伺服焊枪点焊PLC控制系统设计

　　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

　　G01 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。最小力调整量为10×7.5=75 N，即预压力最大偏差为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。

　　最后，预设电机快速回原点的G代码子程序P003如下，使用绝对坐标系。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。

图2 PLc与焊接控制器接口

　　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。

图3点焊程序流程图 

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点焊电极力曲线

　　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。

4 结论

　　(1)PLC点焊控制系统有效地集成了伺服焊枪和焊接控制器，实现点焊的全过程，并且保持焊接过程中电极力稳定，抑止和减少喷溅，有利于焊点熔核形成，从而控制并提高了焊点质量。同时，由于电极与工件的软接触，伺服焊枪减少了电极在焊接过程中的磨损，延长了电极寿命。

　　(2)利用伺服焊枪电极力闭环控制特性，可以针对各种不同屈服强度、不同厚度的焊接材料，实现焊接过程中电极力曲线最优化调整的目标，有助于减少焊接变形和抑制焊接喷溅，进一步提高焊点质量，这是传统的气动焊枪所无法实现的。