一種基于HMI和運(yùn)動控制器的數(shù)控焊接系統(tǒng)
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作者；鄭曉敏
研制管道環(huán)縫數(shù)控焊接機(jī)可以克服以往手工焊和半自動化焊接生產(chǎn)勞動強(qiáng)度大、勞動效率低等缺點(diǎn)，同時對提高管道焊接生產(chǎn)質(zhì)量具有重要意義，具有良好的開發(fā)前景和社會效益。目前國內(nèi)環(huán)縫自動化焊接機(jī)大多數(shù)采用PLC控制技術(shù)，控制技術(shù)對外不開放，缺乏二次開發(fā)的功能，并且人機(jī)界面交互性較差。本文設(shè)計的基于HMI和運(yùn)動控制器的自動化焊接數(shù)控系統(tǒng)，采用運(yùn)動控制器、編碼器、伺服驅(qū)動及伺服電機(jī)等，以觸摸屏為人機(jī)界面搭建控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊接制造過程的自動化和數(shù)值化，進(jìn)一步提高焊接生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
1 數(shù)控焊接系統(tǒng)總體設(shè)計
本文設(shè)計的數(shù)控環(huán)縫自動化焊接機(jī)床采用工件旋轉(zhuǎn)而焊槍擺動的焊接方式，該焊接方式可以獲得高質(zhì)量的焊接產(chǎn)品。數(shù)控環(huán)縫自動焊接機(jī)主要包括機(jī)床本體、控制系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)等。
機(jī)床機(jī)械部分包括機(jī)座、工件轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)（左床頭箱和右床頭箱）、進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)（X軸的水平運(yùn)動和y軸的上下運(yùn)動）、焊接機(jī)頭擺動機(jī)構(gòu)和氣動卡盤夾緊機(jī)構(gòu)等，如圖1所示。
工件的旋轉(zhuǎn)由一個伺服電機(jī)經(jīng)齒形鏈驅(qū)動左、右兩個床頭箱主軸實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動，機(jī)床左、右兩頭各配置兩套三爪氣動卡盤，由氣缸驅(qū)動夾緊和定位工件。焊槍的進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)由兩臺交流伺服電機(jī)驅(qū)動。根據(jù)焊接工藝要求，焊槍在焊縫處上下和左右調(diào)節(jié)來完成多層焊時的自動排列焊道和擺動焊接。
為滿足環(huán)縫焊接生產(chǎn)的工藝要求，保證焊接質(zhì)量，控制系統(tǒng)以觸摸屏人機(jī)界面作為上位機(jī)，運(yùn)動控制器作為下位機(jī)，通過RS232串口通訊的方式實(shí)現(xiàn)焊接過程的控制與監(jiān)控。該系統(tǒng)主要由手動模塊、自動模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、程序編碼模塊和信息顯示模塊等組成。
手動模塊可實(shí)現(xiàn)機(jī)床各軸的運(yùn)動與停止、各運(yùn)動軸回零和點(diǎn)焊等功能；自動模塊可按照設(shè)置的焊接參數(shù)和焊接軌跡自動運(yùn)行；程序編碼模塊實(shí)現(xiàn)焊槍運(yùn)動軌跡的編輯；信息顯示模塊顯示各運(yùn)動軸的位置和速度、焊接電流、焊接電源、焊接速度、擺寬、擺速、故障信息報警（伺服報警、限位報警、氣壓報警等）、狀態(tài)指示燈等；參數(shù)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)對每層焊道的焊接電流、焊接電壓、焊接速度、擺動速度、擺動寬度等焊接參數(shù)的設(shè)置。
2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 硬件系統(tǒng)組成
自動化焊接控制系統(tǒng)主要包括人機(jī)界面（觸摸屏）、運(yùn)動控制器、交流伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)、焊槍擺動器、輸入輸出控制電路等部分，其硬件架構(gòu)如圖2所示。
人機(jī)界面控制終端可實(shí)現(xiàn)焊接過程的手動調(diào)整、焊接參數(shù)的設(shè)置、自動焊接和焊接過程的監(jiān)視。用觸摸屏人機(jī)界面來控制運(yùn)動控制器，可以使運(yùn)動控制器和PC機(jī)脫離。觸摸屏作為機(jī)械設(shè)備控制級的人機(jī)界面，具有操作簡便、直觀生動等優(yōu)點(diǎn)。用戶可以自由地組合各種按鈕、文字、圖表、圖形等來控制和監(jiān)控當(dāng)前設(shè)備。人機(jī)界面中的操作指令通過RS232串口通訊傳輸?shù)竭\(yùn)動控制器，通過運(yùn)動控制器控制軟件對指令進(jìn)行運(yùn)算處理后，向各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)布驅(qū)動命令信號。運(yùn)動控制器將采集到的運(yùn)動信息和參數(shù)信息實(shí)時地顯示在觸摸屏上的對應(yīng)功能模塊中，便于對焊接過程更好地控制。
本設(shè)計中的觸摸屏選用上海步科公司ET-100，該觸摸屏具有強(qiáng)大的控制和監(jiān)視功能，是操作人員和機(jī)械設(shè)備之間雙向溝通的橋梁，可以用圖形、數(shù)字、曲線、表格等各種形式更直觀地反映運(yùn)動控制器的內(nèi)部狀態(tài)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。該觸摸屏可實(shí)時采樣數(shù)據(jù)和顯示歷史報警信息，不僅具有控制功能，還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理功能，可有效地簡化運(yùn)動控制器中控制程序的設(shè)計。
運(yùn)動控制器采用上海某公司的四軸運(yùn)動控制器，該運(yùn)動控制器是針對運(yùn)動控制領(lǐng)域開發(fā)的高性能運(yùn)動控制器，采用華為IP-CMM軟件開發(fā)流程開發(fā)，結(jié)合了最新的控制理論及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，使得產(chǎn)品具備更高的穩(wěn)定性。該運(yùn)動控制器與觸摸屏通過RS232連接，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU通訊協(xié)議。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通訊方式采用“主一從”模式，主端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，當(dāng)從端接收到正確消息后，根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)，然后發(fā)送數(shù)據(jù)到主端以響應(yīng)請求，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏和控制器之間的雙向讀寫。
2.2 伺服控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)運(yùn)動控制的關(guān)鍵是焊槍運(yùn)動的控制和工件轉(zhuǎn)動的控制。焊槍的運(yùn)動主要是X軸方向的左右平移、y軸方向的上下運(yùn)動和焊槍擺動器的運(yùn)動；工件的轉(zhuǎn)動主要是床頭箱主軸轉(zhuǎn)動的角度及速度控制。在焊接過程中，運(yùn)動控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到焊縫的質(zhì)量，也是焊接機(jī)床運(yùn)動控制的核心部分。
伺服系統(tǒng)是用來準(zhǔn)確地跟隨焊接運(yùn)動過程的反饋控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制器輸出脈沖控制信號，脈沖控制信號通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制相應(yīng)伺服電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)焊槍的運(yùn)動和焊接過程的擺動，使焊接加工過程按照設(shè)定的速度和位置數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)動。本文設(shè)計的環(huán)縫數(shù)控焊接系統(tǒng)中主軸的運(yùn)動控制為全閉環(huán)控制（編碼器有反饋信號至運(yùn)動控制器），焊槍的平移、上下運(yùn)動和擺動均為半閉環(huán)控制。
3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計與規(guī)劃和運(yùn)動控制器程序設(shè)計。
3.1 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計
本系統(tǒng)以觸摸屏為控制級端，通過運(yùn)動控制器控制伺服電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，并將焊接過程中的參數(shù)和運(yùn)動運(yùn)行狀態(tài)顯示在觸摸屏上。觸摸屏與運(yùn)動控制器的通訊采用Modbus RTU通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)，在運(yùn)動控制器內(nèi)設(shè)定一定量的單元與觸摸屏相映射，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏對運(yùn)動控制器內(nèi)指令的操作。觸摸屏產(chǎn)品一般由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件包括處理器、存儲器、輸入單元、顯示單元、數(shù)據(jù)通訊接口等；軟件包括系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于PC機(jī)中的畫面組態(tài)軟件。使用時須先在畫面組態(tài)軟件中設(shè)計和制作“工程文件”，然后將編制好的“工程文件”通過串行口下載到觸摸屏的處理器中運(yùn)行。本系統(tǒng)在Kinco HMIware畫面組態(tài)軟件環(huán)境中完成設(shè)備連接、界面規(guī)劃、編寫控制流程等全部組態(tài)工作，其具體的界面規(guī)劃如圖3所示。
用觸摸屏替代傳統(tǒng)的控制面板和鍵盤可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面良好的交互性和智能化操作。對人機(jī)界面的設(shè)計其實(shí)就是對HMI內(nèi)寄存器的分配，包括Modbus位寄存器和Modbus字寄存器。觸摸屏位寄存器一般叫做Ox寄存器，字寄存器一般叫做4x寄存器。觸摸屏內(nèi)主要寄存器分配如表1所示。
在觸摸屏中主要通過開關(guān)對寄存器中的每一位進(jìn)行操作，圖4為自動化焊接系統(tǒng)運(yùn)行界面。圖4中，X軸、y軸和主軸回轉(zhuǎn)的位置顯示數(shù)據(jù)和速度顯示數(shù)據(jù)就是寄存器地址為10000、10002、10004和20000、20002、20004中的內(nèi)容，而10000、10002、10004和20000、20002、20004寄存器中的內(nèi)容與運(yùn)動控制器內(nèi)寄存器是相映射的，通過Modbus RTU協(xié)議傳輸，當(dāng)運(yùn)動控制器中寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，觸摸屏顯示的內(nèi)容也就相應(yīng)地改變。
3.2 運(yùn)動控制器程序設(shè)計
本文所采用的控制器為四軸運(yùn)動控制器，具有24個輸入口、12個輸出口、2個內(nèi)部AD和2個內(nèi)部DA，可實(shí)現(xiàn)四軸的協(xié)調(diào)控制�？刂瞥绦蚴墙⒃赯develope軟件平臺上，為了方便編寫、更新程序，編程時以功能為導(dǎo)向，對運(yùn)動控制器控制程序進(jìn)行模塊化編程，主要功能模塊有手動運(yùn)行模塊、自動運(yùn)行模塊、通訊模塊、程序規(guī)劃模塊、參數(shù)設(shè)置模塊和信息顯示模塊等。其主程序流程圖如圖5所示。
程序運(yùn)行時通過觸摸界面上的按鈕來調(diào)用執(zhí)行各模塊的子程序。觸摸屏?xí)粩嗟貟呙栎斎朊�，�?dāng)相應(yīng)按鈕觸發(fā)后便調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)的子程序。本系統(tǒng)中，默認(rèn)進(jìn)入的是系統(tǒng)界面，因?yàn)樗欧姍C(jī)采用增量式編碼器，掉電時還保持其位置信息，故在設(shè)備運(yùn)行開始之時，必須要首先進(jìn)行回零操作。各程序模塊之間的切換是通過前面介紹的人機(jī)界面上的選擇按鈕進(jìn)行的，如當(dāng)前界面為系統(tǒng)運(yùn)行界面，當(dāng)按動程序編輯界面的選擇按鈕后，HMI自動切換到程序編輯界面。
4結(jié)束語
本文設(shè)計了一種基于觸摸屏和四軸運(yùn)動控制器采用串口通訊的控制系統(tǒng)，將運(yùn)動控制器和HMI融合到數(shù)控焊接系統(tǒng)中，具有可靠性好、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過觸摸屏可以將焊接過程信息實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)對焊接過程的控制和監(jiān)控。該系統(tǒng)相對于基于PLC的控制系統(tǒng)具有編程簡單、操作容易、可靠性強(qiáng)、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)�？刂破髂軌蚍�(wěn)定迅速地對觸摸屏的命令做出正確的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)可靠有效的人機(jī)交互，在數(shù)控焊接領(lǐng)域有一定的推廣前景。5摘要：根據(jù)管道環(huán)縫自動化焊接的要求，面向數(shù)控焊接系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，設(shè)計了一種觸摸屏和運(yùn)動控制器基于串行通信的自動化焊接控制系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的設(shè)計要求，重點(diǎn)描述了系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計過程和焊接運(yùn)動過程的伺服控制，闡述了觸摸屏通過Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對焊接過程的控制和監(jiān)控。通過觸摸屏和運(yùn)動控制器的軟硬件調(diào)試，使系統(tǒng)的功能和性能達(dá)到了自動化焊接的預(yù)期設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)了管道環(huán)縫焊接過程的自動化、柔性化和信息化。
