【论坛】基于PLC的薄钢板激光焊机控制管理系统

  摘要：介绍了薄钢板激光焊机工艺流程。研究了控制管理系统的硬件组成和软件设计， 该系统以西门子S7-400PLC为核心控制器， 完成了控制系统硬件的选用和组态。分别对激光焊机各执行机构进行了程序设计， 最后针对激光焊焊接过程中焦点位置的不稳定情况，设计了光学传感器反馈的焦点位置闭环控制系统的遇限消弱PID制算法。

  激光焊就是能量载体为激光的一种焊接方法。激光焊焊接过程中直接将激光束照射到焊接材料表面， 激光与焊接材料相互作用使材料内部熔化， 最终实现焊接。根据热学机制不同， 激光焊有稳定深溶焊、模式不稳定焊和稳定热导焊三种模式。激光焊的主要工艺参数有焦点位置、激光脉冲宽度和波形、功率密度等。激光焦点所处的位置与工件表面平行的平面叫做焦平面， 离焦量就是焦平面与工件表面间的距离， 当焦平面在工件外时为正离焦， 在工件里时为负离焦， 当激光焊工件较厚要求较大熔深时，一般都会采用负离焦。激光脉冲宽度主要区别材料去除和材料溶化；波形主要控制金属薄板焊接时激光能量的反射。激光焊功率密度参数极度影响着焊接溶池的形成和钣金加工等过程。

  以德国克莱西姆LW22型激光焊机为载体， 重新设计以西门子PLC为核心控制器的整个控制管理系统。激光焊机机构运动很复杂， 主要运动机构有活动梁光路装置和夹紧装置， 焊接过程中工艺流程主要有焊接准备、带头准备、带尾准备、带钢调整、焊机光路系统启动、完成焊接等。薄板金属焊接生产线所示。

  图1 薄板金属焊接生产线）焊接准备：焊接参数初始化， 焊接头、切割头的位置初始化，打开歧路控制阀， 调整保护气气压达到预设值，开启冷却循环系统等。

  （2）带头准备、带尾准备：检测带钢确定中心线， 确认对中，入、出套抬起， 出入口主夹具夹紧， 辅助夹具夹紧等。

  （３）带钢调整：微调带钢工作侧和驱动侧两侧的间隙， 中性层电机带动斜楔对齐钢板中心层， 调整钢板竖直方向上的运动等。

  （４） 焊机光路系统启动， 完成焊接。对第（４） 步做重点说明：（１）（２） （３） 步的准备工作完成后， 启动焊机光路系统移动到焦点位置，打开氮气阀和氩气阀后移动Ｆ轴进行焊接，焊接完到达定指定点后，关闭快门、氩气和氮气阀，松开夹具并延时500ms焊接过程中钢带也许会出现超粗的情况， 需要在焊接的同时对其进行碾压， 焊接流程如图2所示。

  激光焊机采用西门子S7-400PLC作为控制管理系统核心， 西门子S7-400PLC采用模块化设计，硬件组态包括CPU414-3DP模块，PS4-7-10A电源模块、CP443-1工业以太网模块、6个ET200S分布式数字量输入输出模块等。采用MPI/DP通信方式与上位机及人机界面HMI相连接。除此以外还有变频器-伺服电机组成的执行机构，MTS传感器作为控制管理系统的模拟量输入，实时采集反馈焊接参数到PLC中，工控机及人机界面HMI作为上位机，负责监视和显示激光焊焊接过程动态信息。整个控制管理系统组成如图3所示。

  PLC程序在PC上STEP7-Miro/win32软件以上LAD语言设计好之后，通过MPI适配器和RS-232通信线缆下载到PLC存储卡中。系统采用PROFIBUS-3DP通信网络进行通信，共有3条通讯线路，分别为连接工控机和人机界面HMI用于现场临控；连接变频器伺服电机实现激光焊生产线各工位的动作；近接ET200分布式输入输出模块以及用于测量钢带位置的MTS传感器。控制管理系统STEP-Miro/win32软件上的硬组态如图4所示。

  激光焊控制管理系统输入输出数字量和模拟量较多，软件设计的第一步就是建立输入输出量符号表，根据ET200分布式输入输出模块在机架上的位置命名各变量的类型和地址，编辑符号表完成后，根据焊接工艺将系统程序分为1个组织块（OB）和11个功能函数（FC）分别设计。FC作为子程序可以供OB循环调用。

  激光焊机各执行机构最重要的包含活动梁光路装置、入口夹具、出口夹具、压轮、活套辊、对中装置、月牙剪、打孔装置和排烟装置，还有激光焊焦点距离控制。除此以外还有钢带位置传感器模拟量处理等。组织块OBI是整个控制管理系统的子程序分别放到各个FC中，通过在OBI调用FC来完成各运动机构的动作，在该系统中OBI调用的FC来完成各运动机构的动作，在该系统中OBI调用的FC有：FC1：伺服电机驱动活动梁光路装置；FC2：气阀控制入口夹具气缸；FC3：气阀控制出口夹具气缸；FC4：伺服电机驱动滚珠丝杠驱动压轮碾压；FC5：气缸带动旋转臂旋转带动活辊套；FC6：伺服电机驱动四个对中单元；FC7：启闭液压换向阀控制液压缸的伸缩完成有牙剪的横向移动和剪切；FC8：控制打孔液态过缸在焊接中线：启停排烟装置的风机；FC10：激光焊焦点距离控制；FC11：报警处理功能；DBI：存储用户数据的数据区域，供所有逻辑块共享。

  此外，还能添加S7-400PCL自带的PID功能块，通过在OB35中调用FB41来对离焦量进行PID调节。或者增加一个FC，用于实现模糊自整定PID控制。

  根据焊接机电气控制管理系统、液压系统和气路控制管理系统的控制动作要求，结合焊接过程控制管理系统的工艺流程图，选逐个按照动作顺序来完成各个功能函数的顺序动作程序设计，最后在OBI中以条件调用的形式调用各功能函数。

  激光焊的焦点位置对焊接溶池有直接的影响。焊接焦点位置决定了工件表面激光光斑的大小，光斑的大小不同导致工件表面接收的能量也不同，进而影响焊接区域熔深的深度和焊缝的成形。因此焦点位置是激光焊焊接过程中需要严控的工艺参数。文中采用等离子体光学传感器（PS）反馈的焦点位置闭环控制管理系统，控制算法采用PID控制器。PID控制器的比例控制能迅速减小误差，积分控制可以消除稳态误差，微分控制可以克服输出的震荡，消除系统的动态误差，提高系统的动态稳定性。

  由于薄板激光焊焊接过程工作环境恶劣，影响焊接焦点位置的因素很复杂，当等离子光学传感器检验测试到的偏差长期较大时，PID计算时积分项有可能溢出。因此，需要仔细考虑PID控制器的误差调节的极限问题，该系统采用遇限消弱积分的PID算法，即对计算出的控制量的范围进行限制。即当偏差控制量小于偏差下限时，取偏差下限作为控制量。

  当u（k）u（max）时，取u（k）=u（max）;当u（k）u（min）时，取u（k）=u（min）。得到改进后的PID制程序流程如图5所示。

  （1）文中介绍了薄板激光焊机工艺流程。研究了控制管理系统的硬件组成和软件设计，该系统以西门子S7-400PLC为核心控制器，完成了系统硬件的选用和组态。分别对激光焊机各执行机构进行了程序设计，最后针对激光焊焊接过程中焦点位置的不稳定的情况，设计了光学传感器反馈的焦点位置闭环控制管理系统的遇限消弱PID控制算法。

  （2）应用实践表明，文中所设计的薄板激光焊机控制管理系统运行稳定，提高了激光焦点位置的控制精度，提高了焊接质量。