(shù)設(shè)置、在線調(diào)試、數(shù)字焊機(jī)參數(shù)顯示等。

　　控制器選用parker公司生產(chǎn)的6K4四軸運(yùn)動(dòng)控制器。6k4是一個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制器，它能夠控制1~4個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)和伺服器的任意組合。另外，它還提供了8路限位開關(guān)（每軸2路）輸入、4路原點(diǎn)開關(guān)（每軸1路）輸入、4路通用數(shù)字量輸出接口、8路通用數(shù)字量輸入接口，RS232、RS485和以太網(wǎng)接口RJ45 3種通訊接口以及容量達(dá)300 KB的程序存儲(chǔ)器[4]。在本研究中，使用6K4控制器的1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口同時(shí)驅(qū)動(dòng)2套步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2個(gè)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入端CP、方向信號(hào)輸入端CW分別與控制器的DRIVES端口的脈沖信號(hào)端STEP和方向信號(hào)端DIRECTION相連，在保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，使2個(gè)步進(jìn)電機(jī)在低速情況下具有較高的運(yùn)動(dòng)同步性。

　　動(dòng)力系統(tǒng)選用交流伺服系統(tǒng)（X、Y、Z）和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（C1和C2）。交流伺服系統(tǒng)是由交流伺服放大器、交流伺服電機(jī)和光電編碼器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制較高。因此，進(jìn)行T型管相貫線軌跡擬合的X、Y、Z三軸采用安川的交流伺服系統(tǒng)，以確?？臻g曲線的準(zhǔn)確擬合。而旋轉(zhuǎn)軸是為了保證良好的焊接質(zhì)量，為焊接工藝的要求所添加的，它只需控制焊槍在運(yùn)動(dòng)過程中做位置跟隨運(yùn)動(dòng)。所以控制要求不高，又考慮到控制成本的要求，選用了由23H280-01EA型的混合式步進(jìn)電機(jī)和AKS230型的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　傳感器選擇的是KEYENCE公司的光纖傳感器，其主模塊為FS-V31, 纜線NPN輸出，響應(yīng)時(shí)間193 μs~16.7 ms。為了提高焊接效率，焊接過程采用變速控制方式，并由光纖傳感器檢測焊接工件的立管邊沿，以確定工件是否到達(dá)焊接工作區(qū)域。在工件沒有運(yùn)動(dòng)到焊接工作區(qū)域時(shí)，輸送臺(tái)帶動(dòng)焊接件高速運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)工作區(qū)域，安裝在焊槍座上的光纖傳感器檢測到焊接工件的立管邊沿時(shí)（即橫管和立管的T型相貫線的起焊點(diǎn)位置），輸送臺(tái)帶動(dòng)焊接件執(zhí)行低速注冊運(yùn)動(dòng)，以補(bǔ)償傳感器檢測位置和焊槍頭部位置之間在X軸方向上所存在的位置偏差，確保在焊機(jī)開始起弧焊接時(shí)焊槍頭部位于T型相貫線的起焊點(diǎn)位置。

　　焊接電源選用Pulse MIG-350Y/YL型的逆變式脈沖弧焊電源。它是一種使用Ar、CO2或者混合氣體進(jìn)行保護(hù)半自動(dòng)數(shù)字化電焊電源。本系統(tǒng)使用混合氣體進(jìn)行MIG焊接。熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）的主要優(yōu)點(diǎn)是可以方便地進(jìn)行各種位置的焊接，同時(shí)也具有焊接速度較快、熔敷率高等優(yōu)點(diǎn)，因此適合用于自動(dòng)化焊接。另外，該焊接電源提供了RS485通信端口，方便6K4控制器對其進(jìn)行直接控制，而無需人工操作。

　　2 自動(dòng)焊接機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)控制系統(tǒng)軟件主要由三大模塊組成：上位機(jī)IPC管理模塊、通信模塊、下位機(jī)控制模塊。其中，上位機(jī)IPC的應(yīng)用軟件的主要任務(wù)是作為整個(gè)控制系統(tǒng)的后臺(tái)管理模塊，完成一些實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的任務(wù)和一些多任務(wù)協(xié)調(diào)方面的工作。而對于各軸伺服插補(bǔ)運(yùn)算、位置跟隨、脈沖輸出控制、I/O點(diǎn)的檢測、系統(tǒng)的順序上電、控制狀態(tài)顯示等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的任務(wù)，則由下位機(jī)6K4四軸運(yùn)動(dòng)控制器和MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)來完成，其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2.1 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)應(yīng)用程序的主要作用是將數(shù)控系統(tǒng)的操作界面展示在屏幕上方便用戶的操作，這是數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)很重要的一部分。本研究利用Visual Basic 6.0可視化開發(fā)工具開發(fā)了自動(dòng)焊接機(jī)人機(jī)界面。在數(shù)控系統(tǒng)工作時(shí)，用戶只需輸入簡單的幾個(gè)參數(shù)，就可以自動(dòng)完成散熱器T型管相貫線的焊接。這大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。上位機(jī)應(yīng)用程序主界面如圖4所示。

　　經(jīng)過對自動(dòng)焊接機(jī)硬件系統(tǒng)和用戶需求的分析，系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用程序主要包括以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置與顯示、點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫生成及、原點(diǎn)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等模塊。

　　（1）系統(tǒng)初始化：該模塊主要為用戶提供一個(gè)交互性好的人機(jī)界面。在這個(gè)界面中，用戶可以方便地進(jìn)行各種操作。數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先運(yùn)行此模塊，完成用戶登錄、建立上位機(jī)與6K4運(yùn)動(dòng)控制器的連接，對有關(guān)指示器設(shè)置相應(yīng)的工作狀態(tài)等工作。

　?。?）參數(shù)設(shè)置與顯示：針對散熱器T型管相貫線數(shù)學(xué)模型的生成及焊接點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫生成所需的各種參數(shù)，設(shè)置了如下人機(jī)接口：橫管直徑、立管直徑、焊接運(yùn)動(dòng)線速度、插補(bǔ)周期、兩把焊槍的擺角及擺動(dòng)速度。用戶可以通過數(shù)字軟鍵盤和帶觸摸屏的工控一體化機(jī)來方便地設(shè)置各種參數(shù)。在本模塊中，采用直線插補(bǔ)方法對焊接曲線進(jìn)行直線段擬合，完成上位機(jī)的對曲線的粗插補(bǔ)，并生成相應(yīng)的焊接點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫，將其到6K4運(yùn)動(dòng)控制器中，以供運(yùn)動(dòng)程序調(diào)用。另外，在該模塊中，還設(shè)置了焊接電源參數(shù)顯示界面。上位機(jī)系統(tǒng)接收來自6K4控制器的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、起弧電流等。

　?。?）點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫生成及：在菜單欄中的工具選項(xiàng)下可以打開這個(gè)子菜單。點(diǎn)擊生成按鈕，程序會(huì)自動(dòng)生成焊接所需的各軸的焊接點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫，并在屏幕上顯示出來。然后點(diǎn)擊按鈕，則可將生成的點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫到6K4控制器中，當(dāng)完成時(shí)，提示用戶成功，可以返回主界面，完成下一步工作。

　?。?）原點(diǎn)設(shè)置模塊：通過機(jī)床面板上的手動(dòng)控制按鈕，分別對Y軸、Z軸、C軸坐標(biāo)位置進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置，使兩把焊槍均到達(dá)焊接起弧位置，并通過機(jī)床面板上的確定按鈕保存當(dāng)前設(shè)定的焊槍在焊接起弧位置時(shí)各軸的相對坐標(biāo)原點(diǎn)，以方便工件的連續(xù)自動(dòng)焊接。硬件原點(diǎn)按鈕是使焊槍回到由各軸正負(fù)限位開關(guān)及原位開關(guān)（由接近開關(guān)組成）決定的硬件安裝原點(diǎn)位置。

　?。?）系統(tǒng)狀態(tài)顯示：通過以太網(wǎng)接口，上位機(jī)系統(tǒng)可以通過API函數(shù)訪問6K4運(yùn)動(dòng)控制器，讀取各軸的當(dāng)前坐標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)速度，并在界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

　　2.2 下位機(jī)運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　T型管相貫線的粗插補(bǔ)由上位機(jī)完成，精插補(bǔ)及各軸聯(lián)動(dòng)控制由運(yùn)動(dòng)控制器6K4來完成。6K系列多軸運(yùn)動(dòng)控制器是建立在Compumotor的6000編程語言可靠平臺(tái)之上的一款高性能多軸控制器，其特點(diǎn)是：電子凸輪，多任務(wù)處理，PLC掃描模式，可編程限位開關(guān)（PLS）功能，仿形和教學(xué)模式等。而且6000語言具有與Basic語言相似的結(jié)構(gòu)，簡單易用。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，6000語言運(yùn)動(dòng)程序主要功能是調(diào)用焊接點(diǎn)位數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行焊接曲線的精插補(bǔ)，以完成散熱器T型管相貫線的擬合。同時(shí)，控制兩把焊槍在運(yùn)動(dòng)過程中做位置跟隨運(yùn)動(dòng)，跟隨X軸做相應(yīng)的擺動(dòng)，以實(shí)時(shí)保持焊槍相對YOZ平面的合理夾角。其中，兩把焊槍是由C軸脈沖來控制的。其主程序流程圖如圖5所示。

　　本文基于PC機(jī)和6K4運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)了用于散熱器T型管相貫線焊接的自動(dòng)焊接機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，采用了 “PC+多軸控制器”的典型控制結(jié)構(gòu)，并針對自動(dòng)焊接機(jī)獨(dú)特的雙焊槍結(jié)構(gòu)，提出了一種新型的經(jīng)濟(jì)型控制結(jié)構(gòu)：兩套步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用并聯(lián)方式與6K4運(yùn)動(dòng)控制器的1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口相連，由它發(fā)出的同一組驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)；在軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)用戶需求及人機(jī)交互的特點(diǎn)，采用Visual Basic 6.0 設(shè)計(jì)了該數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面。實(shí)際運(yùn)行證明，該自動(dòng)焊接機(jī)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，較好地滿足了用戶的設(shè)計(jì)需求。