基于S7_300PLC不规则空间曲线自动焊接系统设计_何龙

3 软件算法设计及定位问题解决方法
该算法采用定时中断方式，每隔时间间隔 T 后中断 一次，进行一次插补，同时计算一次逆向运动学，输出一次 给定值。为保证焊接过程的平稳（焊接接头不抖动），将 时间间隔 T 设置较小，同时由于机械臂机械特性限制了 时间间隔 T 的上限值 25 ms（40 Hz），显然 T 越小越好， 然而计算量的大小又限制了它的下限值，即 CPU 要在 T 时间里完成一次插补运算、一次直线和圆弧的逆向运动 学计算以及两次闭环比例⁃积分运算。CPU 的浮点运算 时间是 15 μs，总运算时间约为 8 ms。这就产生了 T 的 下限值。定时器分辨力为 10 ms，CPU 还要执行输入输 出、故障诊断等任务，这里设置 T 值为 15 ms。
图 3 机械臂摆动电机控制原理图
为了在保持精度的同时简化硬件复杂度，在焊枪高 度和长度上采用基于 PLC⁃300 的闭环控制系统。通过 编码器精确测量电机的转速，并与给定转速进行 PI 运 算，用 PWM 脉冲控制伺服电机的转速。系统原理图如 图 4 所示。
图 4 机械臂高度和长度电机控制原理图
图 2 系统软件流程图
参考文献
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图 7 焊接机械臂 z 轴精度测量图
5结论
本文研究了以 S7⁃300 为核心的不规则空间曲线自 动焊接系统，该系统具有操作简单、维护方便、易于功能 的 拓 扑 与 调 试 等 优 点 。 同 时 ，示 教 盒 也 提 供 了 一 种 简 单、快捷、准确的焊接示教方案；软件算法上采用了定时 插补算法、闭环控制方案以保证定位精度与焊接质量。
采用 S7⁃300 PLC 实现下位机数据的采集、计算、存 储、故障诊断、输出等功能。其中采用 CPU 314C⁃2 DP 作为焊接机控制系统处理器，该处理器集成的特殊功能 有：最大频率 60 kHz 的 4 通道高速计数器，可测频率最大 60 kHz 的 4 通道频率测量，最高输出频率 2.5 kHz 的 4 通 道脉冲宽度调制输出及 1 路位置控制和 PID 闭环控制[7]。 外 围 电 路 包 括 FM354 伺 服 电 机 定 位 模 块 及 其 附 属 电 路 ，主 要 完 成 相 关 执 行 器 的 闭 环 输 出 控 制 ，焊 接 系 统 简 化框图如图 1 所示。
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现代电子技术
2015 年第 38 卷
图 6 激光焊接焊缝
采用激光干涉仪检测焊接过程中机械臂 z 轴精度， 验证焊接定位精度及定时插补算法等是否能够满足要 求，检测结果如图 7 所示。图 7 为焊接过程中 z 轴精度， 从图中可以看出定时插补算法的加入使得 z 轴的定位 精度达到了 0.009 mm，重复精度约为 0.005 mm，该组数 据表明，所设计系统能够对焊接机械臂各个轴进行高精 度的定位控制，插补算法设计完全满足激光焊接定位精 度的要求。
了整个控制系统的系统组成、工作原理及软件算法；在机械臂摆动控制上采用 FM354 伺服电机定位模块实现高精度定位，在
机械臂高度和机械臂长度控制上采用基于 PLC⁃300 的闭环比例⁃积分控制。所设计焊接自动控制系统既保证了控制精度又
降低了设计成本。基于设计系统进行焊接试验，试验结果表明：焊接定位精度较高，焊缝平整光滑，试验结果证实了该系统
对设计的 PLC 控制空间曲线焊接系统进行试验，分 析焊接定位精度及机械臂定时插补算法等能否满足焊 接精度。焊接结果表明，该系统完美地完成了空间不规 则 曲 线 激 光 自 动 焊 接 ，同 时 焊 缝 平 整 光 滑 ，焊 接 可 行 性 及可靠性达到了预期结果。同时能够对机械臂进行高 精度的定位控制，完全满足激光焊接定位精度的要求。
的焊接可行性及可靠性。
关键词：PLC；空间曲线；机械臂；焊接；定位精度
中图分类号：TN609⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2015）17⁃0160⁃03
Design of automatic welding system for irregular space curve based on S7⁃3onautic Polytechnic，Chengdu 610100，China）
Abstract：For the characteristics of welding seam and welding requirements of spiral component，a set of automatic welding system for irregular space curve based on S7⁃300 PLC was designed. System composition，work principle and software algorithm of the whole control system are introduced. In the control of mechanical arm swing，the high accuracy positioning was achieved by using FM354 servomotor positioning module. The closed loop proportional⁃integral control based on PLC ⁃300 is adopted by the control of the mechanical arm height and length. The designed automatic welding system can ensure the control precision and reduce the design cost. The welding experiment is conducted based on the system design. The experimental results show that the positioning accuracy of welding is high and the welding seam is smooth，and the feasibility and reliability of the system were proved by test results.
收稿日期：2015⁃04⁃09
理论指导。
1 控制系统组成
该系统通过串行口 RS 232 把 S7⁃300 PLC 与示教盒 相连接，以接收示教信息；同时示教数据被存储到存储器 中，完成焊接示教动作。操作员通过直观的上位机画面 观察焊接工作状况，设置焊接机械臂的切向运动速度和 轴向送丝速度，修正示教数据并显示故障原因等信息。
2015 年 9 月 1 日 第 38 卷第 17 期
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现代电子技术 Modern Electronics Technique
Sep. 2015 Vol. 38 No. 17
基于 S7⁃300 PLC 不规则空间曲线自动焊接系统设计
何龙
（成都航空职业技术学院，四川 成都 610100）
摘 要：针对螺旋形部件焊缝的特点和焊接需求，设计了一套基于 S7⁃300 PLC 的不规则空间曲线自动焊接系统。介绍
管焊接中的设计和应用[J].电焊机，2006，36（12）：16⁃19. [5] 张 志 芳.智 能 埋 弧 焊 系 统 中 的 PLC 设 计 [J].电 焊 机 ，2014，44
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系统采用 FM354 伺服电机定位模块控制伺服电机
4 试验过程及结果分析
为了验证系统的可行性及可靠性，对设计的 PLC 控 制空间曲线焊接系统进行试验，通过对空间 T 型接头进 行激光焊接来检验焊接接头定位精度及机械臂定时插 补算法是否能够满足要求。
该试验焊接机械臂及操作试验台如图 5 所示。
图 5 焊接机械臂及操作试验台
操作员利用示教盒通过示教程序对机械臂进行编 程 ，使 机 械 臂 完 成 预 期 的 焊 接 动 作 ，并 按 顺 序 存 储 示 教 的空间坐标数据。系统软件流程图如图 2 所示。
的转矩。通常伺服控制器有三种控制方式，分别为脉冲 控制方式、电压控制方式和转矩控制方式。FM354 只能 使用电压控制方式，所以在焊枪的角度上采用基于电压 控制的伺服电机。考虑到摆动电机是基于模拟量控制， 在以 S7⁃300 PLC 为控制核心的基础上 ，引入 FM354 伺 服电机定位模块来精确控制摆动电机的角速度，采用这 种 独 立 定 位 模 块 减 轻 了 主 控 制 器 CPU 的 运 算 量 ，降 低 了 PLC 扫描的周期，从而在整体上改善了控制精度。系 统原理图如图 3 所示。
第 17 期
何 龙：基于 S7⁃300 PLC 不规则空间曲线自动焊接系统设计
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图 1 控制系统硬件简化图
2 软件系统设计
本系统软件设计采用结构化和模块化设计，主要有 初始化、示教程序、轨迹插补计算、相关数据的采集与输 出等子程序，每一部分通过许多功能模块构成。
初始化主要用于完成显示器初始化、串行接口初始 化、定时器初始化、反馈计数器初始化、FM354 模块初始 化以及存储器数据清零等。
基于西门子 S7⁃300 型 PLC 进行焊接试验，焊接过程 中焊接速度设为 3 500 mm/min，焊接功率为 10 000 W。 考虑到焊接收尾效应，在设计焊接轨迹引出段的焊接工艺 参数时，降低焊接速率和焊接功率，直至焊接结束。焊接 试验结果如图 6所示。观察图 6焊接结果可以明显看出，该 系统很好地完成了空间不规则曲线激光自动焊接，同时焊 缝平整光滑，该系统的可行性及可靠性达到了预期结果。