目前，在國內散熱器T型管相貫線的焊接工藝上，多采用人工焊接方式。人工焊接存在焊接質量不穩定、生產效率低等缺點，因此，設計一種能自動完成T型管相貫線焊接的自動焊接機數控系統有很高的經濟效益和社會效益。但是，散熱器多T型管相貫線的焊接，存在焊接空間曲線復雜、在焊接過程中需要避障等問題，其模型(又稱為馬鞍形曲線)如圖1所示。為了提高生產效率、降低人力成本的支出，要求當被焊件裝上工件輸送臺后，焊接機自動完成T型管相貫線的焊接，無需人工干預。針對這種特殊的應用需求，本文設計了一種基于PC機和6K4控制器的開放式雙焊槍自動焊接機數控系統。

1 自動焊接機硬件構成
    要完成對T型管相貫線的焊接，除了要求焊槍具有平動功能，即焊槍的端瞄位置在允許的誤差范圍內準確跟蹤相貫線焊縫外，還要求焊槍具有擺動的功能，保證焊槍軸線在焊接過程中始終與相貫線焊縫的切線方向保持一定角度[1-3]。同時，在實際散熱器T型管相貫線的焊接中，還存在以下問題：
    (1)由于要進行多T型管相貫線的連續焊接，管與管之間的空間有限，單焊槍難以對T型管相貫線1次完全施焊，而采用分段分時焊接方式會由于溫度分布不均產生較大的受熱變形，嚴重影響工件的質量。
　 (2)由于在焊接過程中又存在鋁翼等障礙，為避免發生焊槍頭轉動時與鋁翼產生干涉，對焊槍槍頭在垂直平面(XOZ平面)的抬頭度也提出了要求。
　 針對這些問題，在該焊接數控系統的設計上采取了以下措施：
　 (1)采用雙焊槍對焊的方式。控制兩把焊槍同時相向運動，對相貫線進行1次性的完全焊接,每把焊槍只需完成半個T型管相貫線的焊接。
    (2) 使用6K4多軸運動控制器的1個電機驅動接口的輸出脈沖控制兩把焊槍同步運動。實時調整兩把焊槍相對焊接工作區域的傾斜角度,以保證良好的焊接質量。
　 (3) 控制焊槍運動的步進電機動力軸輸出端通過固定孔為圓弧狀且60°可調的圓盤法蘭和焊槍固定在一起，從而使焊槍在Z軸方向上抬頭度在60°范圍內可調，方便用戶進行調節，在焊接過程中避開鋁翼障礙。
　 (4) 焊接前，對焊槍頭進行調整，使焊絲端瞄位置（即焊絲軸線的延長線與工件表面的交點,以下簡稱焊槍頭部）其在焊接過程中始終處在焊槍的回轉中心線上。消除在焊接運動過程中因焊槍頭部不在焊槍的回轉中心線上所造成的焊接質量問題。
　 但是在焊槍長度固定且要進行雙焊槍同時焊接的情況下，一般需要五軸控制器才能實現。而在本焊接機的設計中，設計了一種新型的控制結構：采用了6K4四軸運動控制器，其中三軸實現X、Y、Z 3個方向上的插補，完成焊接曲線的擬合。同時為實現焊槍在焊接過程中實時擺動，利用6K4控制器的1個輸出軸來同時控制兩把焊槍（焊槍控制采用步進驅動系統），在保證經濟性的同時，又保證了雙焊槍擺動的同步性，提高了焊接精度。
　 該數控系統采用2級控制，上位機采用工業控制計算機（IPC），下位機采用6K4多軸運動控制器和MCS-51單片機系統并行運行的模式。整個焊接數控系統由5個軸組成。機床坐標系的建立如圖1所示，分別是控制工件輸送臺移動的X軸，控制焊槍進給運動的Y軸，控制焊槍垂直移動的Z軸，以及控制雙焊槍擺動的C軸。其中C軸細分為C1軸和C2軸，用來分別控制2個焊槍的擺動。其硬件結構原理圖如圖2所示。

    工控機選用的是華北工控的型號為RWS-856A的工控一體化機。RWS-856A是專門為工業自動化應用環境設計的，配置有高性能的控制運算平臺、低功耗的高性能工業主板、15英寸高亮帶電阻式觸摸面板的液晶顯示屏，主要用來實現系統的管理功能及人機交互功能，如可實現圖形顯示、焊接參數設置、在線調試、數字焊機參數顯示等。
　 控制器選用parker公司生產的6K4四軸運動控制器。6k4是一個結構獨立的運動控制器，它能夠控制1~4個軸的步進電機和伺服器的任意組合。另外，它還提供了8路限位開關（每軸2路）輸入、4路原點開關（每軸1路)輸入、4路通用數字量輸出接口、8路通用數字量輸入接口，RS232、RS485和以太網接口RJ45 3種通訊接口以及容量達300 KB的程序存儲器[4]。在本研究中，使用6K4控制器的1個電機驅動端口同時驅動2套步進驅動系統。2個步進電機細分驅動器脈沖輸入端CP、方向信號輸入端CW分別與控制器的DRIVES端口的脈沖信號端STEP和方向信號端DIRECTION相連，在保證系統經濟性的同時,使2個步進電機在低速情況下具有較高的運動同步性。
　 動力系統選用交流伺服系統（X、Y、Z）和步進驅動系統（C1和C2）。交流伺服系統是由交流伺服放大器、交流伺服電機和光電編碼器組成的閉環控制系統，控制精度較高。因此，進行T型管相貫線軌跡擬合的X、Y、Z三軸采用安川的交流伺服系統，以確保空間曲線的準確擬合。而旋轉軸是為了保證良好的焊接質量，為焊接工藝的要求所添加的,它只需控制焊槍在運動過程中做位置跟隨運動。所以控制精度要求不高，又考慮到控制成本的要求，選用了由23H280-01EA型的混合式步進電機和AKS230型的細分驅動器構成的步進驅動系統。
    傳感器選擇的是KEYENCE公司的光纖傳感器,其主模塊為FS-V31, 纜線NPN輸出,響應時間193 μs~16.7 ms。為了提高焊接效率，焊接過程采用變速控制方式，并由光纖傳感器檢測焊接工件的立管邊沿，以確定工件是否到達焊接工作區域。在工件沒有運動到焊接工作區域時，輸送臺帶動焊接件高速運行。當到達工作區域，安裝在焊槍座上的光纖傳感器檢測到焊接工件的立管邊沿時（即橫管和立管的T型相貫線的起焊點位置），輸送臺帶動焊接件執行低速注冊運動，以補償傳感器檢測位置和焊槍頭部位置之間在X軸方向上所存在的位置偏差，確保在焊機開始起弧焊接時焊槍頭部位于T型相貫線的起焊點位置。
　 焊接電源選用Pulse MIG-350Y/YL型的逆變式脈沖弧焊電源。它是一種使用Ar、CO2或者混合氣體進行保護半自動數字化電焊電源。本系統使用混合氣體進行MIG焊接。熔化極氣體保護焊（MIG）的主要優點是可以方便地進行各種位置的焊接，同時也具有焊接速度較快、熔敷率高等優點，因此適合用于自動化焊接。另外，該焊接電源提供了RS485通信端口，方便6K4控制器對其進行直接控制，而無需人工操作。
2 自動焊接機軟件設計
　 整個控制系統軟件主要由三大模塊組成：上位機IPC管理模塊、通信模塊、下位機控制模塊。其中，上位機IPC的應用軟件的主要任務是作為整個控制系統的后臺管理模塊，完成一些實時性不強的任務和一些多任務協調方面的工作。而對于各軸伺服插補運算、位置跟隨、脈沖輸出控制、I/O點的檢測、系統的順序上電、控制狀態顯示等實時性較強的任務，則由下位機6K4四軸運動控制器和MCS-51單片機系統來完成,其軟件結構如圖3所示。

2.1 上位機應用程序設計
　 上位機應用程序的主要作用是將數控系統的操作界面展示在屏幕上方便用戶的操作，這是數控系統開發很重要的一部分。本研究利用Visual Basic 6.0可視化開發工具開發了自動焊接機人機界面。在數控系統工作時，用戶只需輸入簡單的幾個參數，就可以自動完成散熱器T型管相貫線的焊接。這大大減輕了操作人員的勞動強度，提高了工作效率。上位機應用程序主界面如圖4所示。

    經過對自動焊接機硬件系統和用戶需求的分析，系統上位機應用程序主要包括以下幾個模塊：系統初始化、參數設置與顯示、點位數據庫生成及下載、原點設置、系統狀態顯示等模塊。
　 (1)系統初始化：該模塊主要為用戶提供一個交互性好的人機界面。在這個界面中，用戶可以方便地進行各種操作。數控系統運行時，首先運行此模塊，完成用戶登錄、建立上位機與6K4運動控制器的連接，對有關指示器設置相應的工作狀態等工作。
    (2)參數設置與顯示：針對散熱器T型管相貫線數學模型的生成及焊接點位數據庫生成所需的各種參數，設置了如下人機接口：橫管直徑、立管直徑、焊接運動線速度、插補周期、兩把焊槍的擺角及擺動速度。用戶可以通過數字軟鍵盤和帶觸摸屏的工控一體化機來方便地設置各種參數。在本模塊中，采用直線插補方法對焊接曲線進行直線段擬合，完成上位機的對曲線的粗插補，并生成相應的焊接點位數據庫，將其下載到6K4運動控制器中，以供運動程序調用。另外，在該模塊中，還設置了焊接電源參數顯示界面。上位機系統接收來自6K4控制器的相關參數數據，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、起弧電流等。
    (3)點位數據庫生成及下載：在菜單欄中的工具選項下可以打開這個子菜單。點擊生成按鈕，程序會自動生成焊接所需的各軸的焊接點位數據庫，并在屏幕上顯示出來。然后點擊下載按鈕，則可將生成的點位數據庫下載到6K4控制器中，當下載完成時，提示用戶下載成功，可以返回主界面，完成下一步工作。
　 (4)原點設置模塊：通過機床面板上的手動控制按鈕，分別對Y軸、Z軸、C軸坐標位置進行手動設置，使兩把焊槍均到達焊接起弧位置，并通過機床面板上的確定按鈕保存當前設定的焊槍在焊接起弧位置時各軸的相對坐標原點，以方便工件的連續自動焊接。硬件原點按鈕是使焊槍回到由各軸正負限位開關及原位開關（由接近開關組成）決定的硬件安裝原點位置。
    (5)系統狀態顯示：通過以太網接口，上位機系統可以通過API函數訪問6K4運動控制器，讀取各軸的當前坐標位置和運動速度，并在界面上進行實時顯示。
2.2 下位機運動程序設計
    T型管相貫線的粗插補由上位機完成，精插補及各軸聯動控制由運動控制器6K4來完成。6K系列多軸運動控制器是建立在Compumotor的6000編程語言可靠平臺之上的一款高性能多軸控制器,其特點是：電子凸輪，多任務處理，PLC掃描模式，可編程限位開關（PLS）功能，仿形和教學模式等。而且6000語言具有與Basic語言相似的結構，簡單易用。在本系統軟件設計中，6000語言運動程序主要功能是調用焊接點位數據庫中的數據，并進行焊接曲線的精插補，以完成散熱器T型管相貫線的精確擬合。同時，控制兩把焊槍在運動過程中做位置跟隨運動，跟隨X軸做相應的擺動，以實時保持焊槍相對YOZ平面的合理夾角。其中，兩把焊槍是由C軸脈沖來控制的。其主程序流程圖如圖5所示[5]。

    本文基于PC機和6K4運動控制器設計了用于散熱器T型管相貫線焊接的自動焊接機數控系統。在硬件系統設計上，采用了 “PC+多軸控制器”的典型控制結構，并針對自動焊接機獨特的雙焊槍結構，提出了一種新型的經濟型控制結構：兩套步進驅動系統采用并聯方式與6K4運動控制器的1個電機驅動端口相連，由它發出的同一組驅動脈沖驅動；在軟件設計上，根據用戶需求及人機交互的特點，采用Visual Basic 6.0 設計了該數控系統的人機界面。實際運行證明，該自動焊接機數控系統運行穩定、可靠，較好地滿足了用戶的設計需求。
參考文獻
[1]  劉蕾, 唐為義, 原所先.基于VC++與PMAC的機器人控制軟件的開發［J］.機器人技術，2008，24(2-2)：203-205.
[2]  周鋒, 江蘇, 朱小波.五軸相貫線焊接機器人控制系統研究［J］.制造技術研究，2007(5)：4-8.
[3]  胡鵬, 方康玲, 劉曉玉.基于PMAC的開放式機器人控制系統［J］.微計算機信息，2006，22(4-2)：171-173.
[4]  Parker Hannifin Corporation. 6K Controllers [Z]. 2003.
[5]  Parker Hannifin Corporation. 6K series programmer’s guide[Z]. 2003.