基於 PMAC 的馬鞍形焊（hàn）縫焊機數控係統研究
2020-8-19 來源（yuán）：燕山大學機械工程學院 、繼續教（jiāo）育學（xué）院 作者：李宇鵬（péng） 郭超峰 孫洪勝（shèng）
摘要: 基於 PMAC 運動控製卡開發了馬鞍形焊縫焊機數控係統。首先，構（gòu）建了數控係統硬件結構。然後，針對接管與筒體焊接前（qián）存在變形、安裝誤差等複雜情況，提出采用馬鞍形曲（qǔ）線直接插補和（hé）在線示（shì）教方式相結合的軌（guǐ）跡規劃策略。MATLAB 仿真結果表明，該策略（luè）很好地實現（xiàn）了對（duì）焊槍運動軌跡的（de）控製。最後，基於模塊化設計（jì）理念開發了（le）數控係統軟件，其功能完善，運行穩定，實現了對馬鞍（ān）形焊縫焊（hàn）機的（de）控製。
在石油、化（huà）工、核電等行業壓力容器的製造中，廣泛存在接管與筒體相貫形成的馬鞍（ān）形焊縫的焊接［1］。由於相貫線是複雜空間曲線，采用人工或半自動設備（bèi）焊接時生（shēng）產效率低、焊接（jiē）質量不穩（wěn）定（dìng），產品（pǐn）可靠（kào）性差;采用通用的機器人進行焊接時，價格昂貴（guì）且編程難度大［2］。因此，越來越多地采用馬鞍形焊縫（féng）自動焊機。由當前市場上主（zhǔ）流的日本 FANUC、德國 SINUMEＲIK 等CNC 係（xì）統，不具備馬鞍形曲線直（zhí）接插補算法，且其硬件和軟件的封閉性較強，很難對其進行功能擴展。
目前大多采用（yòng）直線或圓弧插補方法實（shí）現馬鞍形曲線焊縫的焊接，存在編程難度大、線速度不（bú）均勻焊接質量差等問題。開放式數控係統具有可移植性可擴展性、相互（hù）操作性等特點，已成為當前CN發展的必然趨（qū）勢［3］。
本（běn）文根據（jù）馬鞍形焊縫焊機的功能特點和壓力容器接管焊接工藝技術（shù）要求，提出采用馬（mǎ）鞍形曲線直接插補算法和（hé）示教相結合的軌跡（jì）規劃策略，基於 PMAC 運動控（kòng）製卡構建馬（mǎ）鞍形焊縫（féng）焊機數控係統硬件結（jié）構，並采用模塊化設計理念開發數控係統軟件。
1 、硬件結構
1. 1 馬鞍（ān）形焊縫焊機結構
馬鞍形焊縫焊機結構如圖 1 所示（shì），焊（hàn）機主體（tǐ）部分由回轉軸、徑向軸、升降軸（zhóu）和擺動軸（zhóu）構成。焊接（jiē）機的回（huí）轉運動是由伺服電動機通過大減速比減速器，帶動整個箱體繞靜止的主（zhǔ）軸（zhóu）轉動。三爪卡盤通過法蘭盤和主軸相連接。徑向軸和升（shēng）降軸采用兩個直線模組（zǔ）組合成（chéng）的十字（zì）滑台。
焊槍擺動機構采用（yòng）蝸（wō）杆蝸輪減速器，結構更為緊湊，精度更高。在（zài）接管和筒體通過手工打（dǎ）底（dǐ）焊固定後，通過（guò）三爪（zhǎo）卡盤（pán）將馬鞍形焊縫焊機錨（máo）固在接管內壁上，通過升降軸和回轉（zhuǎn）軸的聯合運動完成接管馬鞍形焊縫的焊接。為了實現高的定（dìng）位精（jīng）度和運動平穩性，4 個軸的電動機都采用交流伺服電動機（jī），並配以相應的伺服驅動器驅動。
1. 2 馬鞍形焊縫焊機（jī）數控係統（tǒng）硬件結構
根據馬鞍形焊縫焊接對控製係統的要求，采用“工控機+運動控製卡”的上、下位機結構形式構（gòu）建的數控係統硬件結構如圖 2 所示。
上位機（jī）選用研（yán）華公司高性能 IPC－610H 工控機，下位機選（xuǎn）用 PMAC2 LITEPCI 運動控製卡，將（jiāng） PMAC 運動控（kòng）製卡插入工控機的總線（xiàn）插槽中實現 PMAC 和工控機的連接，通過 PCI 總線和雙端口
ＲAM 兩種方式實現工控機與 PMAC 的通訊（xùn）。PMAC 與焊機的 I/O 端口通過 ACC－34AA 接口板連接，用戶通過自行（háng）設計 PLC 程序，可（kě）實現對送（sòng）絲機、焊接電源等開關量的控製。
采用 ACC－8D 端（duān）子板連接運動控製卡和驅動器，實現（xiàn）各個運動軸的伺服閉環控製（zhì）。
2 、馬鞍形曲線插補算法
插補算法是數控係統的核心，它（tā）不僅決定著數控係統的插補精度，還（hái）對數控加工編程的複雜程度有影響。依據馬鞍形曲線焊縫的特（tè）點和壓力容器焊接工（gōng）藝要求，焊槍保持既定位姿條件下，通過回轉軸和升降軸的聯動就能夠（gòu）實現馬鞍形（xíng）曲線焊縫的焊接［4］。
采用馬鞍形曲線直接插補算（suàn）法，用戶隻需要輸入簡單的幾何參（cān）數就能夠自動規劃出焊槍的運動軌跡［5］。但實際（jì）上，由於接管定（dìng）位不準確或者筒體變形等原因造成馬鞍形曲線（xiàn）直接插補算法難以滿足高質量焊接要（yào）求。如果單純采用示教方式，不僅示教點多而且每（měi）個接管的焊接都需要示教，導致示教難度（dù）大、效率低。
針（zhēn）對馬鞍形曲線焊接（jiē）的複雜情況，本文提出采（cǎi）用馬鞍形曲線直（zhí）接插補與在線示教方（fāng）式相結合的（de）軌跡規劃策略，對於偏離標準馬鞍形（xíng）曲線的部分焊縫（féng），進行人工（gōng）在線示教方（fāng）式，既解決了直接插補時靈活性（xìng）差，又解決了單獨采用示教規劃時效率低、難度大等難題。
2. 1 馬鞍形曲線直接（jiē）插補（bǔ）算法（fǎ）
設馬（mǎ）鞍形曲線的參數方程為:
式中（zhōng）: Ｒ 為筒體半徑; r 為接管（guǎn）半（bàn）徑; θ 為旋轉角度。如果保持回（huí）轉軸的角速度恒定（dìng），即每個插補周期T 內步進角 Δθ 恒定，則焊槍末端線速度不斷變化，不利於焊縫成形，易產生焊（hàn）接缺陷，影響工件（jiàn）使用（yòng）壽命。因此，要實時地調整步進（jìn）角 Δθ 的大小使焊槍末（mò）端線速度保持恒（héng）定［5］。
如（rú）圖 3 所示，馬鞍形曲線上（shàng）任意一點 Q，過點 Q 分別與接管、筒體外表麵相切的平麵為 α和 β，平麵 α 和 β 相交（jiāo）於直線 l，則過該點的線速度 v的方向為直線 l 的方向向量（liàng），Q 點線速度方向與 Z 軸的夾角為 γ。由於在一個插補周期 T 內，旋轉角 θ 的增量 Δθ 很小，對應的曲線都可以近似成直線（xiàn）段，從而得到:
將式( 6) 代（dài）入式( 2) 可求出恒定焊接速度 v 時步進角度 Δθ，再由式( 1) 可（kě）得升降軸的進（jìn）給量 Δz。
2. 2 示教方式軌跡規劃與插補算法
目前，NUＲBS 曲線（xiàn）已成為工程製造領域流行的自（zì）由曲線表達方法。但（dàn） NUＲBS 曲線（xiàn）的表達（dá）式比較複雜（zá），在（zài）反求控製頂點時（shí）計算量大，且當權因（yīn）子選取不當時會引起畸變［6］。B 樣條曲（qǔ）線相比
NUＲBS 曲線（xiàn）不僅能夠滿足（zú）一般（bān）工程問題的要求，而且（qiě）表達式更（gèng）為簡單。其中，三（sān）次（cì）均勻 B 樣線條曲線在分段連接點處是（shì） C2連續的，故其在工程設計中應用最廣。三次均勻 B 樣線條曲線的數學表達（dá）式為（wéi）:
由於在示教起始點和結束點的線（xiàn）速度為已知，故可得（dé）兩個約束（shù）條件:
通過示教可以得到焊機各（gè）個運動軸的運動量構成的示教點( θ，s，h) ，由式( 12) 可求出所有的（de）特征點，再將求出的特征點代入式( 9) ，可以（yǐ）得到各個運動軸的參數表達式:
當前，三次 B 樣（yàng）條插補算法可（kě）分為: 等參（cān）數插（chā）補算法（fǎ）、恒速度插補算法、基於精度要求的插補算法、基於加速度要求的插（chā）補算法和基於精度和加速度（dù）要求的插補（bǔ）算法 5 種類型［6］。為實（shí）現（xiàn）焊接速度的恒定需（xū）求，本文采用恒（héng）速度（dù）的三次均勻 B 樣條插補算法。其計算步驟如（rú）下:
要求出 d P( u) /du 的值，需要知道焊接位置點在笛卡爾坐標係下的表達式。由於本課題中有旋（xuán）轉軸和擺動軸，且各個運動軸（zhóu）的參數表達（dá）式不是（shì）在笛卡爾坐標（biāo）係下（xià）求出的，需要將其轉換到笛（dí）卡（kǎ）爾（ěr）坐標（biāo）係下才能求出 d P( u) /du 。以下說明求解（jiě） d P( u) /du 的基本過程。
焊（hàn）機複位後，升降（jiàng）軸線和（hé）擺（bǎi）動軸線的交點 A 到焊機（jī）旋轉軸線（xiàn）的距離為 L1，到焊機坐標（biāo）係 XoOoYo麵的距（jù）離為 L2，擺動杆長為 L3。
根據馬鞍形焊縫焊機的（de）結構特（tè）點，以回轉主軸軸線（xiàn）和減速器底麵的交點（diǎn）為（wéi）焊機坐標（biāo）係原點 Oo，建（jiàn）立焊機坐標係 Oo－ XoYoZo，如圖 4 所示。
與焊機複位時相比（bǐ），焊機各個運動軸的（de）運（yùn）動情況如下: 旋轉軸從 X 軸（zhóu）正（zhèng）向開（kāi）始按逆時（shí）針方向繞 Z 軸的（de）旋（xuán）轉角度為 θ，徑向軸沿 X 軸的移（yí）動距離為（wéi） s，擺動軸（zhóu）的擺動角度為 β。設（shè）焊槍（qiāng）末端點在焊機坐標係中的位置（zhì）為( x，y，z) ，則其表達式為（wéi）:
由（yóu）於 x、y、z 都是（shì）關於 s、h、θ 的表達（dá）式，且 s、h、θ 又都是關（guān）於參數 u 的表達式，故可得:
將式( 16) 代入式（shì）( 15) 可得 d P( u) /du。若接管半徑 r = 250 mm，筒體半徑 Ｒ = 800 mm，插補周期 T =0. 02 s，焊接速（sù）度 v = 10 mm / s、L1= 400 mm、L2= 100mm、擺動杆 L3= 100 mm、擺杆夾（jiá）角（jiǎo） β = 4°。
焊接前在試運行模（mó）式下，根據實（shí）際情（qíng）況對焊槍進（jìn）行（háng）調整，得到的示教點如表 1 所示。通過 MATLAB 仿真（zhēn）得到（dào）的馬鞍形曲線直接插補和示教方式規劃的焊槍運動（dòng）軌跡，如圖 5 所示。
由圖可知，直接插補段插補結果是馬鞍形曲線的一部分（fèn），示教編程段規劃出的運動軌（guǐ）跡是一條光滑的曲線，其與直接插補段連接處過渡平滑，證實了該軌跡（jì）規劃策（cè）略的合理性和（hé）可行性。
表 1 示教點
3 、數控係統軟件開發
本文選用 WINDOWS XP 為數控係統軟件開發平台，采用 VC + + 6. 0 開發工具，通過調用 PCOMM32. DLL 動態鏈接庫實現工控機和 PMAC 卡之間的通訊，依據馬鞍形焊縫焊接（jiē）對焊機的功能要求，基於模塊化設計（jì）理念開發數控係統軟件，並借助 PEWIN 軟件對 PMAC 卡中相應（yīng）參數進行設置，係統軟件結構如圖 6 所示。
3. 1 係（xì）統實時控製模塊
實時控製模塊是（shì）在 PMAC 卡固有的模塊基礎上進行的功能模塊開發，主要包括（kuò）: 插補計算模塊（kuài）、伺服控製模（mó）塊、開關量控製模塊和狀態（tài）監控模塊。
( 1) 插補計算模塊。該模塊的任務是在一定（dìng）焊接速度和精（jīng）度要求的（de）前提下，按照預處理算法計算出焊槍的運動軌跡，再生成各個軸運動指令（lìng）。
本文采用數據采樣法插補思想，由上位機完成粗插補、下（xià）位機完（wán）成實時精插補。粗插補采用馬鞍形曲線直（zhí）接插補算法或三（sān）次均勻（yún） B 樣條插補算法，精插補采用 PMAC 卡提供的 SPLINE1 模式，該模式（shì）采（cǎi）用 S 型曲線加減速，在（zài）區段交界處速度和加速度沒有突變［7］。
( 2) 伺服控製模塊。
由 PMAC 運動（dòng）控製卡（kǎ）完成位置閉環，伺服驅動器完成電流和速度這兩個（gè）閉環的（de）控製。采用 PMAC 卡為用戶提供的（de）“PID+速度/加速度前饋+NOTCH 濾波”的控製算法。
( 3) 開關（guān）量控製模塊。
該模塊（kuài）主要完成對馬鞍形焊縫（féng）焊機的開關量（liàng）的控製，包括焊接電源開關（guān），送絲機開關，限位開關等，需要用戶為用到的 PMAC 卡中的每個 I/O 口定義一個（gè） M 類變量，編寫相應的 PLC 程序可實現對焊機的邏輯順序控製（zhì）。
( 4) 狀態監控模塊。
該模塊主要是（shì）實時地（dì）檢測運動（dòng）控製卡的狀態和電動機的狀態、位置（zhì）、速（sù）度等信息，並通過雙端口 ＲAM 實（shí）現（xiàn） PMAC 卡和工控機的通信。
3. 2 係統（tǒng）管理模塊
係統管理模塊是（shì）數控係統軟件中非常重（chóng）要的組成部分，主要實現係統初始化參數設置、焊（hàn）接參數設置、手動操作、自動定位、故障診（zhěn）斷（duàn）、加工運（yùn）行等功能。
( 1) 係統主控模（mó）塊。
主控模塊（kuài）要為操作者提供一個直觀的（de）、友好的操作環境。主控模塊應包含係統控製（zhì）所需的所有控製按鈕和設定選擇欄，而且（qiě）要方便用戶操作。主模塊（kuài）主要包括係統（tǒng）參數設置、焊接參數設置、手動操作（zuò）、診斷、啟動和停止等（děng）按鈕。開發的馬鞍形焊縫焊機數（shù）控係統主界麵如圖 7 所示。
( 2) 焊接參數設置模塊（kuài）。
通過對焊接工件尺寸、坡口（kǒu）尺寸以及焊絲直（zhí）徑等焊接工藝參數的設置，通（tōng）過調用多層多道焊接路徑規劃模塊［8］，計算出各個焊道的位置，每焊完一（yī）道焊縫，將焊槍進行一定的偏移，實
現多層多道連續自動焊接。
( 3) 示教模塊。
將焊槍調整到焊（hàn）接起始點，並進入試運行模式，當焊槍偏離標（biāo）準馬鞍形曲線時，及時按（àn）下“暫（zàn）停”按（àn）鈕，進（jìn）行人工示教規劃焊槍運動軌跡。示教流程如（rú）圖 8 所示。
4 、結語
本文根據馬鞍形焊縫焊接的特點（diǎn）和高質量焊接要求，基於 PMAC 運動控製卡開發了馬鞍形焊縫焊機數控係統。提出的馬鞍形曲線直接插補（bǔ）算法和示教相結合的軌跡規劃策略，能有效地控製焊槍（qiāng）的運動軌跡，且具有（yǒu）較高的軌跡精度。基於（yú）模塊（kuài）化設計理念 在Window 平台下采（cǎi）用 VC + + 編程語言開發了數控係統軟件，經調試運行表明該係統性（xìng）能良好，運行穩定（dìng），操作簡單（dān），實現了對馬鞍形焊縫焊機的控製，滿足了壓力容器中接管與筒體的高質量焊接要求。
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