关于仓储货架横梁自动焊机控制系统的设计与开发

现代物流产业的蓬勃发展已经使各种仓储货架成为不可或缺的工具。 目前, 我国所有的轻重型货架生产厂家中, 货架的横梁与横梁挂角之间的焊缝一般都采用人工焊接, 在焊接过程中每根货架两端要同时由2 个熟练的焊工用2 台二氧化碳保护焊机进行焊接。 这种采用人工手动焊接的方法存在生产成本高、 焊接产品质量不稳定、 工人工作条件差等缺点, 但是如果采用先进的焊接机器人或数控设备又存在价格非常昂贵的问题。 针对中小型货架企业遇到的焊接问题, 本文设计一款采用中低端单片机为主控芯片的专用焊接设备, 可克服手工焊焊接质量不稳定的缺点, 设备造价较低, 同时节约大量的人力, 大大提高了生产效率, 降低生产成本, 符合市场需求。

货架横梁自动焊机本体由机械系统、 焊接电源系统、 送丝系统、 气压传动系统组成。 机械本体部分包括: 机架上设有2 根平行的滑行轴, 2 根滑行轴的一端设有1 个固定支架, 另一端设有1 个可以在滑行轴上滑动的活动支架, 固定支架和活动支架之间设有2 个可上下伸缩移动的横梁托架; 2 个回转机构分别位于固定支架和活动支架上, 回转机构上设有1 个用于支撑横梁挂角的挂角夹具; 2 个水平移动滑台; 2 个垂直移动滑台; 2 支焊枪分别位于2 个垂直移动滑台上。 工件直接安装在专用夹具上, 根据焊接要求可以通过工件旋转装置旋转工件, 旋转动作是由气动电机驱动并配以位置传感器来确保旋转位置的精度。 焊枪的运动由步进电机通过涡轮蜗杆带动。

货架横梁自动焊机是一种工厂自动化焊接设备,可以根据用户的焊接要求进行焊接位置、 焊缝尺寸、焊接钢管形状、 焊接速度等的设定。 货架横梁自动焊机是比较复杂的机电一体化设备, 包括各种位置传感器、 电磁阀、 步进电机等机电设备, 焊接控制器的实时控制任务较多, 故控制系统采用PC上位机加前后台2 个控制单片机的二级管理模式。 控制器系统硬件配置如图1 所示。

PC平台主要负责整个系统管理、 人机交互、 数据存储等, 外围电路主要包括液晶驱动、 键盘、EEPROM、 RS485 通信电路等。 前、 后控制单片机分别控制焊管机设备的前台和后台, 主要是X, Y轴伺服电机和2 个焊机的启动和停止, 除了控制双方的焊接设备外, 每个控制单片机还共同分担了一些设备的控制。 前台单片机控制1 个电磁阀来实现工作台的翻转, 并采集相应的接近开关信号以确定翻转是否完成; 后台控制单片机负责控制1 个电磁阀来实现工作台的升降, 并采集相应的接近开关信号来确定升降台升降是否到位, 同时还控制另1 个电磁阀来实现工件的夹紧和松开, 并采集相应的接近开关信号来确定工件夹紧、 释放操作是否完成。

采用前后台单片机这种相对开放的结构, 易于扩展。 同时前后台单片机分工明确, 各自承担的任务固定, 相比单一单片机控制每个单片机负担轻,实时性能好。 对于方管自动焊机而言, 这样的配置可以保证较高的实时性能、 可靠性和良好的操控性能, 且成本较低。

自动焊接设备是实时性非常强的工业系统, 要求更高的可靠性和响应能力。 前后控制单片机同时控制前台和后台的焊接设备(控制焊枪路径X方向和Y方向的伺服电机、 焊接升降平台、 焊枪等), 在焊枪的运动过程中保护和定位是非常重要的。 如果不及时在焊枪运动过程中进行保护和定位, 一旦出现故障将不可避免地对控制电路和执行机构造成巨大的损坏。 因此, 在硬件设计之初就在控制器的外围电路上设置了限制保护、 异常处理、 过流过载保护、 机械零位调整、 限位开关等保护和定位电路。

通过采用一定的机械结构, 在焊枪运动平台上安装零位开关, 当焊枪归到零位时输出开关信号。焊枪X方向和Y方向的限位开关在焊枪的运动过程中起到保护和定位作用。 当焊枪移动到X或Y的限位位置时, 传感器给出相应的限位开关信号, 控制系统停止电机并限制此方向的焊接。 各种限流保护电路、 机械归零等传感器模块电路采用24 V电源供电, 控制系统采用5 V电源供电, 信号采用光电隔离电路PC817 来实现隔离。 两种电源系统通过光耦完全隔离, 互不影响。 每个传感器隔离电路如图2所示。

焊管机是典型的机电一体化设备, 除了位置信号、 状态信号等的采集, 还要控制送丝机、 升降、工件夹紧控制设备、 电磁阀等外设的运转, 必须考虑系统驱动能力和电气上的隔离问题。 驱动外设开关的电路采用电磁继电器外扩三极管放电电路实现,继电器型号CS11-24SH , 触点切换电流可达12 A,足够运行外设的负载电流。 外设开关驱动继电器电路如图3 所示。

根据货架横梁自动焊机的功能需求可知, 上位PC机平台主要承担系统管理、 人机界面、 数据存取等功能, 确保系统的有序运行。 PC平台发出焊接指令给前、 后台控制单片机, 由控制单片机根据指令要求直接驱动焊枪运动的各种电磁阀、 电机、 传感器、 传感器信号读取等实时性较强的现场设备, 而焊接过程的状态信息也需要通过单片机及时传递给PC平台, 以便PC平台进行下一个决策运算。

前、 后台控制单片机软件流程分别如图4, 图5所示。

前、 后台控制单片机的功能基本对等, 都是接收上位机指令后控制前后台工作焊枪的移动、 送丝机的送丝等。 但由于在机械设计上前工作台有工件夹紧、松开设备, 工作台升降设备, 后工作台有工件翻转的电磁阀, 前、 后台单片机能执行的指令略有不同。

货架横梁自动焊机控制系统管理软件在PC机平台运行, 系统采用Visual Basic 6.0 编写。 PC平台软件实现焊管机的系统管理的人机界面、 数据存取和访问等功能, 包括方管类型的编辑、 焊接工艺参数的设置、 焊缝位置的编辑等功能模块, 保证了系统的有序运行。 PC端管理软件运行界面如图6 所示。

上位PC机与前、 后台控制单片机之间采用停止等待协议保证可靠的通信。 每次发送的数据包含通信协议字段、 有效数据包和数据校验码。 接收方接收到数据先进行解包, 即需要删除通信协议字段后,然后使用校验码进行数据的有效性检验, 如果检查错误则抛弃, 只有正确的传输信息才会对有效数据进行处理, 这一点在工业环境中使用的设备具有非常重要的意义。

通信数据有两种类型的长度, 即短块数据和长块数据。 平时通信采用短块方法, 长度为6 个字节。短块数据的第1 个字节是命令号, 第2~5 字节为携带的参数, 最后1 个字节是校验前5 个字节的数据和。 长块数据作为唯一的命令来使用, 即在每次开机或需要传递当前选定管型参数时传递一次系统参数。 在这个系统中, 命令号共有27 个, 分别控制焊管机不同部位的动作, 命令号码由1 个字节完成,第6 位表达命令, 最高两位作为区别通信方向。 命令字格式和通信意义见表1 和表2。 货架横梁自动焊机实物如图7 所示。

货架横梁自动焊机系统采用 “PC平台+前后台控制单片机” 的两级控制结构, 具有友好的人机界面, 用户只需快速地设置处理参数就能实现自动焊接加工的不同的货架横梁, 配置简单, 易于操作;焊接过程中电流稳定, 生产效率高; 整个系统实时性、 稳定性好, 市场反应良好。