針對龍門焊機對控制系統(tǒng)提出的嚴格工藝要求，本文利用這一轉(zhuǎn)差互補原理，巧妙的解決了軌道電機同步驅(qū)動的技術(shù)難題。
龍門焊機是焊接大型鋼構(gòu)件的關(guān)鍵設(shè)備。為適應(yīng)焊接不同規(guī)格的鋼板，保證高質(zhì)量的焊接工藝，提高焊接效率，對電氣傳動控制系統(tǒng)既要求有快速的動態(tài)響應(yīng)又要求具備高精度的穩(wěn)態(tài)定位性能。對于傳統(tǒng)的大型龍門焊接系統(tǒng)，門架主傳動一般采用兩個獨立的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)對兩側(cè)軌道電機同步驅(qū)動，控制相對復(fù)雜，難以*保證良好的同步；此外，采用復(fù)雜的機械傳動方式驅(qū)動焊槍進給與定位，由于機械耦合的連接方式導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對裝配精度要求高，改變焊接工藝需調(diào)整機械零件參數(shù)，還存在機械磨損和噪音大等缺點，嚴重制約了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的進一步提高。
針對龍門焊機對控制系統(tǒng)提出的嚴格工藝要求，本文采用2軸數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成高精度的焊槍位置控制；利用籠型異步電動機的轉(zhuǎn)差特性，采用一臺變頻調(diào)速器，以恒定磁通的v/f開環(huán)控制模式同時驅(qū)動兩臺軌道電機運動。在v/f開環(huán)控制模式下，當(dāng)兩臺電機承擔(dān)的負載不同時轉(zhuǎn)差亦不相同，負載重的電機轉(zhuǎn)速較低、負載輕的電機轉(zhuǎn)速較高；本文利用這一轉(zhuǎn)差互補原理，巧妙的解決了軌道電機同步驅(qū)動的技術(shù)難題。
焊接工藝及系統(tǒng)構(gòu)成
·焊接工藝
為保持門架受力平衡和運行平穩(wěn)，門架左右立柱分別安裝一臺導(dǎo)軌驅(qū)動式交流交流異步電機，要求兩臺電機運行速度必須嚴格保持同步，同時達到d=100的調(diào)速范圍或滿足0.1m/min的穩(wěn)定焊接速度、10m/min的返程速度；其次，為滿足快速、穩(wěn)定、準確的焊接工藝要求，采用伺服電機、plc、觸摸屏與數(shù)字通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成高精度的焊接位置數(shù)控系統(tǒng)（cnc），使焊槍能夠準確定位在龍門架運動范圍的任何一點，要求伺服進給系統(tǒng)的定位精度為0.1mm，zui大進給速度為25m/min。
·焊接系統(tǒng)的構(gòu)成
龍門焊機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示, 焊機總體結(jié)構(gòu)分為電氣傳動及控制系統(tǒng)、門架機械機構(gòu)和焊接系統(tǒng)三個部分。其中電氣傳動包括焊槍2維定位進給系統(tǒng)和軌道主傳動控制，控制系統(tǒng)由人機界面、plc、伺服電機和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成；門架機械機構(gòu)包括龍門架、x－y軸高精度滾珠絲杠與活套機構(gòu)；焊接系統(tǒng)采用lincon埋弧焊電源及焊槍。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本文重點介紹電氣傳動控制系統(tǒng)，針對焊接工藝技術(shù)要求，根據(jù)籠型異步電動機在磁通恒定的v/f模式下開環(huán)運行時的轉(zhuǎn)差特性，采取一拖二的方式，利用一臺電壓源型變頻器開環(huán)控制兩臺軌道異步電機（m1、m2），實現(xiàn)兩臺軌道電機的嚴格同步運行；焊槍2維定位進給系統(tǒng)采用兩臺高精度交流伺服電機（sm1、sm2） ，通過修正伺服放大器內(nèi)部參數(shù)，來實現(xiàn)焊槍在龍門架運動范圍內(nèi)定位控制，去除以往復(fù)雜的機械耦合連接結(jié)構(gòu)，使新型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定可靠。
系統(tǒng)分析與參數(shù)計算
兩臺軌道異步電機通過同一臺變頻器進行開環(huán)控制，去除了以往的復(fù)雜閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)籠型異步電動機在v/f模式下開環(huán)運行時的轉(zhuǎn)差特性，當(dāng)兩臺軌道電機工作在同一頻率下，系統(tǒng)在負載不同時可利用轉(zhuǎn)差率的變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使得負載重的電機轉(zhuǎn)速由低變高、負載輕的電機轉(zhuǎn)速由高變低，直到實現(xiàn)兩臺軌道電機的嚴格同步運行為止。通過變頻器參數(shù)設(shè)定，可使軌道電機運行速度從0.1～10m/min連續(xù)可調(diào)、調(diào)速范圍為d=100，外接標準能耗制動電阻后、50hz對應(yīng)的加減速時間為0.5s，可以滿足軌道主傳動的快速性要求。變頻器接收來自plc的控制信號，對軌道電機的正反轉(zhuǎn)（穩(wěn)速焊接與高速返回）進行控制，并輸出故障信號給plc控制器，完善保護功能，以使用戶及時進行故障處理。
焊槍2軸定位進給系統(tǒng)采用兩臺高精度交流伺服電機驅(qū)動，在位置控制模式下，利用簡單的開環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整伺服放大器內(nèi)部參數(shù)α來控制電機的轉(zhuǎn)速。伺服放大器對編碼器的可識別精度高達131072（p/rev），設(shè)伺服電機減速比為i，則電機旋轉(zhuǎn)速度n與驅(qū)動脈沖頻率f的關(guān)系式為：
（1） 運行速度v與電機每轉(zhuǎn)一圈焊頭移動量d的關(guān)系式為：
（2） 由公式（1）和（2）可得：
（3） 根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求，當(dāng)伺服電機減速比i為20:1，電機每轉(zhuǎn)一圈的移動量d=200mm，輸入脈沖頻率f設(shè)定為10khz時，取β＝100，則
α＝131v （4）
由式（4）可知，當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)工藝技術(shù)要求，需要變更焊槍橫向或縱向進給速度v時，只要通過（4）式來修正伺服放大器內(nèi)部參數(shù)α即可，而無需更換系統(tǒng)的機械耦合裝置，以此實現(xiàn)控制系統(tǒng)的柔性調(diào)整，并使系統(tǒng)控制精度顯著提高。利用圓弧差補原理，根據(jù)用戶輸入的工程數(shù)據(jù)，經(jīng)過plc內(nèi)部高速運算處理，得出下一步進給方向與新偏差，實現(xiàn)復(fù)雜二維平面幾何圖形的焊接。
系統(tǒng)設(shè)計
·系統(tǒng)硬件設(shè)計
新型系統(tǒng)的電氣傳動控制系統(tǒng)基于cnc系統(tǒng)的數(shù)字控制技術(shù)，以可編程控制器（plc）為控制核心，交流伺服電機（acsm）和變頻電機為執(zhí)行元件。以高速數(shù)字旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器（pg）作為生產(chǎn)線速度檢測單元，f940got觸摸屏作為人機界面，通過fx1n-485-db通訊擴展模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的信息交流。焊接電氣傳動控制系統(tǒng)組成如圖2所示。
圖2 電氣傳動控制系統(tǒng)框圖
plc以其處理速度快、邏輯控制能力強、現(xiàn)場適應(yīng)性好等優(yōu)點，已成為替代傳統(tǒng)繼電接觸器控制線路的升級換代產(chǎn)品，在工業(yè)現(xiàn)場控制中被廣泛使用。本文采用fx1n-60mt型plc作為核心控制器，直流輸入36點，晶體管輸出24點，與人機界面通過通信的方式建立連接，輸入系統(tǒng)的運行參數(shù)，通過內(nèi)部邏輯運算，輸出邏輯控制量，對運行電機的控制器進行數(shù)字控制。其除了具有一般邏輯和計算功能外，還具有高速脈沖串（zui高100khz）輸出口（y0、y1）、ramp電機變頻軟起動／軟制動及高速實時中斷響應(yīng)等特殊處理功能[1]，可非常方便地對伺服電機進行位置控制或速度控制。
軌道電機采用兩臺同一型號1.5kw變頻調(diào)速電機，根據(jù)一拖二的容量要求，所采用的變頻器容量必須大于兩臺變頻電機的容量之和，因此在這里使用容量為4.0kw的交流變頻調(diào)速器。
焊槍2維定位進給控制軸由兩臺高精度交流伺服電機驅(qū)動，本文采用faldic－w系列的交流伺服電機，額定轉(zhuǎn)速3000r/min,額定功率400w，該電機自帶17位即131072（p/rev）的高分辨率編碼器。伺服電機通過變速比為1:20的減速齒輪驅(qū)動焊槍2維定位進給控制軸，在輥輪直徑d2為200mm情況下，系統(tǒng)具有的電氣穩(wěn)態(tài)控制精度d為：
由（5）式可見新系統(tǒng)的控制精度遠遠高于一般系統(tǒng)的定位精度要求：0.1mm；盡管新的運行伺服電機額定轉(zhuǎn)速降低為3000r/min，額定扭矩為12.0（nm），但由于控制精度的顯著提高和機械機構(gòu)的簡化，使得生產(chǎn)線的加工運行速度較以往提高數(shù)倍。
系統(tǒng)中采用f940got液晶觸摸屏作為監(jiān)控生產(chǎn)工況的人機界面，利用與觸摸屏配套的組態(tài)軟件，可通過pc機對其控制界面、圖像參數(shù)或曲線進行離線編輯，并通過com口下載到內(nèi)存。生產(chǎn)線運行過程中，按照事先編制并固化在其內(nèi)存中的指令程序，實時監(jiān)控四個運行電機的轉(zhuǎn)速，并獲取生產(chǎn)線的實時數(shù)據(jù)，同時還可以方便地設(shè)定系統(tǒng)運行所需要的參數(shù)，實現(xiàn)人機現(xiàn)場對話操作。
·系統(tǒng)軟件設(shè)計
在本系統(tǒng)中，合理、簡潔的用戶控制程序是實現(xiàn)軟件取代硬件、電氣軟聯(lián)結(jié)取代機械硬聯(lián)結(jié)、柔性參數(shù)調(diào)整取代剛性參數(shù)調(diào)整的重要因素。根據(jù)前述焊接電氣傳動控制系統(tǒng)的控制原理及生產(chǎn)工藝要求，利用plc的梯形圖程序設(shè)計方法，觸摸屏與plc的通信協(xié)議和觸摸屏組態(tài)軟件包，可以設(shè)計出功能強大、靈活方便、操作簡單的控制系統(tǒng)軟件[2]。完整的系統(tǒng)軟件包括：plc控制程序、伺服系統(tǒng)—plc通訊程序、觸摸屏組態(tài)軟件三部分。因篇幅所限，僅給出plc控制程序流程圖，如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)流程圖
結(jié)語
本系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式來控制軌道電機，利用轉(zhuǎn)差互補原理解決了兩臺電機的同步運行，顯著簡化了主傳動控制系統(tǒng)；采用高精度2軸伺服系統(tǒng)改造傳統(tǒng)的機械傳動模式，實現(xiàn)了焊接工藝和參數(shù)的柔性調(diào)整，提高了焊接定位控制精度；利用plc、人－機界面與電機驅(qū)動器的通信，提高了系統(tǒng)的自動化程度，具有良好的應(yīng)用前景。新系統(tǒng)可達到的技術(shù)指標如下：
·龍門架運行速度從0.10～10 m/min連續(xù)可調(diào)；
·伺服電機zui高運行速度vm＝25m/min；
·焊槍穩(wěn)態(tài)控制精度可達到10μm；
·通過rs485工藝參數(shù)調(diào)整滿足焊接2維平面的任意幾何圖形；
·多種故障檢測并報警輸出，對所有電機綜合保護。
本系統(tǒng)已被應(yīng)用于多家大型企業(yè)，經(jīng)長期實際運行證明設(shè)計合理，運行穩(wěn)定可靠。該控制系統(tǒng)不僅適用于3維空間的鋼構(gòu)件精密焊接，還可推廣應(yīng)用于大型鋼板的高切割工藝。