西门子忻州PLC模块总代理商

　0前言

　　焊缝跟踪是实现焊接自动化的一个重要组成部分。焊机安装焊缝跟踪系统是为了在焊接过程中使焊枪始终对中焊缝，以保证焊接质量。实现焊缝轨迹跟踪可以采用通用计算机、单片机和PLC(可编程序控制器)等控制设备来完成，但焊接现场环境恶劣，限制了通用计算机和单片机的应用。PLC作为现代控制技术的重要支柱之一，具有控制能力强、通信速度快、接口能力强、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、适应性好、体积小和等优点，在各行业的控制中得到广泛的应用，因此，笔者在焊缝跟踪系统中采用PLC作为控制器。

　　文中介绍了埋弧焊焊缝结构光视觉跟踪系统结构及系统工作过程，据此设计了PIE的控制I/O接口，并结合所提出的焊缝轨迹跟踪原理设计了PLC的程序，在实际应用中，取得良好效果。

　　1 系统结构、原理及工作过程

　　1.1系统结构及原理

　　系统由埋弧焊机小车、激光视觉系统、西门子PLC、步迸电机及其驱动器、光电编码器、十字导轨、焊枪等组成，如图1所示。

　　系统中，激光视觉传感器与焊枪同定在一起，距离工件表面90 mm，其发出的激光束超前焊枪100 mm的距离投射到工件上，形成表征焊缝三维位置图像信息，采集该图像并进行实时图像处理，计算出焊缝中心位置偏差信息，通过PPI串口通信方式发送给PLC，由PLC完成纠偏控制算法，纠偏信息以脉冲信号的形式输出给电机驱动器，驱动步进电动机旋转，使焊枪在十字型导轨机构的水平方向和高度方向上移动，实现焊接过程焊枪始终对中焊缝。在进行多层多道焊接时，每层每道焊接速度可能不同，而速度影响纠偏控制参数，为了实现控制参数的自调整，通过光电编码器检测小车速度并反馈至PLC，作为参数调整的依据。

　　1.2系统工作过程

　　系统工作时分两步进行，步为手动操作过程，二步为自动跟踪过程，如图2所示。

　　由于激光条纹超前焊枪距离较大，焊接小车静止采用自动跟踪方式不一定使得焊枪对准焊缝(如焊缝为斜线或曲线时)，因此，开始时，系统切换为手动操作方式，通过点动方式使焊枪对准焊缝，并调整至合适的高度;然后，根据焊接小车的行驶速度(焊接速度)通过人机界面设置控制参数，或者设置为控制参数自调整方式。上述过程为系统的手动操作过程。

　　将系统切换至自动跟踪方式，则系统进入自动跟踪过程。此时，操作焊机控制板，启动焊接并使小车行走。焊接过程中，系统自动完成焊缝轨迹的跟踪及焊接过程的监控，当系统出现异常时，焊接将会暂停，由操作者进行错误处理或故障排除完毕后，再进人系统工作状态。当焊接完毕，将系统切换回手动操作方式以停止跟踪。

　　2 PLC控制电路设计

　　PLC主要完成对现场状态信号的采集、逻辑控制、输出信号控制、小车速度采集等功能。根据系统工作过程流程图，PLC控制系统的输入信号有13个，输出信号5个，如表1所示。

　　系统选用西门子公司的s7—224 PLC，它有14输入和10输出，完全满足设计要求，并留有一定余量。输入输出端El中，10.0为高速脉冲输入El，接收光电传感器脉冲信号，用于检j!贝lJd,车速度;QO.0和Q0.1为高速脉冲输出口，用于控制步进电机。

　　3焊缝轨迹跟踪原理及纠偏控制器设计

　　在焊接过程中，焊枪会在水平方向和高度方向上偏离焊缝中心，因此必须根据实时提取的焊缝中心设计有效的纠偏控制器，才能达到焊缝自动跟踪的目的。

　　3.1 水平方向跟踪原理

　　由于传感器前置，焊缝中心检测位置超前焊枪较大的距离，因此，直接将偏差作为控制回路的反馈信息来调整焊枪，会出现焊枪没有到达另一直线焊缝之前进行调整而产生偏差，即超前现象，尤其是跟踪斜线焊缝或曲线焊缝时，这种现象特别明显。通过深入的研究，笔者认为焊缝跟踪过程中，焊枪偏离焊缝的主要原因是焊缝轨迹方向与小车行走方向不一致即两者产生了夹角(以后称斜率)造成。因此，提出通过计算焊缝斜率来调整焊枪位移量的新方法。对于焊缝斜率的求取，可以假定在某一小段焊缝轨迹上的所有点同在相等的斜率焊缝上，对连续Ⅳ次采样周期计算出的Ⅳ个焊缝偏差进行统计计算，可以求出在该段焊缝轨迹上的平均斜率k，并将其作为纠偏控制器的反馈量。

　　基于焊缝斜率的轨迹跟踪方法具有延时性，某一次甚至几次由于干扰造成的偏差窜动对于在该段焊缝轨迹的斜率影响并不大，具有很强的抗干扰能力。其时延时性和抗干扰性与焊缝偏差的个数，v有很大关系，Ⅳ越大，延时越长，抗干扰越强，反之，则延时越短，抗干扰越弱。J7、r的取值与焊接速度t，、检测位置与焊枪距离Z以及采样周期r有直接的关系。Ⅳ的值可以按下式计算：

　　式中，INT为取整数函数。

　　3.2水平方向纠偏控制器设计

　　由于焊缝跟踪采用焊缝斜率跟踪方法，即有了数学模型，因此采用PD控制器来确定纠偏量的大小，可以达到很好的效果。系统采用的PD控制器的数学表达式为：

　　式中，k(n)和k(，l一1)分别为当前和前一次的焊缝斜率;Kp为比例增益;Kd微分增益。PD控制参数采用试验的方法进行整定，其整定结果为Kp。=120，Kd=55。

3.3高度方向纠偏控制器设计

　　在焊接过程中，因工件本身或摆放原因会引起高度的变化。由于高度变化，一方面，可能造成焊枪与工碰，另一方面，使激光条纹与焊枪的相对位置发生变化，从而影响获取偏差的准确度，因此，必须对高度进行调整。

　　激光传感系统没有直接获取焊枪高度的信息，而是通过分析图像中焊缝三维位置信息来计算高度位置变化。与水平方向跟踪相比，高度跟踪要求即时调整，无需延时。

　　由于该焊接过程中高度变化具有非线性、时变及不确定性，难以建立jingque的数学模型，很难用经典和现代控制理论完成纠偏，因此，高度纠偏采用模糊控制方法来实现。

　　采用双输入单输出的模糊控制器，把焊缝高度e变化(象素范围为[一30，30])及其变化率ec(象素范围为[一30，30])作为两个输入量，控制步进电机脉冲频率Ⅱ(脉冲频率范围为[一3k，3k])作为输出，它们的模糊量(分别为E，EC和U的论域都定为[一6，一5，一4，一3，一2，一l，0，l，2，3，4，5，6]，因此，可以确定量化因子ke=0.2，kec=0.2和比例因子ke=500。

　　模糊控制器语言变量模糊子集定为[NB，NM，NS，zE，Ps，PM，PB]，其隶属度函数采用非均匀分布的i角形隶属度函数，与均匀三角隶属度函数相比，其超调量和稳态误差较小，可以使系统稳态误差更小，响应更快。

　　模糊控制器的核心是模糊控制规则，它的选取关系到系统控制性能的优劣。总结手工控制焊枪跟踪焊缝的经验，可以得出模糊控制规则表，如表2所示。

　　根据表2，按照模糊合成算法，采用大隶属度法，可以得出13 X 13的二维模糊控制查询表。该表可以预先存储在PLC的y存储区里，通过变址寻址方式查询。

　　4 PLC程序设计

　　PLC控制程序主要包括模糊控制器输出查询表建立、程序初始化、手动操作和自动跟踪四部分组成。程序流程图如图3所示。

　　主流程图见图3a，图中的程序初始化包括I/0控制寄存器、中断定时器、手动控制时同定脉冲频率和模糊控制器的量化因子、比例因子等参数的初始化。自动跟踪程序采用定时中断方式来完成，间隔时间与激光传感系统采样时间相同，通常设置为200 ms。其具体流程如图3b所示。

　　5结论

　　采用文中所述方法对板厚为12 mm的S形I型对接焊缝进行了埋弧焊焊缝跟踪焊接试验，所用焊接参数为：焊接电压38 V，焊接电流420 A，焊接速度360mm/min。经过现场检测表明，该系统能够进行焊缝的准确跟踪，水平跟踪精度达到0.5 mm，高度跟踪精度达到1 mnl，完全达到焊接工艺和焊接质量的要求。同时系统具有较好的稳定性和可靠性，抗干扰能力也比较强，对焊接自动化的控制具有一定的借鉴作用。