CN104400188B - 一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维自动焊接系统，它主要包括由焊枪运行机构、控制柜（21）、焊机和送丝机，所述的焊枪运行机构包括摆动机构、升降驱动机构、直行机构和底座（1），摆动机构的运动方向、升降驱动机构的运动方向和直行机构的运动方向分别对应三维直角坐标轴的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向。本发明公开了一种利用上述三维自动焊接系统进行焊接的控制方法，它可以处于自动控制模式和手动模式下工作。本发明提供了适用于中厚壁长直缝多层焊，实现了焊接自动化，而且制作成本低，使用方便，焊接质量稳定，效率较高。

Description

一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法

技术领域

本发明涉及一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法。

背景技术

随着当今时代科技的飞速发展，焊接作为一种关键的制造技术已经步入了一个崭新的发展阶段，许多在激光、数字控制、计算机、信息处理、工业机器人等领域的当今最新科研成果、高新技术与前沿技术不断融合在焊接之中，多种直缝自动焊接设备随之大量出现。这些直缝自动焊接设备焊炬多采用气缸升降，高度只能通过机械夹具微调，仅适用于(0.5-6)mm的薄壁单层焊接。而在建筑、石油化工、工程机械等行业，随着大型焊接结构的需求增多，中厚板多层多道焊的应用越来越普遍。目前国内的中厚壁焊接方法以多层多道熔化极气体保护焊为主流，一般仍采用手工焊接或半自动化焊接，焊接效率偏低，工人劳动强度较大。此外，多数MAG/MIG/TIG 等熔化极气体保护手工焊机本体自动化程度较高，除不能自动驱动焊枪的运行外均可实现对焊接电流、保护气和焊丝等的全部时序控制。

发明内容

本发明提供了一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法，它适用于中厚壁长直缝多层焊，实现了焊接自动化，而且制作成本低，使用方便，焊接质量稳定，效率较高。

本发明采用了以下技术方案：一种三维自动焊接系统，它主要包括由焊枪运行机构、控制柜、焊机和送丝机，所述的焊枪运行机构包括摆动机构、升降驱动机构、直行机构和底座，摆动机构的运动方向、升降驱动机构的运动方向和直行机构的运动方向分别对应三维直角坐标轴的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向，所述直行机构位于底座的上部，在直行机构上设有直行驱动装置，直行驱动装置驱动直行结构沿着底座上部设有的两横向滑轨Ⅰ在Y轴方向作往复运动，在直行机构设有的支架侧面设有升降驱动机构，在升降驱动机构的侧面设有摆动机构，升降驱动机构驱动摆动机构沿着直行机构侧面设有的竖直方向的滑轨Ⅱ在Z轴方向作升降运动，摆动机构的侧面设有摆动驱动装置，摆动驱动装置驱动摆动机构在X轴方向作往复运动，在摆动机构上安装有焊枪夹持器，焊枪放置在焊枪夹持器内随着摆动机构运动，所述的控制柜内设有PLC控制器，PLC控制器的输入端与控制设备连接，PLC控制器的输出端分别与直行驱动装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动驱动装置的驱动器、焊机的焊枪启动开关和送丝机的启动开关连接，PLC控制器用于控制直行驱动装置、升降驱动机构和摆动驱动装置的工作和复位以及焊机和送丝机的自动控制，焊机与焊枪连接。

所述的两横向滑轨Ⅰ对称设置在底座上，直行机构设有的支架底部位于两横向滑轨Ⅰ上，所述的直行驱动装置包括直行电机、直齿圆柱齿轮和齿条，直行电机为步进电机，直行电机的输出端依次通过直齿圆柱齿轮和齿条与支架组成传动连接，直行驱动装置驱动支架在横向滑轨Ⅰ上作Y轴方向往复运动。

所述的升降驱动机构包括升降电机和竖直滚珠丝杠副Ⅰ，升降电机为步进电机，所述的升降电机位于直行机构的支架顶部，竖直滚珠丝杠副Ⅰ对应三维直角坐标轴的Z轴方向，升降电机与竖直滚珠丝杠副Ⅰ为传动配合，两竖直方向的滑轨Ⅱ在竖直方向对称设置在支架的侧面，所述的摆动机构上与支架的侧面相对的位置对称设有两滑块Ⅱ，两滑块Ⅱ与两滑轨Ⅱ相配合，摆动机构通过滑轨Ⅱ与滑块Ⅱ的配合在支架的侧面上下移动，竖直滚珠丝杠副Ⅰ与摆动机构为传动配合连接，升降电机驱动竖直滚珠丝杠副Ⅰ转动，竖直滚珠丝杠副Ⅰ带动摆动机构沿着滑轨Ⅱ作Z轴方向的升降运动。

所述的摆动机构包括滑轨支撑座和夹持器固定板，两滑块Ⅱ设置在滑轨支撑座背面，滑轨支撑座与竖直滚珠丝杠副Ⅰ为传动配合连接，在滑轨支撑座的上部和下部对称设有水平滑轨Ⅲ，夹持器固定板的背面上部和下部分别对称的设有滑块Ⅲ，所述的摆动驱动装置包括水平滚珠丝杠副Ⅱ和摆动电机，水平滚珠丝杠副Ⅱ对应三维直角坐标轴的X轴方向，摆动电机为步进电机，摆动电机与水平滚珠丝杠副Ⅱ为传动连接，水平滚珠丝杠副Ⅱ与夹持器固定板的背面为传动连接，摆动电机通过水平滚珠丝杠副Ⅱ驱动夹持器固定板在滑轨支撑座的水平滑轨Ⅲ上作X轴方向的摆动。

所述的控制设备包括工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关，PLC控制器的输入端与工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关连接，PLC控制器的输出端连接有指示灯、报警器、直行电机的驱动器、升降电机的驱动器、摆动电机的驱动器，在PLC控制器的通讯端口连接有MCGS触摸屏，MCGS触摸屏与PLC控制器的通讯端口为双向通讯连接。

所述的PLC控制器设置为S7-200 SMART PLC控制器。所述的焊机设置为气体保护手工焊机。

本发明还公开了一种利用上述三维自动焊接系统进行焊接的控制方法，它包括以下步骤：当处于自动控制模式：首先给控制柜上电，调节转至自动模式，按控制柜面板上的工作按钮的启动按钮，PLC控制器进入自动工作模式状态：首先检查升降电机是否到达电气零点，如果升降电机没有到达电气零点，则升降电机运行继续寻找直至到达电气零点，到达电气零点后， PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机运行至相应焊接层，焊接层从第0层开始计，检查是否至所需焊接层；同时控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当升降电机运行至要求焊接层、摆动电机运行至摆动中心、直行电机运行至电气零点后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为t1秒，t1为2秒，t1秒时间到则PLC控制器控制直行电机按设定速度前行，控制摆动电机按设定摆动参数摆动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、控制摆动电机停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到且检查已焊接的层数小于设定的焊接层数，则PLC控制器控制升降电机反向运行回电气零点，开始新一层焊接控制循环；如果已焊接层数等于设定层数，则停止焊接，自动模式结束；

处于手动控制模式：控制柜上电，转换开关转至手动， PLC控制器进入手动工作模式状态：首先复位，PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机运行至电气零点，检查是否到达电气零点，如果升降电机没有到达电气零点，则升降电机继续运行寻找电气零点，到达电气零点后，PLC控制器控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当摆动电机至摆动中心、直行电机至电气零点，按升降按钮，PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机运行至相应焊接层，首次转入手动运行时，相应焊接层为非手动模式下已完成焊接的层数+1或者为0+1层；非首次手动运行，相应焊接层为前一次焊接层数+1层，检查是否到达焊接层，当升降电机到达焊接层后，若上层焊接为正常结束，则直接按启动按钮；若上层焊接为非正常结束，整道焊缝只焊接了一部分而没有全部焊完，则按“点动”按钮，通过PLC控制器控制直行电机首先运行至上层停焊位置，然后再按启动按钮，按动启动按钮后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为t1秒，t1为2秒，t1秒时间到则PLC控制器控制直行电机按设定速度前行，控制摆动电机按设定摆动参数摆动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、PLC控制器控制摆动电机停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到则本层手动焊接停止，按复位，则进入下一层手动焊接操作，在手动控制模式下，开始正式焊接前，PLC控制器会自动判断本层焊接直行电机需要行走的距离S，S的计算公式为：

S= L1—L2；

L1=L0+S；

S：本层焊接直行电机需要行走的距离；

L：焊缝长度；

L0：直行电机电气零点的绝对位移；

L1：直行电机正常焊接本层时需前进的绝对位移；

L2：直行电机在上层焊接时已行走的绝对位移。

本发明具有以下有益效果：采用了以上技术方案后，本发明利用S7-200 SMARTPLC控制器方便地实现了对X、Y、Z三个方向步进电机的定位和速度控制，并与设计的焊枪运行机构配合，实现了焊枪按设定轨迹的平稳、低振动、低噪声运行。通过对原手工焊机的电气技术改造，将已有的成熟焊接设备组合融入自动焊接系统中，降低了设备的资金投入，最终，在本系统控制下，各单元协同工作，实现了中厚壁的多层自动焊接。本发明采用摆动装置作为焊接系统中的重要组成部分，摆动驱动装置包括水平滚珠丝杠副Ⅱ和摆动电机，水平滚珠丝杠副Ⅱ对应三维直角坐标轴的X轴方向,摆动电机为步进电机，摆动电机与水平滚珠丝杠副Ⅱ为传动连接，水平滚珠丝杠副Ⅱ与夹持器固定板的背面为传动连接，摆动电机通过水平滚珠丝杠副Ⅱ驱动夹持器固定板在滑轨支撑座的水平滑轨Ⅲ上作X轴方向的摆动，这样在摆动时可达到较高的摆频，并且运行平稳、准确、噪声小。采用了本发明后，它的S7-200 SMART PLC控制器通过以太网用普通的网线就可以实现程序的下载和监控，方便快捷，省去了专用编程电缆； CPU模块最多配有3路100kHz的高速脉冲输出，提供PWM和运动轴两种运行控制，运动轴为步进电机或伺服电机的速度和位置开环控制提供了统一的解决方案。可快速实现设备的调速、定位等功能。本发明的升降电机、直行电机和摆动电机为步进电机，通过PLC控制器控制步进电机转过的角位移且误差不累积，可以准确定位；通过控制频率可以改变电动机的转速和加速度，实现任意调速；通过方向控制可以实现电机的正转和反转。采用步进电机作为执行元件是一种较为简单而又经济的开环控制方式。本发明手动模式下设有“点动”以提高设备调试的灵活性，特别是控制步进电机的加速起动和减速停止，避免电机失步，显得非常方便。本发明设有MCGS触摸屏，作为操作员与设备之间的人机接口，人机界面设计通过MCGS组态软件完成，主要用于实现焊接参数的设置和管理，通过以太网接口实现与PLC的通讯，使用方便。本发明充分利用S7-200 SMART PLC控制器具有3路100KHz高速脉冲输出的硬件特点，利用编程软件“运行控制向导”的指令向导编程CPU内置绝对位移、相对位移的运行功能，方便地实现了对X、Y、Z三个方向步进电机的定位和速度控制，并与设计的焊枪运行机构配合，实现了焊枪按设定轨迹的平稳、低振动、低噪声运行，通过对原手工焊机的电气技术改造，将已有的成熟焊接设备组合融入自动焊接系统中，降低了设备的资金投入。最终，在本发明控制下，摆动机构、升降驱动机构、直行机构协同工作，实现了中厚壁的多层自动焊接，现场应用效果良好。

附图说明

图1为本发明摆动机构、升降驱动机构和直行机构的结构示意图。

图2为本发明摆动结构的结构示意图。

图3为本发明处于摆动两侧端点无停留时间的焊枪运行轨迹示意图。

图4为本发明处于摆动两侧端点有停留时间t的焊枪运行轨迹示意图。

图5为本发明的自动焊接系统组成结构示意图。

图6为本发明自动控制的流程图。

图7为本发明手动控制的流程图。

图8为本发明的自动工作模式的操作过程图。

图9为本发明的手动工作模式的操作过程图。

图10为本发明控制柜的结构示意图。

具体实施方式

在图1和图2中，本发明提供了一种三维自动焊接系统，它主要包括由焊枪运行机构、控制柜21、焊机和送丝机，焊机设置为气体保护手工焊机，所述的焊枪运行机构包括摆动机构、升降驱动机构、直行机构和底座（1），摆动机构的运动方向、升降驱动机构的运动方向和直行机构的运动方向分别对应三维直角坐标轴的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向，所述直行机构位于底座1的上部，在直行机构上设有直行驱动装置，直行驱动装置驱动直行结构沿着底座1上部设有的两横向滑轨Ⅰ2在Y轴方向作往复运动，在直行机构设有的支架3侧面设有升降驱动机构，在升降驱动机构的侧面设有摆动机构，升降驱动机构驱动摆动机构沿着直行机构侧面设有的竖直方向的滑轨Ⅱ4在Z轴方向作升降运动，摆动机构的侧面设有摆动驱动装置，摆动驱动装置驱动摆动机构在X轴方向作往复运动，在摆动机构上安装有焊枪夹持器5，焊枪放置在焊枪夹持器5内随着摆动机构运动，所述的两横向滑轨Ⅰ2对称设置在底座1上，直行机构设有的支架3底部位于两横向滑轨Ⅰ2上，所述的直行驱动装置包括直行电机7、直齿圆柱齿轮和齿条，直行电机7为步进电机，直行电机7的输出端依次通过直齿圆柱齿轮和齿条与支架3组成传动连接，直行驱动装置驱动支架3在横向滑轨Ⅰ2上作Y轴方向往复运动，所述的升降驱动机构包括升降电机8和竖直滚珠丝杠副Ⅰ9，升降电机8为步进电机，所述的升降电机8位于直行机构的支架3顶部，竖直滚珠丝杠副Ⅰ9对应三维直角坐标轴的Z轴方向，升降电机8与竖直滚珠丝杠副Ⅰ9为传动配合，两竖直方向的滑轨Ⅱ4在竖直方向对称设置在支架3的侧面，

所述的摆动机构上与支架3的侧面相对的位置对称设有两滑块Ⅱ10，两滑块Ⅱ10与两滑轨Ⅱ4相配合，摆动机构通过滑轨Ⅱ4与滑块Ⅱ10的配合在支架3的侧面上下移动，竖直滚珠丝杠副Ⅰ9与摆动机构为传动配合连接，升降电机8驱动竖直滚珠丝杠副Ⅰ9转动，竖直滚珠丝杠副Ⅰ9带动摆动机构沿着滑轨Ⅱ4作Z轴方向的升降运动，所述的摆动机构包括滑轨支撑座11和夹持器固定板12，两滑块Ⅱ10设置在滑轨支撑座11背面，滑轨支撑座11与竖直滚珠丝杠副Ⅰ9为传动配合连接，在滑轨支撑座11的上部和下部对称设有水平滑轨Ⅲ13，夹持器固定板12的背面上部和下部分别对称的设有滑块Ⅲ14，所述的摆动驱动装置包括水平滚珠丝杠副Ⅱ15和摆动电机16，水平滚珠丝杠副Ⅱ15对应三维直角坐标轴的X轴方向，摆动电机16为步进电机，摆动电机16与水平滚珠丝杠副Ⅱ15为传动连接，水平滚珠丝杠副Ⅱ15与夹持器固定板12的背面为传动连接，摆动电机16通过水平滚珠丝杠副Ⅱ15驱动夹持器固定板12在滑轨支撑座11的水平滑轨Ⅲ13上作X轴方向的摆动，在图5中，所述的控制柜21内设有PLC控制器，PLC控制器的输入端与控制设备连接，PLC控制器的输出端分别与直行驱动装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动驱动装置的驱动器、焊机的焊枪启动开关和送丝机的启动开关连接，PLC控制器用于控制直行驱动装置、升降驱动机构和摆动驱动装置的工作和复位以及焊机和送丝机的自动控制，焊机与焊枪连接，所述的PLC控制器设置为S7-200 SMART PLC控制器，控制设备包括工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关，PLC控制器的输入端与工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关连接，PLC控制器的输出端连接有指示灯18、报警器19、直行电机的驱动器、升降电机的驱动器、摆动电机的驱动器，在PLC控制器的通讯端口连接有MCGS触摸屏20，MCGS触摸屏20与PLC控制器的通讯端口为双向通讯连接，在图10中，工作按钮及指示灯18、报警器19设置在控制柜21的控制面板30上，工作按钮包括启动按钮22、选择旋钮23、停止按钮24，急停按钮25、复位按钮26、沿焊缝直行步进电机点动前进按钮27、沿焊缝直行步进电机点动后退按钮28和升降电机下降按钮29，通过选择旋钮23可选择系统的手动或自动工作模式，通过MCGS触摸屏20上的人机界面可设定焊接速度、焊枪摆频、焊枪摆幅、焊接总层数选择及第一层定位高度、焊层高度差等焊接参数，PLC控制器通过对直行装置、升降驱动机构和摆动装置工作和复位以及焊机和送丝机的自动控制来实现焊枪在X、Y、Z三个方向按设定轨迹的运行。

此外，为实现焊接的自动控制，需对焊机及送丝机进行电气改造。将焊机的焊枪开关及送丝机启动开关由人工按动改为由PLC控制器的输出端子触点经由中间继出器的自动开关控制，综上，基于S7-200 SMART PLC控制器的自动焊接系统总体结构构建完成，系统工作时，首先根据具体焊接工艺要求完成焊接参数的设定，按动启动按钮22后，即可控制焊机运行机构与手工焊机的协同工作，焊枪按设定轨迹和层数对工件实施焊接，实现焊接自动化。

本发明升降驱动机构在工作时沿高度方向上下运行，实现不同焊接层的高度定位；直行机构工作时沿焊缝长度方向做直线运行，焊缝长度为L，焊接时，升降驱动机构在Z方向焊层高度先行定位后，直行机构带动摆动机构、升降驱动机构按设定焊接速度前行，同时摆动机构以直线摆动形式按设定摆动参数往复摆动，由此实现焊枪按设定轨迹的多层运行，运行轨迹见图3，通过控制摆动机构在摆动两侧端点的停留时间t，可实现的摆动轨迹，摆动的轨迹见图4，t=0，运行轨迹即为图3，

本发明PLC控制器的输出信号主要有三台步进电机各自的脉冲控制信号和方向控制信号、指示灯18、报警器19和焊机及送丝机的开关控制信号；另外还有与MCGS触摸屏20的通信信号。PLC控制器为数字量控制，需完成对三台步进电机的同时控制，PLC控制器需具备3个高速脉冲输出口。根据输入输出信号的数量、类型、控制要求，同时按I/O点数20%~30%的备用量原则，本发明PLC控制器设置为S7-200 SMART PLC控制器，S7-200 SMART PLC控制器的CPU型号为ST60， CPU采用晶体管输出方式，具有36个数字量输入点、24个数字量输出点，集成三路高速脉冲输出，频率高达100KHz。以焊接速度40mm/s，步进电机转一圈需要10000个脉冲，步进电机转一圈行程为5mm计算，要求高速脉冲的输出频率为：40*10000/5=80KHz，而PLC控制器最高输出频率为100KHz，完全满足系统要求。本发明PLC控制器输出端通过信号转换板与直行装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动装置的驱动器连接，本发明的S7-200 SMART PLC控制器中内置运动轴实现对三台步进电机速度和位置的开环运动控制。三台步进电机对应3根运动轴，硬件接线前首先通过S7-200 SMART PLC控制器利用“运动向导”来硬件组态运动轴，分配各运动轴所对应的PLC输出端口。端口分配见表1。

表1：PLC控制步进电机输出端口分配表

上述为基于S7-200 SMART PLC控制器的自动焊接系统总体结构的构建说明。

本发明公开了一种利用上述三维自动焊接系统进行焊接的控制方法，它包括以下步骤：在图6中，当处于自动控制模式：首先给控制柜21上电，调节转至自动模式，按控制柜21面板上的工作按钮的启动按钮22，PLC控制器进入自动工作模式状态：首先检查升降电机8是否到达电气零点，如果升降电机8没有到达电气零点，则升降电机8运行继续寻找直至到达电气零点，到达电气零点后， PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机8运行至相应焊接层，焊接层从第0层开始计，检查是否至所需焊接层；同时控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机16运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机7运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当升降电机8运行至要求焊接层、摆动电机16运行至摆动中心、直行电机7运行至电气零点后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为t1秒，t1为2秒，t1秒时间到则PLC控制器控制直行电机7按设定速度前行，控制摆动电机16按设定摆动参数摆动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机7行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、控制摆动电机16停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到且检查已焊接的层数小于设定的焊接层数，则PLC控制器控制升降电机8反向运行回电气零点，开始新一层焊接控制循环；如果已焊接层数等于设定层数，则停止焊接，自动模式结束；

在图7中，处于手动控制模式：控制柜21上电，转换开关转至手动， PLC控制器进入手动工作模式状态：首先复位，PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机8运行至电气零点，检查是否到达电气零点，如果升降电机8没有到达电气零点，则升降电机8继续运行寻找电气零点，到达电气零点后，PLC控制器控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机16运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机7运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当摆动电机16至摆动中心、直行电机7至电气零点，按升降按钮，PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机8运行至相应焊接层，首次转入手动运行时，相应焊接层为非手动模式下已完成焊接的层数+1或者为0+1层；非首次手动运行，相应焊接层为前一次焊接层数+1层，检查是否到达焊接层，当升降电机8到达焊接层后，若上层焊接为正常结束，则直接按启动按钮22；若上层焊接为非正常结束，整道焊缝只焊接了一部分而没有全部焊完，则按“点动”按钮，通过PLC控制器控制直行电机首先运行至上层停焊位置，然后再按启动按钮22，按动启动按钮22后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为t1秒，t1为2秒，t1秒时间到则PLC控制器控制直行电机7按设定速度前行，控制摆动电机16按设定摆动参数摆动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机7行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、PLC控制器控制摆动电机16停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到则本层手动焊接停止，按复位，则进入下一层手动焊接操作，在手动控制模式下，开始正式焊接前，PLC控制器会自动判断本层焊接直行电机需要行走的距离S，S的计算公式为：

S= L1—L2；

L1=L0+S；

S：本层焊接直行电机需要行走的距离；

L：焊缝长度；

L0：直行电机电气零点的绝对位移；

L1：直行电机正常焊接本层时需前进的绝对位移；

L2：直行电机在上层焊接时已行走的绝对位移；

焊缝宽度为M。

本发明为了保证定位准确，在利用“运行控制向导”组态运动轴过程中要注意如下内容的选择和设定：

（1）设定系统测量单位：选择工程单位，并输入电机一次旋转所需脉冲数（10000个/转）、测量基本单位（mm）、电机一次旋转产生多少mm的运行（5mm）。这样在设定定位距离和运行速度时直接输入实际距离（单位：mm）和速度值（单位：mm/S）即可。

（2）组态参考点和搜索参数：当需要从一个绝对位置处开始运动或以绝对位置作为参考，则必须建立一个参考点 (RP) 或零点位置，这个点可以选择各方向轴的原点输入信号。一旦使用参考点，则需要定义自动重新定位参考点的方法，包括输入参考点搜索速度、定义初始搜索方向和最终参考点接近方向^[8]。

（3）选择生成的运动子例程：运动轴组态完成后可生成 13 个运动控制子例程，不同的控制要求对应不同的子例程。为节省子例程占用过多的存储空间，对不需要的子例程应取消生成。本控制系统需生成的子例程有：①AXISx_CTRL子例程，供轴的初始化和全面控制。每个运动轴使用此子例程一次，用SM0.0触发，程序在每次扫描时均调用此子例程；②AXISx_GOTO子例程 ，命令轴转到指定位置。提供绝对位移和相对位移两种模式。通过子例程输入参数Mode设定位移模式，0代表绝对位移，1代表相对位移；通过输入参数Pos设定要移动的位置（绝对位移）或要移动的距离（相对位移），单位均与设定的工程单位一致；通过输入参数Speed确定移动速度，单位为mm/s；③AXISx_RSEEK子例程，启动参考点查找操作。若采用绝对位移模式，则必须先启用此子例程完成零点的搜索和建立后，方可调用AXISx_GOTO子例程实现绝对位移的定位运行。

下面进一步说明自动工作模式的操作方法：

当处于正常工作状态时，将控制柜内部直行驱动装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动驱动装置的驱动器全部处于工作状态，将选择开关拨至“自动”档，按“启动”按钮即开启自动模式工作：焊枪自动对焊缝进行三层摆动焊接。三层焊接全部完成后，步进电机自动复位至初始化状态。然后按停止按钮。

具体的操作过程见图8,，首先控制柜开始上电，将控制柜内部直行驱动装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动驱动装置的驱动器全部闭合，然后将选择开关拨至自动状态，按动启动按钮22，进行自动三层焊接，开始运行，三层焊接完成后三台步进电机自动复位，按停止按钮。

当出现异常情况时，焊接过程中若出现紧急情况，立即按急停按钮中止正在进行的操作，三台步进电机将立即停止运行。同时控制柜出现报警器报警，“急停”按钮复位，报警器报警即取消。在处理故障过程中，为防止出现误动作，请将三台步进电机驱动器全部断电（断开控制柜内部中间和最左边的两个空气开关）。PLC控制器请不要断电，应保持通电状态，故障处理完毕后，针对“急停”前的不同工作状态，请分别按如下要求操作：

A、未开始任何焊接： “急停”按钮复位后，按“启动”按钮重新进入自动工作模式。

、已开始焊接（包括1-2层焊接中和复位过程中，3层焊接中）：“急停”按钮复位后，在PLC控制器不失电前提下，将“自动/手动选择开关”拨至“手动”位，转手动模式按相关要求进行操作，完成剩余焊接工作。

、全部焊接完成自动复位过程中：“急停”按钮复位后，按“启动”按钮重新进入自动工作模式。

下面进一步说明自动工作模式的操作方法：

当直接进入手动工作模式：此处的“直接”是指两种情况之一：①控制柜上电后直接进行手动模式②自动运行正常结束后（三层焊接全部完成，步进电机复位结束）转换进入手动模式。

（1）正常工作：将7自动/手动选择开关拨至“手动”档，将控制柜内部三个空气开关全部闭合，

（2）发生异常情况：焊接过程中若出现紧急情况，立即按“急停”按钮中止正在进行的操作，三台电机将立即停止运行。同时控制柜出现蜂鸣和闪光灯报警。“急停”按钮复位，蜂鸣和闪光灯报警即取消。

2、“急停”后进入手动工作模式：

在处理故障过程中，为防止出现误动作，请将3台步进电机驱动器全部断电。PLC请不要断电，应保持通电状态。

故障处理完毕后，针对“急停”前的不同工作状态，请分别按如下要求操作：在图9中，手动工作模式的具体操作过程为：首先控制柜开始上电，按启动按钮22进行手动工作模式，按动复位按钮，三台步进电机复位到位后，三台步进电机将复位至初始状态，三台步进电机的初始状态为Y轴的（直行电机）、Z轴（升降电机）至电气零点，X轴（摆动电机）至摆动中心，然后按动升降电机下降按钮使升降电机下降至相应焊接层位置，具体至哪一层由PLC控制器内部控制，操作者只需要在规定的步骤下按此按钮一次即可，接着升降电机到位后，当手动模式首次进行焊接时，若急停前Y轴已经焊接一部分，则按动Y轴点动前或Y轴点动退两个按钮使直行电机至位急停前位置，则通过点动按钮使Y轴电机运行至停焊前位置，若不需要，则不要按动点动按钮，按启动按钮22进行启动焊接，进入手动模式后完成第一次焊接，每层焊接完成后按“复位”按钮进行下层焊接。第三层焊接完成后，一次完整的手动焊接即全部完成。此时应按“停止”按钮。

下面对特殊情况进行说明：

（1）未开始任何焊接：“急停”按钮复位后，按上述手动工作模式的具体操作过程，升降电机至位后不进行“点动”操作，进行手动操作。

（2）已开始焊接（包括1-2层焊接中和复位过程中，3层焊接中）：“急停”按钮复位后，在PLC不失电前提下，首次手动焊接时按手动工作模式的具体操作过程操作，但需在升降电机至位后通过“点动前进”或“点动后退”按钮使直行电机到达焊接停下的位置后，再按“启动”按钮开始焊接。仅首次需如此操作。其余层数焊接按手动工作模式的具体操作过程流程不进行“点动”操作直接启动焊接。

（3）全部焊接完成自动复位过程中：“急停”按钮复位后，按下页手动工作模式的具体操作过程（升降电机至位后不进行“点动”操作）进行手动操作。

1：手动模式下，首次焊接时，若之前相应焊层的整道焊缝已完成部分焊接（自动焊接过程中异常情况导致的焊接中止或手动焊接过程中异常情况导致的焊接中止均存在此现象），则可通过两个“点动”按钮调整Y轴直行电机至位焊接结束位置后，再按“启动”按钮则可继续自动完成未焊接部分。

2：手动模式时，首次焊接时，若之前的焊接过程未进行或之前的相应焊接层整道焊缝完成焊接完成，则不需再按动“点动”按钮，直接按“启动”按钮即可自动进行摆动焊接。

Claims (5)

1.一种三维自动焊接系统，其特征是它主要包括焊枪运行机构、控制柜（21）、焊机和送丝机，所述的焊枪运行机构包括摆动机构、升降驱动机构、直行机构和底座（1），摆动机构的运动方向、升降驱动机构的运动方向和直行机构的运动方向分别对应三维直角坐标轴的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向，所述直行机构位于底座（1）的上部，在直行机构上设有直行驱动装置，直行驱动装置驱动直行机构沿着底座（1）上部设有的两横向滑轨Ⅰ（2）在Y轴方向作往复运动，在直行机构设有的支架（3）侧面设有升降驱动机构，在升降驱动机构的侧面设有摆动机构，升降驱动机构驱动摆动机构沿着直行机构侧面设有的竖直方向的滑轨Ⅱ（4）在Z轴方向作升降运动，摆动机构的侧面设有摆动驱动装置，摆动驱动装置驱动摆动机构在X轴方向作往复运动，在摆动机构上安装有焊枪夹持器（5），焊枪放置在焊枪夹持器（5）内随着摆动机构运动，所述的控制柜（21）内设有PLC控制器，PLC控制器的输入端与控制设备连接，PLC控制器的输出端分别与直行驱动装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动驱动装置的驱动器、焊机的焊枪启动开关和送丝机的启动开关连接，PLC控制器用于控制直行驱动装置、升降驱动机构和摆动驱动装置的工作和复位以及焊机和送丝机的自动控制，焊机与焊枪连接，所述的两横向滑轨Ⅰ（2）对称设置在底座（1）上，直行机构设有的支架（3）底部位于两横向滑轨Ⅰ（2）上，所述的直行驱动装置包括直行电机（7）、直齿圆柱齿轮和齿条，直行电机（7）为步进电机，直行电机（7）的输出端依次通过直齿圆柱齿轮和齿条与支架（3）组成传动连接，直行驱动装置驱动支架（3）在横向滑轨Ⅰ（2）上作Y轴方向往复运动，所述的升降驱动机构包括升降电机（8）和竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9），升降电机（8）为步进电机，所述的升降电机（8）位于直行机构的支架（3）顶部，竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）对应三维直角坐标轴的Z轴方向，升降电机（8）与竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）为传动配合，两竖直方向的滑轨Ⅱ（4）在竖直方向对称设置在支架（3）的侧面，所述的摆动机构上与支架（3）的侧面相对的位置对称设有两滑块Ⅱ（10），两滑块Ⅱ（10）与两滑轨Ⅱ（4）相配合，摆动机构通过滑轨Ⅱ（4）与滑块Ⅱ（10）的配合在支架（3）的侧面上下移动，竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）与摆动机构为传动配合连接，升降电机（8）驱动竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）转动，竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）带动摆动机构沿着滑轨Ⅱ（4）作Z轴方向的升降运动，所述的摆动机构包括滑轨支撑座（11）和夹持器固定板（12），两滑块Ⅱ（10）设置在滑轨支撑座（11）背面，滑轨支撑座（11）与竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）为传动配合连接，在滑轨支撑座（11）的上部和下部对称设有水平滑轨Ⅲ（13），夹持器固定板（12）的背面上部和下部分别对称的设有滑块Ⅲ（14），所述的摆动驱动装置包括水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）和摆动电机（16），水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）对应三维直角坐标轴的X轴方向，摆动电机（16）为步进电机，摆动电机（16）与水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）为传动连接，水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）与夹持器固定板（12）的背面为传动连接，摆动电机（16）通过水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）驱动夹持器固定板（12）在滑轨支撑座（11）的水平滑轨Ⅲ（13）上作X轴方向的摆动。

2.根据权利要求1所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的控制设备包括工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关，PLC控制器的输入端与工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关连接，PLC控制器的输出端连接有指示灯（18）、报警器（19）、直行电机的驱动器、升降电机的驱动器、摆动电机的驱动器，在PLC控制器的通讯端口连接有MCGS触摸屏（20），MCGS触摸屏（20）与PLC控制器的通讯端口为双向通讯连接。

3.根据权利要求1或2中所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的PLC控制器设置为S7-200 SMART PLC控制器。

4.根据权利要求1所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的焊机设置为气体保护手工焊机。

5.一种利用权利要求2所述的三维自动焊接系统进行焊接的控制方法，它包括以下步骤：当处于自动控制模式：首先给控制柜（21）上电，调节转至自动模式，按控制柜（21）面板上的工作按钮的启动按钮（22），PLC控制器进入自动工作模式状态：首先检查升降电机（8）是否到达电气零点，如果升降电机（8）没有到达电气零点，则升降电机（8）运行继续寻找直至到达电气零点，到达电气零点后， PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机（8）运行至相应焊接层，焊接层从第0层开始计，检查是否至所需焊接层；同时控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机（16）运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机（7）运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当升降电机（8）运行至要求焊接层、摆动电机（16）运行至摆动中心、直行电机（7）运行至电气零点后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为t1秒，t1为2秒，t1秒时间到则PLC控制器控制直行电机（7）按设定速度前行，控制摆动电机（16）按设定摆动参数摆动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机（7）行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、控制摆动电机（16）停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到且检查已焊接的层数小于设定的焊接层数，则PLC控制器控制升降电机（8）反向运行回电气零点，开始新一层焊接控制循环；如果已焊接层数等于设定层数，则停止焊接，自动模式结束；

处于手动控制模式：控制柜（21）上电，转换开关转至手动， PLC控制器进入手动工作模式状态：首先复位，PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机（8）运行至电气零点，检查是否到达电气零点，如果升降电机（8）没有到达电气零点，则升降电机（8）继续运行寻找电气零点，到达电气零点后，PLC控制器控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机（16）运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机（7）运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当摆动电机（16）至摆动中心、直行电机（7）至电气零点，按升降按钮，PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机（8）运行至相应焊接层，首次转入手动运行时，相应焊接层为非手动模式下已完成焊接的层数+1或者为0+1层；非首次手动运行，相应焊接层为前一次焊接层数+1层，检查是否到达焊接层，当升降电机（8）到达焊接层后，若上层焊接为正常结束，则直接按启动按钮（22）；若上层焊接为非正常结束，整道焊缝只焊接了一部分而没有全部焊完，则按“点动”按钮，通过PLC控制器控制直行电机首先运行至上层停焊位置，然后再按启动按钮（22），按动启动按钮（22）后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为t1秒，t1为2秒，t1秒时间到则PLC控制器控制直行电机（7）按设定速度前行，控制摆动电机（16）按设定摆动参数摆动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机（7）行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、PLC控制器控制摆动电机（16）停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到则本层手动焊接停止，按复位，则进入下一层手动焊接操作，在手动控制模式下，开始正式焊接前，PLC控制器会自动判断本层焊接直行电机需要行走的距离S，S的计算公式为：

S= L1—L2；

L1=L0+S；

S：本层焊接直行电机需要行走的距离；

L：焊缝长度；

L0：直行电机电气零点的绝对位移；

L1：直行电机正常焊接本层时需前进的绝对位移；

L2：直行电机在上层焊接时已行走的绝对位移。