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西门子EMQT16
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概述

可编程控制器,SMART LINE触摸屏和SINAMICS V20变频器*整合,为OEM客户带来高性价比的小型自动化解决方案,满足客户对于人机交互、控制、驱动等功能的*需求。

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伺服焊枪点焊PLC控制系统设计

　　关键词：伺服焊枪;电阻点焊;PLc控制系统;闭环控制

　　O 序言

　　电阻点焊(RsW)目前已被广泛应用于轿车白车身装配工艺中，它是复杂的电、热、力等因素综合作用的结果。影响点焊质量的因素很多，zui主要的因素有焊接电流、焊接时间、电极力等u’2J。焊接电流和时间多是由焊接控制器来调节，通常是采用恒流控制法。

　　电极力在传统的气动焊枪中是由气缸来控制的，由于气压系统所固有的缺陷，无法保证电极力的稳定性;新型的伺服焊枪采用交流伺服电机来控制，电极速度、位置、压力都可以准确地进行控制，因此伺服焊枪可以有效地控制电极力，提高焊点质量同时由于焊接时电极与工件的弹性接触，伺服焊枪能够明显提高电极寿命。

　　目前国外一些汽车制造厂商如丰田、本田公司已经将伺服焊枪用于生产线上进行车身点焊装配。伺服焊枪在车身生产线应用时，被集成在专门的焊接机器人上，由机器人驱动。焊枪上的伺服电机被当作焊接机器人的附加轴，由机器人控制器中专门的伺服单元来控制，机器人控制器上安装点焊软件包，能够实现焊枪定位、与工件软接触、预压、焊接、保压以及电极轴向磨损检测和补偿等功能。随着伺服焊枪成本日趋降低，其必将成为今后车身装配线上zui重要的连接设备。

　　1.伺服点焊PLC控制系统硬件

　　试验系统采用PLC控制器来控制伺服焊枪单一轴，以实现整个点焊过程m。伺服焊枪点焊控制系统主要由伺服焊枪、PM控制系统、焊接控制器等设备组成，它们之间的集成如图1所示。

　　1.1伺服焊枪

　　伺服焊枪主要由焊接变压器、欧姆龙公司交流伺服电机R88M—w1邸(额定功率1.3 kw，通过电源和伺服编码器电缆与伺服驱动器连接)、滚珠丝杠、上下电极组成。伺服电机使用同步齿形带来带动丝杠旋转，控制实现电极的进给，电机的旋转量和旋转速度决定了电极的进给量和进给速度。

　　1.2 PLc控制系统

　　P比控制系统是整个伺服点焊系统的核心，控制点焊的全过程。主要由PLC主机模块CslH—CPU.65H、4路模拟量I，O模块MAD44、四轴运动控制模块Mc42l和交流伺服驱动器R88D—wTl5H(额定输出功率1.5 kW，与焊枪上的伺服电机相匹配)组成。PLC主机控制整个焊接过程的时序，I/O模块完成与外围设备的信息交互，包括压力传感器信号和焊接完毕信号的输入，焊接程序选通信号的输出等，运动控制器存储编译好的G代码程序并转换成电机插补运动的脉冲信号，伺服驱动器则将运动控制器输出的脉冲信号放大，驱动电机旋转来控制电极进给。

　　1.3焊接控制器

　　焊接控制器采用日本小原公司的焊接控制器I'25，其内部集成了恒流控制模块，当焊接过程中实际电流发生偏差时，控制器会自动调整可控硅触发角，保持焊接电流稳定。此外，焊接控制器还提供了一些常用的外部接口，如焊接允许信号、程序选通信号的输入、焊接保持结束信号的输出等。

　　2控制方案设计

　　伺服焊枪一个*的优势在于它具有压力环控制的同时还具有位置环控制。这样，当工件接触面变形严重以致施加额定焊接压力也无法很好的贴合时，电极的位置环便能保证使工件贴合紧密，减少和抑制焊接过程中的飞溅。

　　2.1 电极位置和速度控制

　　交流伺服电机的旋转量和旋转速度是由输人伺服电机的脉冲数以及脉冲频率来决定的。控制系统中，运动控制器提供了一个通用G代码编程接口，上位机使用cx—M砸0n软件来进行G代码程序的编写、编译和传输，PLC则通过调用G代码程序来控制伺服电机旋转量和旋转速度。

　　经试验标定，在伺服电机带动下电极的进给速度为每脉冲2.5胛，当处于电机原点时，上下电极间的距离为100 r姗，试验中焊接工件为2块l姗厚45号热镀锌低碳钢板。因此设定快速接近工件的子程序P00l如下，使用坐标系。

　　G90

　　G0l X39000 f30000

　　G90表示坐标系，G01表示直线插补，X39000表示x轴方向进给的脉冲数为39 000， F30000表示脉冲频率为30000 m。该子程序的执行时间为39 000，30 000=1.3 s，运行完毕后，运动控制模块输出39 000个脉冲信号，电极向下进给量为39 000×2.5，l 000=97.5 I姗，进给速度为9r7.5，1.3=75 rnlIl，s，执行完毕后，上电极快速接近到工件上表面。

　　2.2电极力控制

　　交流伺服电机的输出转矩是由输入电机转子线圈的电流决定的，通常是采用交流变频器来进行控制，但交流变频器价格昂贵，这里使用现有的运动控制器，基于电机的位置伺服功能来实现压力闭环控制。在电极杆上安装NI(美国国家仪器公司)的Load ceH型压力传感器rIHc一10K—V，压力信号接人模拟量I，O模块来组成闭环控制系统。PLc主机接收反馈信号，比较当前电极力和预设压力的差值，控制电机进给，来实时调节电极力。

　　在PLC控制系统下，电机的进给是通过调用运动控制器中已存储的G代码程序来实现的，而P比本身并没有创建任意G代码程序的功能，因此需要首先创建好一些预设的G代码子程序供PLc调用。

　　由试验标定可知，该焊接板材的力变化率为每脉冲7.5 N，因此软接触加压过程中设定正向进给G代码子程序P002如下，使用增量坐标系。

　　G9l

　　G0l XlO E≥000

　　G91表示使用增量坐标系，该子程序的执行时间为10，2 000=0.005 s，电极进给速度为2 000×2.5，1 000=5 IIⅡIl，s，能够实现电极与工件的软接触，减少碰撞时的冲击和噪音。zui小力调整量为10×7.5=75 N，即预压力zui大偏差为75 N，能够满足点焊要求。

　　焊接过程中电极力变化非常快，尤其是焊接开始和焊接结束阶段。焊接开始时由于工件受热膨胀导致电极力增大，此时电极力的增加对抑制焊点喷溅是有利的，因此这一阶段对电极力不予控制。而当焊接完毕时，焊点冷却收缩，电极力会迅速降低，这会影响熔核成形，因此对这一阶段进行压力调节。采用反馈控制算法，当电极力下降超过预设值时，调用电机进给子程序，增加电极力。

　　采用P002子程序来补偿电极力损失，其压力调节的速度为75，0.005=15 000 N，s，能够满足焊接压力实时控制的要求。如果需要在焊接过程中调节更大范围的电极力，可以创建更多类似的子程序以供PIJC调用。

　　zui后，预设电机快速回原点的G代码子程序P003如下，使用坐标系。GOO X0G00为快速定位G代码。

　　2.3系统与焊接控制器的通讯

　　PLC控制系统I/O模块与焊接控制器的接口如图2所示。焊接控制器能够存储15个不同参数的焊接程序，采用手持编程器对每个焊接程序设定预压时间、焊接时间、焊接电流、保压时间等参数。P比系统模拟量I/O模块输出4个5 V的模拟量，经电磁继电器转化为4个开关量，连接焊接控制器的4路程序选通开关，选通某个焊接程序。焊接允许信号选择直接短接，这样当焊接控制器接收到焊接程序选通信号时，焊机会通电焊接。焊接完毕的开关量信号经5 V直流电源转化为模拟量，接入I/O模块的第4路模拟量输入通道，当焊接完毕时，PM接收该结束信号，控制电机反转至电机原点。

　　完整伺服焊枪点焊过程的PM梯形图程序流程图如图3所示。

　　3 控制方案应用结果

　　使用NI数据采集卡采集焊接全过程的压力传感器信号，获得的电极力曲线如图4所示，其中预压力设置为3 000 N，预压时间为O.2 s，焊接时间O.2s，保压时间0.2 s。

　　图4中①为软接触加压过程，电极力从O增加到3 000 N的过程中耗时约为0.8 s，加压快速准确而且较稳定。②为预压过程，实现电极与工件的紧密贴合。③为焊接过程，焊接开始的3周波(O.06 s)以内，电极力迅速增加到3 200 N左右，然后趋于稳定。④为焊后保压过程，在压力闭环控制作用下，电极力未出现大幅下降，维持稳定。⑤为电机反转回原点过程，电极力迅速下降。从加压开始到焊后保持完毕共用时1.5 s，点焊过程中电极力比较稳定。

　　针对1.0mm45厚号热镀锌低碳钢，使用伺服焊枪系统和传统气动焊枪各进行100组点焊试验，使用端面直径为5姗的球形电极，焊接电极力为3 000 N，焊接电流lo kA，焊接时间10周波(o.2 s)，焊接速率15点/IIlin，试验结果如表1所示。

　　由表1中可以看出，使用伺服焊枪进行焊接时，由于电极力准确而且稳定，使得焊点的平均拉剪力比气动焊枪提高了约270 N，平均熔核直径增加了0.2一，明显的提高了焊点质量;同时抑制和减少了焊点喷溅，使得焊点压痕减少了约50脚，有利于提高焊点疲劳寿命。从电极磨损的角度看，由于电极与工件的软接触，经过连续100点的焊接后，伺服焊枪的电极轴向磨损量比气动焊枪减少了0.04 z砌，端面直径的增加量减少了O.2 mm，有效地降低了电极磨损，延长了电极寿命。