目前，在國內(nèi)散熱器T型管相貫線的焊接工藝上，多采用人工焊接方式。人工焊接存在焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低等缺點，因此，設(shè)計一種能自動完成T型管相貫線焊接的自動焊接機數(shù)控系統(tǒng)有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但是，散熱器多T型管相貫線的焊接，存在焊接空間曲線復(fù)雜、在焊接過程中需要避障等問題，其模型(又稱為馬鞍形曲線)如圖1所示。為了提高生產(chǎn)效率、降低人力成本的支出，要求當(dāng)被焊件裝上工件輸送臺后，焊接機自動完成T型管相貫線的焊接，無需人工干預(yù)。針對這種特殊的應(yīng)用需求，本文設(shè)計了一種基于PC機和6K4控制器的開放式雙焊槍自動焊接機數(shù)控系統(tǒng)。

1 自動焊接機硬件構(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。同時，在實際散熱器T型管相貫線的焊接中，還存在以下問題：

　　(1)由于要進(jìn)行多T型管相貫線的連續(xù)焊接，管與管之間的空間有限，單焊槍難以對T型管相貫線1次完全施焊，而采用分段分時焊接方式會由于溫度分布不均產(chǎn)生較大的受熱變形，嚴(yán)重影響工件的質(zhì)量。

　　(2)由于在焊接過程中又存在鋁翼等障礙，為避免發(fā)生焊槍頭轉(zhuǎn)動時與鋁翼產(chǎn)生干涉，對焊槍槍頭在垂直平面(XOZ平面)的抬頭度也提出了要求。

　　針對這些問題，在該焊接數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計上采取了以下措施：

　　(1)采用雙焊槍對焊的方式?？刂苾砂押笜屚瑫r相向運動，對相貫線進(jìn)行1次性的完全焊接,每把焊槍只需完成半個T型管相貫線的焊接。

　　(2)使用6K4多軸運動控制器的1個電機驅(qū)動接口的輸出脈沖控制兩把焊槍同步運動。實時調(diào)整兩把焊槍相對焊接工作區(qū)域的傾斜角度,以保證良好的焊接質(zhì)量。

　　(3)控制焊槍運動的步進(jìn)電機動力軸輸出端通過固定孔為圓弧狀且60°可調(diào)的圓盤法蘭和焊槍固定在一起，從而使焊槍在Z軸方向上抬頭度在60°范圍內(nèi)可調(diào)，方便用戶進(jìn)行調(diào)節(jié)，在焊接過程中避開鋁翼障礙。

　　(4)焊接前，對焊槍頭進(jìn)行調(diào)整，使焊絲端瞄位置（即焊絲軸線的延長線與工件表面的交點,以下簡稱焊槍頭部）其在焊接過程中始終處在焊槍的回轉(zhuǎn)中心線上。消除在焊接運動過程中因焊槍頭部不在焊槍的回轉(zhuǎn)中心線上所造成的焊接質(zhì)量問題。

　　但是在焊槍長度固定且要進(jìn)行雙焊槍同時焊接的情況下，一般需要五軸控制器才能實現(xiàn)。而在本焊接機的設(shè)計中，設(shè)計了一種新型的控制結(jié)構(gòu)：采用了6K4四軸運動控制器，其中三軸實現(xiàn)X、Y、Z 3個方向上的插補，完成焊接曲線的擬合。同時為實現(xiàn)焊槍在焊接過程中實時擺動，利用6K4控制器的1個輸出軸來同時控制兩把焊槍（焊槍控制采用步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)），在保證經(jīng)濟(jì)性的同時，又保證了雙焊槍擺動的同步性，提高了焊接精度。

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

工控機選用的是華北工控的型號為RWS-856A的工控一體化機。RWS-856A是專門為工業(yè)自動化應(yīng)用環(huán)境設(shè)計的，配置有高性能的控制運算平臺、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，主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能及人機交互功能，如可實現(xiàn)圖形顯示、焊接參數(shù)設(shè)置、在線調(diào)試、數(shù)字焊機參數(shù)顯示等。

　　控制器選用parker公司生產(chǎn)的6K4四軸運動控制器。6k4是一個結(jié)構(gòu)獨立的運動控制器，它能夠控制1~4個軸的步進(jìn)電機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的程序存儲器[4]。在本研究中，使用6K4控制器的1個電機驅(qū)動端口同時驅(qū)動2套步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)。2個步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動器脈沖輸入端CP、方向信號輸入端CW分別與控制器的DRIVES端口的脈沖信號端STEP和方向信號端DIRECTION相連，在保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時,使2個步進(jìn)電機在低速情況下具有較高的運動同步性。

　　動力系統(tǒng)選用交流伺服系統(tǒng)（X、Y、Z）和步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)（C1和C2）。交流伺服系統(tǒng)是由交流伺服放大器、交流伺服電機和光電編碼器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制精度較高。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)，以確保空間曲線的準(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動過程中做位置跟隨運動。所以控制精度要求不高，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)電機和AKS230型的細(xì)分驅(qū)動器構(gòu)成的步進(jìn)驅(qū)動系統(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。在工件沒有運動到焊接工作區(qū)域時，輸送臺帶動焊接件高速運行。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（即橫管和立管的T型相貫線的起焊點位置），輸送臺帶動焊接件執(zhí)行低速注冊運動，以補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，確保在焊機開始起弧焊接時焊槍頭部位于T型相貫線的起焊點位置。

　　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)點是可以方便地進(jìn)行各種位置的焊接，同時也具有焊接速度較快、熔敷率高等優(yōu)點，因此適合用于自動化焊接。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 自動焊接機軟件設(shè)計

　　整個控制系統(tǒng)軟件主要由三大模塊組成：上位機IPC管理模塊、通信模塊、下位機控制模塊。其中，上位機IPC的應(yīng)用軟件的主要任務(wù)是作為整個控制系統(tǒng)的后臺管理模塊，完成一些實時性不強的任務(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運算、位置跟隨、脈沖輸出控制、I/O點的檢測、系統(tǒng)的順序上電、控制狀態(tài)顯示等實時性較強的任務(wù)，則由下位機6K4四軸運動控制器和MCS-51單片機系統(tǒng)來完成,其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

　　2.1 上位機應(yīng)用程序設(shè)計

　　上位機應(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)了自動焊接機人機界面。在數(shù)控系統(tǒng)工作時，用戶只需輸入簡單的幾個參數(shù)，就可以自動完成散熱器T型管相貫線的焊接。這大大減輕了操作人員的勞動強度，提高了工作效率。上位機應(yīng)用程序主界面如圖4所示。

　　經(jīng)過對自動焊接機硬件系統(tǒng)和用戶需求的分析，系統(tǒng)上位機應(yīng)用程序主要包括以下幾個模塊：系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置與顯示、點位數(shù)據(jù)庫生成及下載、原點設(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交互性好的人機界面。在這個界面中，用戶可以方便地進(jìn)行各種操作。數(shù)控系統(tǒng)運行時，首先運行此模塊，完成用戶登錄、建立上位機與6K4運動控制器的連接，對有關(guān)指示器設(shè)置相應(yīng)的工作狀態(tài)等工作。

　　(2)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位數(shù)據(jù)庫生成所需的各種參數(shù)，設(shè)置了如下人機接口：橫管直徑、立管直徑、焊接運動線速度、插補周期、兩把焊槍的擺角及擺動速度。用戶可以通過數(shù)字軟鍵盤和帶觸摸屏的工控一體化機來方便地設(shè)置各種參數(shù)。在本模塊中，采用直線插補方法對焊接曲線進(jìn)行直線段擬合，完成上位機的對曲線的粗插補，并生成相應(yīng)的焊接點位數(shù)據(jù)庫，將其下載到6K4運動控制器中，以供運動程序調(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。

　　(3)點位數(shù)據(jù)庫生成及下載：在菜單欄中的工具選項下可以打開這個子菜單。點擊生成按鈕，程序會自動生成焊接所需的各軸的焊接點位數(shù)據(jù)庫，并在屏幕上顯示出來。然后點擊下載按鈕，則可將生成的點位數(shù)據(jù)庫下載到6K4控制器中，當(dāng)下載完成時，提示用戶下載成功，可以返回主界面，完成下一步工作。

　　(4)原點設(shè)置模塊：通過機床面板上的手動控制按鈕，分別對Y軸、Z軸、C軸坐標(biāo)位置進(jìn)行手動設(shè)置，使兩把焊槍均到達(dá)焊接起弧位置，并通過機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各軸的相對坐標(biāo)原點，以方便工件的連續(xù)自動焊接。硬件原點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位置。

　　(5)系統(tǒng)狀態(tài)顯示：通過以太網(wǎng)接口，上位機系統(tǒng)可以通過API函數(shù)訪問6K4運動控制器，讀取各軸的當(dāng)前坐標(biāo)位置和運動速度，并在界面上進(jìn)行實時顯示。

　　2.2 下位機運動程序設(shè)計

　　T型管相貫線的粗插補由上位機完成，精插補及各軸聯(lián)動控制由運動控制器6K4來完成。6K系列多軸運動控制器是建立在Compumotor的6000編程語言可靠平臺之上的一款高性能多軸控制器,其特點是：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)計中，6000語言運動程序主要功能是調(diào)用焊接點位數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行焊接曲線的精插補，以完成散熱器T型管相貫線的精確擬合。同時，控制兩把焊槍在運動過程中做位置跟隨運動，跟隨X軸做相應(yīng)的擺動，以實時保持焊槍相對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機和6K4運動控制器設(shè)計了用于散熱器T型管相貫線焊接的自動焊接機數(shù)控系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)設(shè)計上，采用了 “PC+多軸控制器”的典型控制結(jié)構(gòu)，并針對自動焊接機獨特的雙焊槍結(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)動系統(tǒng)采用并聯(lián)方式與6K4運動控制器的1個電機驅(qū)動端口相連，由它發(fā)出的同一組驅(qū)動脈沖驅(qū)動；在軟件設(shè)計上，根據(jù)用戶需求及人機交互的特點，采用Visual Basic 6.0 設(shè)計了該數(shù)控系統(tǒng)的人機界面。實際運行證明，該自動焊接機數(shù)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，較好地滿足了用戶的設(shè)計需求。