高精度数控定位系统的龙门焊机设计与应用

模界之职

针对龙门焊机对控制系统提出的严格工艺要求，本文利用这一转差互补原理，巧妙的解决了轨道电机同步驱动的技术难题。
龙门焊机是焊接大型钢构件的关键设备。为适应焊接不同规格的钢板，保证高质量的焊接工艺，提高焊接效率，对电气传动控制系统既要求有快速的动态响应又要求具备高精度的稳态定位性能。对于传统的大型龙门焊接系统，门架主传动一般采用两个独立的速度闭环控制系统对两侧轨道电机同步驱动，控制相对复杂，难以完全保证良好的同步；此外，采用复杂的机械传动方式驱动焊枪进给与定位，由于机械耦合的连接方式导致其结构复杂，对装配精度要求高，改变焊接工艺需调整机械零件参数，还存在机械磨损和噪音大等缺点，严重制约了产品质量和生产效率的进一步提高。
针对龙门焊机对控制系统提出的严格工艺要求，本文采用2轴数控系统构成高精度的焊枪位置控制；利用笼型异步电动机的转差特性，采用一台变频调速器，以恒定磁通的v/f开环控制模式同时驱动两台轨道电机运动。在v/f开环控制模式下，当两台电机承担的负载不同时转差亦不相同，负载重的电机转速较低、负载轻的电机转速较高；本文利用这一转差互补原理，巧妙的解决了轨道电机同步驱动的技术难题。
焊接工艺及系统构成
·焊接工艺
9 @8 R0 Z5 W7 B0 t为保持门架受力平衡和运行平稳，门架左右立柱分别安装一台导轨驱动式交流交流异步电机，要求两台电机运行速度必须严格保持同步，同时达到d=100的调速范围或满足0.1m/min的稳定焊接速度、10m/min的返程速度；其次，为满足快速、稳定、准确的焊接工艺要求，采用伺服电机、plc、触摸屏与数字通信技术相结合，构成高精度的焊接位置数控系统（cnc），使焊枪能够准确定位在龙门架运动范围的任何一点，要求伺服进给系统的定位精度为0.1mm，最大进给速度为25m/min。
·焊接系统的构成
1 J0 y, {2 E* _& L# S龙门焊机系统结构如图1所示, 焊机总体结构分为电气传动及控制系统、门架机械机构和焊接系统三个部分。其中电气传动包括焊枪2维定位进给系统和轨道主传动控制，控制系统由人机界面、plc、伺服电机和交流变频调速系统构成；门架机械机构包括龙门架、x－y轴高精度滚珠丝杠与活套机构；焊接系统采用lincon埋弧焊电源及焊枪。
2 U, j! s2 ?- O* u7 {9 A
! I0 m' U5 z/ k8 w1 B图1 系统结构图
4 H( }* ]- J( J: U本文重点介绍电气传动控制系统，针对焊接工艺技术要求，根据笼型异步电动机在磁通恒定的v/f模式下开环运行时的转差特性，采取一拖二的方式，利用一台电压源型变频器开环控制两台轨道异步电机（m1、m2），实现两台轨道电机的严格同步运行；焊枪2维定位进给系统采用两台高精度交流伺服电机(sm1、sm2) ，通过修正伺服放大器内部参数，来实现焊枪在龙门架运动范围内精确定位控制，去除以往复杂的机械耦合连接结构，使新型控制系统结构简单、运行稳定可靠。
9 {. a/ C0 d' {1 q0 n- L7 o" l0 G系统分析与参数计算
; b! I$ D3 l7 P0 x# Q1 f两台轨道异步电机通过同一台变频器进行开环控制，去除了以往的复杂闭环控制结构，根据笼型异步电动机在v/f模式下开环运行时的转差特性，当两台轨道电机工作在同一频率下，系统在负载不同时可利用转差率的变化自动调节转速，使得负载重的电机转速由低变高、负载轻的电机转速由高变低，直到实现两台轨道电机的严格同步运行为止。通过变频器参数设定，可使轨道电机运行速度从0.1～10m/min连续可调、调速范围为d=100，外接标准能耗制动电阻后、50hz对应的加减速时间为0.5s，可以满足轨道主传动的快速性要求。变频器接收来自plc的控制信号，对轨道电机的正反转（稳速焊接与高速返回）进行控制，并输出故障信号给plc控制器，完善保护功能，以使用户及时进行故障处理。
2 M# l0 a  ]* i' s  F焊枪2轴定位进给系统采用两台高精度交流伺服电机驱动，在位置控制模式下，利用简单的开环控制结构，通过调整伺服放大器内部参数α来控制电机的转速。伺服放大器对编码器的可识别精度高达131072(p/rev)，设伺服电机减速比为i，则电机旋转速度n与驱动脉冲频率f的关系式为：    （1）
运行速度v与电机每转一圈焊头移动量d的关系式为：    （2）
由公式（1）和（2）可得：    （3）
根据系统技术要求，当伺服电机减速比i为20:1，电机每转一圈的移动量d=200mm，输入脉冲频率f设定为10khz时，取β＝100，则
α＝131v （4）
' ^7 P. `! `" v& M3 u" b' L由式(4)可知，当根据生产工艺技术要求，需要变更焊枪横向或纵向进给速度v时，只要通过(4)式来修正伺服放大器内部参数α即可，而无需更换系统的机械耦合装置，以此实现控制系统的柔性调整，并使系统控制精度显著提高。利用圆弧差补原理，根据用户输入的工程数据，经过plc内部高速运算处理，得出下一步进给方向与新偏差，精确实现复杂二维平面几何图形的焊接。
系统设计
·系统硬件设计
. s6 F; |1 t3 q; N. B: X. k0 Y  H新型系统的电气传动控制系统基于cnc系统的数字控制技术，以可编程控制器(plc)为控制核心，交流伺服电机(acsm)和变频电机为执行元件。以高速数字旋转脉冲编码器(pg)作为生产线速度检测单元，f940got触摸屏作为人机界面，通过fx1n-485-db通讯扩展模块实现系统的信息交流。焊接电气传动控制系统组成如图2所示。

图2 电气传动控制系统框图
5 f2 w1 G" I9 mplc以其处理速度快、逻辑控制能力强、现场适应性好等优点，已成为替代传统继电接触器控制线路的升级换代产品，在工业现场控制中被广泛使用。本文采用fx1n-60mt型plc作为核心控制器，直流输入36点，晶体管输出24点，与人机界面通过通信的方式建立连接，输入系统的运行参数，通过内部逻辑运算，输出逻辑控制量，对运行电机的控制器进行数字控制。其除了具有一般逻辑和计算功能外，还具有高速脉冲串(最高100khz)输出口(y0、y1)、ramp电机变频软起动／软制动及高速实时中断响应等特殊处理功能[1]，可非常方便地对伺服电机进行位置控制或速度控制。
轨道电机采用两台同一型号1.5kw变频调速电机，根据一拖二的容量要求，所采用的变频器容量必须大于两台变频电机的容量之和，因此在这里使用容量为4.0kw的交流变频调速器。
# P( D9 X" Q2 k1 C焊枪2维定位进给控制轴由两台高精度交流伺服电机驱动，本文采用faldic－w系列的交流伺服电机，额定转速3000r/min,额定功率400w，该电机自带17位即131072(p/rev)的高分辨率编码器。伺服电机通过变速比为1:20的减速齿轮驱动焊枪2维定位进给控制轴，在辊轮直径d2为200mm情况下，系统具有的电气稳态控制精度d为：
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; q1 o' w( a) l: p由(5)式可见新系统的控制精度远远高于一般系统的定位精度要求：0.1mm；尽管新的运行伺服电机额定转速降低为3000r/min，额定扭矩为12.0(nm)，但由于控制精度的显著提高和机械机构的简化，使得生产线的加工运行速度较以往提高数倍。
系统中采用f940got液晶触摸屏作为监控生产工况的人机界面，利用与触摸屏配套的组态软件，可通过pc机对其控制界面、图像参数或曲线进行离线编辑，并通过com口下载到内存。生产线运行过程中，按照事先编制并固化在其内存中的指令程序，实时监控四个运行电机的转速，并获取生产线的实时数据，同时还可以方便地设定系统运行所需要的参数，实现人机现场对话操作。
' N8 f; ^7 C. }2 h2 N1 S' q·系统软件设计
4 y% T8 Y# y7 [. v- a8 c4 f" u在本系统中，合理、简洁的用户控制程序是实现软件取代硬件、电气软联结取代机械硬联结、柔性参数调整取代刚性参数调整的重要因素。根据前述焊接电气传动控制系统的控制原理及生产工艺要求，利用plc的梯形图程序设计方法，触摸屏与plc的通信协议和触摸屏组态软件包，可以设计出功能强大、灵活方便、操作简单的控制系统软件[2]。完整的系统软件包括：plc控制程序、伺服系统—plc通讯程序、触摸屏组态软件三部分。因篇幅所限，仅给出plc控制程序流程图，如图3所示。
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图3 系统流程图
' H, R5 y3 K7 _5 F结语
本系统采用开环控制方式来控制轨道电机，利用转差互补原理解决了两台电机的同步运行，显著简化了主传动控制系统；采用高精度2轴伺服系统改造传统的机械传动模式，实现了焊接工艺和参数的柔性调整，提高了焊接定位控制精度；利用plc、人－机界面与电机驱动器的通信，提高了系统的自动化程度，具有良好的应用前景。新系统可达到的技术指标如下：
9 a& z3 I' I! D% S2 C& `" I: q& ^1 s·龙门架运行速度从0.10～10 m/min连续可调；
2 J. h! {/ _- f( {$ n·伺服电机最高运行速度vm＝25m/min；
·焊枪稳态控制精度可达到10μm；
! [6 m; g6 S! K·通过rs485工艺参数调整满足焊接2维平面的任意几何图形；
·多种故障检测并报警输出，对所有电机综合保护。
本系统已被应用于多家大型企业，经长期实际运行证明设计合理，运行稳定可靠。该控制系统不仅适用于3维空间的钢构件精密焊接，还可推广应用于大型钢板的高精确切割工艺。【MechNet】
文章关键词： 数控定位系统